Электромагниттік өрістерді пайдаланып көлік құралын қоздыру

Кіріспе

Электромагниттік өрістерді пайдаланатын көлік құралдарының қозғалтқышы

Магниттік-гидродинамикалық қозғалтқыш немесе МГД үдеткіші – электр және магниттік өрістерді ғана пайдаланып, қозғалмайтын бөлшектерсіз көлік құралдарын жылға жылға беретін әдіс. Бұл әдіс электр тогын өткізгіш затты (сұйық немесе газ) магниттік-гидродинамика арқылы үдетуге негізделген. Сұйықтық артқа бағытталады, ал реакция күші көлікті алға жылға береді. Теңіз көлігі саласындағы МГД зерттеулері 1950 жылдардың соңында басталды. Теңіз суының электр өткізгіштігінің төмендігіне байланысты, көптеген ірі теңіз прототиптері жасалды. Ток тығыздығын арттыру электродтар маңындағы Джоуль қыздыруымен және судың электролизімен шектеледі, ал магнит өрісінің күшін арттыру электромагниттердің құны, көлемі және салмағымен (сондай-ақ технологиялық шектеулермен) және оларды қуатпен жабдықтау мүмкіндігімен шектеледі. 2023 жылы DARPA 20 Теслаға жететін күшті магнит өрісін құруға арналған суперөткізгіш магниттерді пайдаланып теңіз қозғалтқышын жасау мақсатымен PUMP бағдарламасын іске қосты. Ауамен тыныс алатын МГД қозғалтқыштарына (қоршаған ауа иондалғанда) қатысты күшті техникалық шектеулер бар, және олар әлі де теориялық ұғымдармен және алғашқы тәжірибелермен ғана шектелген. Ғарыш зерттеулері үшін магнитогидродинамиканы қолданатын плазмалық қозғалтқыштар да белсенді түрде зерттелді, себебі мұндай электромагниттік қозғалтқыш жоғары итермелеу және жоғары нақты импульстің ең жоғары деңгейін қамтамасыз етеді, ал отын химиялық ракеталардағыдан әлдеқайда ұзаққа жетеді.

Теңіздің қозғалтқышы

MHD-да қозғалмалы бөлшектер жоқ, демек, жақсы жобаланған құрылым шусыз, сенімді және тиімді болуы мүмкін. Сонымен қатар, MHD дизайны қозғалтқышпен тікелей басқарылатын винт арқылы күш беру жүйесінің тозу мен үйкеліс бөлшектерін жояды. Қазіргі технологиялардың мәселелері – жоғары құн және қозғалтқышпен жұмыс істейтін винтке қарағанда төмен жылдамдық. 1991 жылы Жапонияда 6 жылдық ғылыми-зерттеу және әзірлеу (ҒЗӘ) жұмыстарынан кейін әлемдегі алғашқы толық көлемді "Ямато-1" прототипі аяқталды. Кеме оннан астам адам мен жолаушыларды 1992 жылғы маусымда Кобе портында сағаттағы жылдамдықпен тасыды. Шағын кемелердің модельдері кейіннен зертханада жан-жақты зерттелді, нәтижесінде кемелердің соңғы жылдамдықтарын өлшеу мен теориялық болжамдардың арасында сәтті салыстырулар жасалды.

Ағындылықты пассивті басқару

Көлік құралдарының үстінен өтетін гипердыбыстық ағындармен плазманың өзара әрекеттесуін зерттеудің алғашқы жұмыстары 1950 жылдардың соңына дейін барып жетеді, бұл жоғары жылдамдықпен қайта кіру кезінде ғарыш капсулалары үшін жаңа типтегі жылу қорғау жүйесінің идеясымен байланысты болды. Мұндай өте жоғары жылдамдықтар мен биіктікте төмен қысымды ауа табиғи түрде иондалады, сондықтан электромагнит арқылы жасалатын магнит өрісінің әсерін пайдаланып, жылулық абляциялық қалқандарды "магниттік қалқанмен" алмастыру мүмкіндігі қарастырылды. Гипердыбыстық иондалған ағын магнит өрісімен өзара әрекеттесіп, плазмада айқыш ағымдар тудырады. Бұл ағым магнит өрісімен бірігіп, ағынға қарсы тұратын Лоренц күштерін жасайды және көлік құралының алдындағы соққы толқынын қашыққа жылжытады, соның салдарынан тұрақтанған нүктедегі ауаның күрт қысылуынан туындайтын жылу ағыны төмендейді. Мұндай пассивті ағынды басқару жөніндегі зерттеулер әлі де жүріп жатыр, бірақ ірі масштабты демонстрациялық үлгі әлі құрылмаған.

Болашақ

MHD қозғалтқышы теңіз және ғарыш кемелері үшін негізгі қозғалтқыш ретінде қарастырылып келді, себебі суда (қалықтау күшінің арқасында) немесе ғарышта (салмақсыздық күйінің арқасында) Жердің тартылысына қарсы тұру үшін көтеру күшін жасау қажеттілігі жоқ, бұл атмосферадағы ұшу кезінде қажет болады. Дегенмен, электр қуатымен қамтамасыз ету мәселесі шешілген жағдайда (мысалы, әлі дамып келе жатқан көп мегаватттық ықшам термоядролық реактордың болуымен), болашақтағы жаңа типтегі ұшақтарды көзге елестете беруге болады. Бұл ұшақтар MHD үдеткіштерімен тыныш түрде қуаттанады, төмен қарай жеткілікті ауаны иондап, бірнеше тонналық көтеру күшін жасауға қабілетті болады. Сыртқы ағын жүйелері бүкіл суға батқан беттегі ағынды басқара алады, жоғары жылдамдықтарда жылудық мәселелерді шектейді. Осыған байланысты, қоршаған ауа Лоренц күштерінің әсерімен цилиндр, конус немесе шар тәрізді осьтік симметриялы денелердің айналасында ионданып, радиалды бағытта үдетіледі, ал бүкіл ұшақ корпусы қозғалтқыш ретінде жұмыс істейді. Көтеру және итеру күші Коанда эффектісінің нәтижесінде жоғарғы және төменгі беттер арасындағы қысым айырмашылығынан туындайды. Осындай қысым айырмашылығын барынша арттыру және ең тиімді MHD түрлендіргіштері (жоғары Холл эффектісімен) дискі тәрізді болғандықтан, мұндай MHD ұшақтары екі жақты дөңгелек линза пішінін алу үшін жалпақталған болуы керек. Қанаттары мен ауа сорғыш реактивтік қозғалтқыштары жоқ, ол дәстүрлі ұшақтармен ешқандай ортақ белгілеріне ие емес, бірақ ол вертолет сияқты жұмыс істейді, оның роторлық қанаттары қозғалмайтын бөліктері жоқ "таза электромагниттік ротормен" алмастырылған, ауаны төмен қарай сорып алады. Мұндай ұшатын MHD дискілерінің тұжырымдамалары 1970 жылдардың ортасынан бастап, негізінен физиктер Лейк Мирабо (Lightcraft) және Субрата Рой (Wingless Electromagnetic Air Vehicle (WEAV)) еңбектері арқылы дамытылды. Бұл болашақ көзқарастар бұқаралық ақпарат құралдарында жарияланды, бірақ олар әлі де қазіргі технологияның мүмкіндіктерінен тыс қалуда.

Ғарыш кемелерін қозғалтқыш

Ғарыш кемелерін қозғаудың бірқатар тәжірибелік әдістері магнитогидродинамикаға негізделген. МДД-ның осы түрі сығымдалатын сұйықтықтарды – плазманы (иондалған газдарды) қолданатындықтан, оны магнитогаздинамика немесе магнитоплазмадинамика деп те атайды. Мұндай электромагниттік қозғалтқыштарда жұмыс сұйықтығы көбінесе иондалған гидразин, ксенон немесе литий болып табылады. Қолданылатын отынға байланысты, оның электр өткізгіштігін арттыру үшін калий немесе цезий сияқты сілті металдарымен қосады. Плазмадағы барлық зарядталған бөлшектер – оң және теріс иондардан бастап еркін электрондарға дейін, сондай-ақ соқтығысулар нәтижесінде пайда болатын бейтарап атомдар, Лоренц "денесі" күшімен бір бағытта үдемеленеді. Бұл күш магнит өрісінің және оған перпендикуляр электр өрісінің өзара әрекеттесуінен туындайды (сондықтан бұл жеделдеткіштер "қайшы өрісті жеделдеткіштер" деп аталады), ал бұл өрістер үдемелеу бағытында орналаспаған. Бұл, тек оң иондарды үдемелендіру үшін Кулон күшін пайдаланатын және жоғары кернеулі электр өрісіне сүйенетін иондық қозғалтқыштардан басты айырмашылық. Қайшы өрісті плазмалық жеделдеткіштерді (төртбұрышты каналдар мен ракета соплоларын) зерттеудің алғашқы тәжірибелік жұмыстары 1950 жылдардың соңына қарай басталған. Мұндай жүйелер дәстүрлі химиялық ракеталармен және тіпті қазіргі заманғы иондық қозғалтқыштармен салыстырғанда жоғары жылдамдық күшіне және жоғары нақты импульске ие, бірақ олар үшін энергия тығыздығы жоғары болуы керек. Қазіргі таңдағы зерттеулерге қатысты құрылғылардың ішінде қайшы өрісті жеделдеткіштермен қатар магнитоплазмалық динамикалық қозғалтқыш (кейде Лоренц күшінің жеделдеткіші – LFA) және электродсыз импульсті индукциялық қозғалтқыш (PIT) де бар. Дегенмен, бүгінгі күні бұл жүйелерді ғарышқа ұшыруға әлі дайын емес, себебі оларға қуатты электромагниттерді, әсіресе импульстік индукциялық магниттерді қуатпен қамтамасыз ету үшін жеткілікті энергия тығыздығын ұсынатын ыңғайлы қуат көзі (мысалы, гипотетикалық термоядролық реакторлар) қажет. Электродтардың жоғары жылу ағыны кезінде тез тозуы да маңызды мәселе. Осы себептерге байланысты зерттеулер көбінесе теориялық сипатта болып қалады және тәжірибелер әлі де зертханада жүргізілуде, осы типтегі қозғалтқыштардағы алғашқы зерттеулер басталғанына 60 жылдан асса да.

A number of experimental methods of spacecraft propulsion are based on magnetohydrodynamics. As this kind of MHD propulsion involves compressible fluids in the form of plasmas (ionized gases) it is also referred to as magnetogasdynamics or magnetoplasmadynamics. In such electromagnetic thrusters, the working fluid is most of the time ionized hydrazine, xenon or lithium. Depending on the propellant used, it can be seeded with alkali such as potassium or caesium to improve its electrical conductivity. All charged species within the plasma, from positive and negative ions to free electrons, as well as neutral atoms by the effect of collisions, are accelerated in the same direction by the Lorentz "body" force, which results from the combination of a magnetic field with an orthogonal electric field (hence the name of "cross field accelerator"), these fields not being in the direction of the acceleration. This is a fundamental difference with ion thrusters which rely on electrostatics to accelerate only positive ions using the Coulomb force along a high voltage electric field. First experimental studies involving cross field plasma accelerators (square channels and rocket nozzles) date back to the late 1950s. Such systems provide greater thrust and higher specific impulse than conventional chemical rockets and even modern ion drives, at the cost of a higher required energy density. Some devices also studied nowadays besides cross field accelerators include the magnetoplasmadynamic thruster sometimes referred to as the Lorentz force accelerator (LFA), and the electrodeless pulsed inductive thruster (PIT). Even today, these systems are not ready to be launched in space as they still lack a suitable compact power source offering enough energy density (such as hypothetical fusion reactors) to feed the power greedy electromagnets, especially pulsed inductive ones. The rapid ablation of electrodes under the intense thermal flow is also a concern. For these reasons, studies remain largely theoretical and experiments are still conducted in the laboratory, although over 60 years have passed since the first research in this kind of thrusters.

Көркем әдебиет

Орегон, Клайв Касслердің "Орегон файлдары" сериясындағы кеме, магнитогидродинамикалық жетекке ие. Бұл кемеге бірнеше шақырымға дейін сырғанаудың орнына, өте тік бұрылуға және дереу тоқтауға мүмкіндік береді. "Валгалланың көтерілуі" романында Клайв Касслер капитан Немоның "Наутилус" кемесіне де осы жетекті енгізеді. "Қызыл қазанға аңшылық" фильмінің бейімделуі магнитогидродинамикалық жетекті суасты кемелері үшін "қазаншаң жетек" деп танымал етті, ол суасты соғысында жасырындыққа қол жеткізуге арналған, анықтау қиын "жай қозғалтқыш" болып табылады. Шындығында, су арқылы өтетін ток газдар мен шу тудырады, ал магниттік өрістер анықтамалы магниттік із қалдырады. Фильмде бұл дыбысты геологиялық белсенділікпен шатастыруға болатыны айтылған. Фильмге бейімделген роман бойынша, "Қызыл қазан" қолданған жетек шын мәнінде "тұннельдік жетек" типіндегі сорғы реактивті жетек болды (тұннельдер винттерден туындаған кавитацияны жасыру үшін акустикалық камуфляж қамтамасыз етті). Бен Бованың "Асқыр" романында оқиғаның бір бөлігі өткен кеме, Астероидтар белдеуін зерттеу және пайдалы қазбаларды өндірудің мүмкіндігін және тиімділігін дәлелдеу үшін салынған Starpower 1, синтездік электр станциясымен үйлесімді магнитогидродинамикалық жетекке ие болды.