Введение
Американский инженер Артур Роберт Кантровиц (20 октября 1913 года – 29 ноября 2008 года) — американский учёный, инженер и преподаватель. Кантровиц вырос в Бронксе и окончил школу Девитт Клинтон. Он получил степени бакалавра и магистра, а в 1947 году — докторскую степень по физике в Колумбийском университете.
Arthur Robert Kantrowitz (October 20, 1913 – November 29, 2008) was an American scientist, engineer, and educator. Kantrowitz grew up in The Bronx and graduated from DeWitt Clinton High School. He earned his B. S., M. A. and, in 1947, his Ph. D. degrees in physics from Columbia University.
Ранние годы
Кантровиц родился в Нью-Йорке 28 октября 1913 года. Его мать была художником по костюмам, а отец руководил клиникой в Бронксе. В детстве Артур сконструировал электрокардиограф из старых радиодеталей, работая вместе со своим братом Адрианом (который впоследствии выполнил первую трансплантацию сердца в Соединенных Штатах).
Карьера
Во время обучения в аспирантуре в Колумбийском университете Кантровиц начал работать физиком в 1936 году в Национальном консультативном комитете по аэронавтике (NACA), и продолжал эту работу в течение десяти лет. Получая степень доктора философии, Кантровиц находился под руководством Эдварда Теллера. В 1938 году он начал строительство "Диффузионного ингибитора" – первой известной попытки создать рабочий реактор термоядерного синтеза. Название было выбрано намеренно, чтобы замаскировать истинное назначение, но в конечном итоге цель проекта была раскрыта, и финансирование было прекращено. В течение следующих десяти лет он преподавал в Корнеллском университете, а затем в 1955 году основал Исследовательскую лабораторию Avco Everett (AERL) в Эверетте, штат Массачусетс. Он разработал ударные трубы, способные генерировать чрезвычайно горячие газы, необходимые для моделирования возвращения в атмосферу с орбитальной скорости, тем самым решив критическую проблему нагрева носового обтекателя при входе в атмосферу и ускорив разработку возвращаемых космических аппаратов. Кантровиц был директором, генеральным директором и председателем AERL до 1978 года, когда он занял должность профессора в Дартмутском колледже. С 1956 по 1978 год он также занимал пост вице-президента и директора корпорации Avco.
Научные исследования
Междисциплинарные исследования Кантровица в области механики жидкостей и газовой динамики привели к вкладу в область магнитогидродинамики и разработке высокоэффективных лазеров большой мощности. Он первым предложил систему лазерного разгона для вывода крупных полезных нагрузок на орбиту, используя энергию наземных лазеров для увеличения скорости истечения и, тем самым, снижения отношения массы топлива к массе полезной нагрузки. Его концепции лазерного разгона были опубликованы в 1988 году. Его ранние исследования в начале 40-х годов были посвящены сверхзвуковым диффузорам и компрессорам, которые впоследствии нашли применение в авиационных двигателях. В 1939 году он изобрел вариометр полной энергии, используемый в планеризме, и является соавтором ранней схемы магнитно-удерживаемого ядерного синтеза, на которую была подана патентная заявка в 1941 году. В 1950 году он разработал метод создания сверхзвукового источника для молекулярных пучков, который впоследствии использовался химиками в исследованиях, удостоенных двух Нобелевских премий. В 1960-х и 1970-х годах он возглавлял проектирование и разработку в AERL первого внутриаортального баллонного насоса. Баллонный насос – это устройство для временной поддержки кровообращения, которое было применено более чем к трем миллионам пациентов во всем мире. Это устройство было использовано и для поддержания его собственного ослабевшего сердца. Другим вкладом в науку стал эксперимент с потоком в точке стагнации, позволяющий непосредственно визуализировать процессы начального взаимодействия свежей крови с искусственной поверхностью под мощным микроскопом. Эта методика стала важным инструментом для экспериментального изучения этого жизненно важного взаимодействия и привела к созданию различных протезов кровообращения, включая искусственное сердце. Кантровиц, будучи сторонником отделения науки и техники от политических или идеологических соображений, впервые в 1967 году предложил создать Институт научного заключения, обычно называемый Научным судом, для оценки уровня знаний в научных спорах, имеющих значение для государственной политики. Он продолжил развивать концепцию Научного суда в качестве председателя рабочей группы в Консультативной группе президента Форда по прогнозируемым достижениям в науке и технике в 1975–1976 годах. По словам Джерри Пурнелла, "Мы могли бы развить все это [то есть крупномасштабную коммерческую освоение космоса] в 60-х и 70-х годах, но выбрали другой путь. Артур Кантровиц пытался убедить окружение Кеннеди в том, что лучший путь на Луну – это развитие пилотируемого доступа в космос, пилотируемой космической станции по проекту фон Брауна и, наконец, высадка на Луну, что позволило бы сохранить развитую космическую инфраструктуру".
Предельный предел Кантровица
Кантровиц известен разработкой теоретической концепции точек удушения потока при сверхзвуковых и околозвуковых скоростях на входе. Эта концепция получила название "предел Кантровица".
Приложения
Лимит Кантровица имеет множество применений в газовой динамике входного потока для реактивных двигателей и ракет, как при работе на высоких дозвуковых, так и сверхзвуковых скоростях. Два примера объяснят влияние предела Кантровица на сопло. В обоих случаях массовый расход = скорость входящего потока, умноженная на площадь, умноженная на плотность. Рассмотрим сопло, подключенное к источнику вакуума. Когда отношение давлений достигает примерно 2, поток через сопло приближается к местной скорости звука, и поток становится критическим. При дальнейшем понижении абсолютного давления вакуума скорость потока не увеличивается. Это и есть предел Кантровица, который ограничивает массовый расход, поскольку скорость ограничена скоростью звука, а площадь, давление на входе и плотность остаются постоянными. На реактивные двигатели самолетов этот предел оказывает значительное влияние: как только скорость входящего потока достигает числа Маха 1, массовый расход ограничивается, независимо от создаваемого двигателем всасывания. Далее рассмотрим сопло, подключенное к источнику сжатого воздуха. При отношении давлений около 2 поток становится критическим и не может превышать скорость звука. Однако плотность и, следовательно, массовый расход можно увеличить, повысив давление на входе. Чем выше давление, тем выше плотность и тем больше массовый расход. Таким образом, хотя предел Кантровица ограничивает максимальную скорость газа, он не накладывает фиксированных ограничений на массовый расход. Недавняя концепция высокоскоростного транспорта для быстрого перемещения между густонаселенными городами на расстоянии около 1000 миль (1609 км) – Hyperloop – учитывает предел Кантровица как фундаментальный критерий проектирования. Попытка пропустить высокоскоростной пассажирский модуль через трубу с очень низким давлением напрямую сталкивается с пределом Кантровица для течений жидкости. Исторически сложилось так, что решения для работы в рамках этого предела сводились к подходам "ускоряться" и "замедляться". Ключевое новшество в предложении Hyperloop заключается в третьем подходе, позволяющем оставаться ниже предела Кантровица, сохраняя при этом высокие дозвуковые скорости: добавление переднего компрессора для активной передачи воздуха высокого давления с передней части транспортной капсулы на заднюю, тем самым обходя большую часть воздуха, которая привела бы к динамическому скачку критического потока. Поток в меньшем канале внутри капсулы также подвержен пределу Кантровица, который компенсируется повышением давления и плотности для достижения необходимого массового расхода. В альфа-проекте Hyperloop 2013 года воздушный входной насос также обеспечивает систему подвески на воздушной подушке с низким трением для движения на высоких скоростях.
Почести и награды
Кантровиц был членом Американской академии искусств и наук, Американской ассоциации содействия развитию науки, Американского астронавтического общества, почетным членом Американского института аэронавтики и космонавтики, Американского физического общества, Американского института медицинской и биологической инженерии, а также членом Национальной академии инженерии, Национальной академии наук и Международной академии космонавтики. В 1953–1954 годах он был стипендиатом программ Фулбрайта и Гуггенхайма в Кембриджском и Манчестерском университетах. Кантровиц являлся почетным членом попечительского совета Университета Рочестера, почетным пожизненным членом Совета управляющих Техниона и почетным профессором Хуачжунского технологического института в Ухане, Китай. Кантровиц также входил в консультативный совет Института перспективных исследований, организации, занимающейся подготовкой к развитию нанотехнологий. Кантровиц был владельцем 21 патента и автором или соавтором более 200 научных и профессиональных статей. Он также был соавтором книги «Основы газовой динамики», опубликованной в 1958 году издательством Princeton University Press. Кантровиц скончался в возрасте 95 лет 29 ноября 2008 года, находясь в Нью-Йорке в гостях у родственников. Накануне он перенес сердечный приступ.