Владимир Хаустов – Геометрическая Волновая Инженерия: Инженерные решения на основе псевдоповерхностей для различных областей науки и техники (страница 1)
Владимир Хаустов
Геометрическая Волновая Инженерия: Инженерные решения на основе псевдоповерхностей для различных областей науки и техники
Введение
Представьте себе мир, где энергия летает по воздуху, словно луч света, питая дома, машины и даже дроны, парящие в небе. Мир, где телескопы размером с чемодан улавливают шепот далеких галактик, а двигатели работают без единой движущейся детали, используя лишь силу формы. Это не сценарий из фантастического фильма, а реальность, которую обещает геометрическая волновая инженерия (ГВИ) – новая область науки, где ключ к технологическим прорывам лежит не в сложных механизмах, а в изящной геометрии.
Центральное место в ГВИ занимают псевдоповерхности.
Псевдоповерхности второго порядка, такие как псевдогиперболоиды, псевдоэллипсоиды с переменной отрицательной гауссовой кривизной, представляют собой уникальные геометрические объекты, способные накапливать, перенаправлять и пространственно распределять волновую энергию в строго управляемых направлениях.
В данной работе представлена обобщённая концепция Геометрической Волновой Инженерии (ГВИ), в рамках которой псевдоповерхности рассматриваются как функциональные элементы инженерных устройств нового поколения. В её основе лежит идея о том, что форма может выполнять управляющую и логическую функцию, ранее характерную лишь для программного управления, механических конструкций или электронных компонентов. В частности, продемонстрировано, что псевдогиперболоидные и им подобные резонаторы способны обеспечивать:
– фокусировку электромагнитных, акустических и детонационных волн;
– формирование узконаправленных пучков излучения без применения внешних линз, фазированных решёток или цифровых фазовращателей;
– эффективную регистрацию слабых полей (электрических, магнитных, гравитационных) посредством пространственного усиления сигнала;
– инициацию возвратно-поступательных или вращательных газодинамических процессов без клапанов и подвижных частей;
– реализацию самоподдерживающихся энергетических процессов на основе внутренней геометрической синхронизации.
Особое внимание в представленной работе уделено практической реализации алгоритмов саморегулирования давления, тока, потока или излучения через архитектуру формы. Примерами служат:
– фазо-чувствительные сенсоры новой природы (включая “времетекторы” – приборы для регистрации микроскопических отклонений метрики времени);
– лазероподобные СВЧ-резонаторы (“структурированные генераторы”);
– фокусные газодинамические клапаны без механики;
– без насосные волновые системы перекачки жидкостей;
– и волновые приводы детонационного типа, самофазирующиеся по направлению горения.
Цель данной работы – продемонстрировать универсальность и еще практически неиспользованный инженерный потенциал псевдоповерхностей как платформ для создания многофункциональных, компактных и самоорганизующихся технических систем.
Работа объединяет теоретическое моделирование, аналитические выводы и прикладные инженерные схемы, предлагая основу для дальнейших исследований.
1. Волновая энергетика
1.1. Источник ЭМ излучения с сверхмалой угловой расходимостью в диапазоне частот до видимого включительно
Особая геометрия и распространение лучей внутри псевдогиперболоида может быть использована в качестве нового резонатора/формирователя мощного ЭМ излучения с сверхмалой угловой расходимостью в диапазоне часто от СВЧ до видимого
Рассмотрим ранее представленную поверхность второго порядка – псевдогиперболоид с точки зрения использования в качестве объёмного резонатора/формирователя мощного ЭМ излучения. Для этого необходимо предусмотреть выходную апертуру в месте сосредоточения ЭМ энергии.
Для этого изменим немного трактрису. Возьмём усечение одной ветви гиперболы со стороны выхода ниже оси фокусов, равном длина волны/2. Например, для СВЧ зазор 0.1-2 мм, ИК 5-50 мкм, видимый свет: 1 мкм.
Рис. № 1. Выходная апертура псевдогиперболоидного источника ЭМ излучения.
В этом случае будет происходить не только концентрация лучей к диаметральной оси фокусов гиперболы, но и узко направленное цилиндрическое распространение по оси фокусов в одном направлении потока с толщиной “стенки” излучения, равной длине волны.
Главная особенность такого резонатора – это формирование ЭМ излучение полой цилиндрической формы с толщиной стенки, равной длине волны и с угловой расходимостью, приближающейся к дифракционному пределу. Геометрическая синергия обеспечивается за счёт специфической формы отражающих поверхностей, описываемых в терминах усечённой гиперболической трактрисы. Такая форма позволяет лучам самосогласованно распространяться и фокусироваться по оси – в отличие от традиционных конфигураций.
Это универсальное физико-геометрическое свойство позволяет использовать резонатор в различных диапазонах частот. Выбор материалов и методов возбуждения зависит от частотного диапазона (СВЧ, ИК, оптический).
Вариант 3-D архитектуры псевдогиперболоидного резонатора показан на следующем рисунке.
Рис. № 2. 3-D архитектура псевдогиперболоидного резонатора.
Где:
– 1- Входной поток.
– 2 – Резонатор.
– 3- Выходная апертура (толщина стенки = длинна волны).
Применение псевдогиперболоидной поверхности в газодинамической лазерной генерации имеет свои особенности. Для газодинамической лазерной генерации резонатор должен быть полно проходным для обеспечения газового потока. Здесь возможна реализация двух типов генерации мощного ЭМ излучения:
1. На основе быстрого расширения газа в осевом направлении резонатора (классическая схема газодинамического лазера).
2. За счёт быстрого локального нагрева в осевом направлении резонатора (например, в ударной волне – тепломеханическая накачка).
В любом случае псевдогиперболическая поверхность должна быть полно проходной.
Таким образом, в конструктивном плане, в зависимости от назначения, псевдогиперболоидный резонатор направленного излучения может быть изготовлен полно проходным или замкнутым для входного энергетического потока.
Замкнутый тип. Полно проходной тип.
Рис. № 3. 3-D модели двух типов псевдогиперболоидных резонаторов.
Дополнительно, каждый тип псевдогиперболоидного резонатора по выходному каналу может быть открытого типа и полуоткрытого.
Открытого типа. Полуоткрытого типа.
Рис. № 4. 3-D модели выходных каналов псевдогиперболоидных резонаторов.
Рассмотрим особенности использования псевдогиперболоидного резонатора в различных электромагнитных диапазонах.
1. Физика СВЧ-потоков в псевдогиперболоидном резонаторе
Псевдогиперболоидный резонатор представляет собой полость с криволинейной внутренней поверхностью, сформированной вращением усечённой трактрисы. Такая поверхность обладает переменной отрицательной кривизной. Необычная геометрия стенок заставляет СВЧ-волны многократно отражаться по строго согласованным траекториям: каждая точка поверхности резонатора ориентирована таким образом, чтобы отражённая волна постепенно «переходила» в направленное движение вдоль оси симметрии.
Результат – формирование узконаправленного СВЧ-потока цилиндрической формы по линии фокусов превдогиперболоида.
Принцип тот же, что и у параболического зеркала: все лучи, отражённые от поверхности, собираются в один направленный фронт. Но в отличие от одномерного фокуса – здесь трёхмерное отражающее пространство на основе кривых второго порядка, работающих в синергии. Это обеспечивает пространственную самофокусировку.
Режим волновода
В псевдогиперболоидном резонаторе действует волноводный эффект. EM-волны (в частности, TM или TE моды), возбуждённые, например, магнетроном, попадают в геометрически замкнутое пространство. В зависимости от размеров полости и длины волны имеются резонансные условия, при которых внутренняя структура “настраивается” на устойчивую стоячую волну, усиливая поля.
Форма резонатора обеспечивает
– минимальные потери энергии на рассеяние (волновая энергия не уходит в стороны);
– согласованное направление волнового фронта;
– сужение энергетического канала к выходу – подобно соплу в газодинамике.
– создание полого цилиндрического канала в воздухе (или в газе, если имеется заполняющая среда).
Такой поток:
– легко туннелирует через пространство;
– может использоваться как ионизатор для создания проводящих воздушных дорожек;
– может быть использован для передачи энергии, облучения или формирования управляемого электромагнитного влияния на объекты.
Преимущества перед традиционными резонаторами
– Направление энергии формируется геометрически, а не электронно-фазовым управлением.
– Отсутствуют подвижные части, фокусирующие линзы и зеркала.
– Устойчивая структура волнового фронта при небольших деформациях корпуса.
– Естественная коллимация – формирует почти плоский фазовый фронт.