Введение
Магнитно-гидродинамический привод, или ускоритель МГД, – это метод приведения в движение транспортных средств, использующий только электрические и магнитные поля без движущихся частей, ускоряющий электрически проводящий рабочий флюид (жидкость или газ) посредством магнитогидродинамики. Флюид направляется в заднюю часть, и в качестве реакции транспортное средство ускоряется вперед. Исследования в области применения МГД для морского транспорта начались в конце 1950-х годов. Было построено немного крупных морских прототипов, ограниченных низкой электрической проводимостью морской воды. Увеличение плотности тока ограничено джоулевым нагревом и электролизом воды вблизи электродов, а увеличение напряженности магнитного поля – стоимостью, размером и весом (а также технологическими ограничениями) электромагнитов и доступной для их питания мощностью. В 2023 году DARPA запустила программу PUMP для создания морского двигателя с использованием сверхпроводящих магнитов, которые, как ожидается, достигнут напряженности поля 20 Тесла. Более серьезные технические ограничения применимы к МГД-движению с забором воздуха (где ионизируется окружающий воздух), которое пока ограничено теоретическими концепциями и ранними экспериментами. Плазменные двигатели, использующие магнитогидродинамику для исследования космоса, также активно изучаются, поскольку такие электромагнитные двигатели обеспечивают одновременно высокую тягу и высокий удельный импульс, а запас рабочего флюида будет значительно больше, чем в химических ракетах.
A magnetohydrodynamic drive or MHD accelerator is a method for propelling vehicles using only electric and magnetic fields with no moving parts, accelerating an electrically conductive propellant (liquid or gas) with magnetohydrodynamics. The fluid is directed to the rear and as a reaction, the vehicle accelerates forward. Studies examining MHD in the field of marine propulsion began in the late 1950s. Few large scale marine prototypes have been built, limited by the low electrical conductivity of seawater. Increasing current density is limited by Joule heating and water electrolysis in the vicinity of electrodes, and increasing the magnetic field strength is limited by the cost, size and weight (as well as technological limitations) of electromagnets and the power available to feed them. In 2023 DARPA launched the PUMP program to build a marine engine using superconducting magnets expected to reach a field strength of 20 Tesla. Stronger technical limitations apply to air breathing MHD propulsion (where ambient air is ionized) that is still limited to theoretical concepts and early experiments. Plasma propulsion engines using magnetohydrodynamics for space exploration have also been actively studied as such electromagnetic propulsion offers high thrust and high specific impulse at the same time, and the propellant would last much longer than in chemical rockets.
Морская тяга
У магнитогидродинамического привода (МГД) нет движущихся частей, что означает, что удачная конструкция может быть бесшумной, надежной и эффективной. Кроме того, конструкция МГД устраняет множество изнашивающихся и трущихся деталей трансмиссии, заменяя их непосредственным приводом гребного винта двигателем. Проблемы существующих технологий включают высокую стоимость и относительно низкую скорость по сравнению с винтом, приводимым в движение двигателем. В 1991 году в Японии был завершен первый в мире полноразмерный прототип «Ямато-1» после 6 лет исследований и разработок (R&D), проведенных Фондом кораблей и океанов (впоследствии переименованным в Фонд исследований политики океана). В июне 1992 года корабль успешно перевозил экипаж из десяти человек и пассажиров в порту Кобе на скорости до [значение скорости]. Впоследствии были построены и тщательно изучены в лабораторных условиях уменьшенные модели кораблей, что позволило успешно сравнить полученные измерения с теоретическими прогнозами предельных скоростей судов.
Пассивное управление потоком
Первые исследования взаимодействия плазмы с гиперзвуковыми потоками вокруг аппаратов относятся к концу 1950-х годов и были связаны с концепцией новой системы тепловой защиты для космических капсул при высокоскоростном возвращении в атмосферу. Поскольку воздух низкого давления естественным образом ионизируется при таких экстремально высоких скоростях и высотах, возникла идея использовать эффект магнитного поля, создаваемого электромагнитом, для замены тепловых абляционных экранов на "магнитный экран". Гиперзвуковой ионизированный поток взаимодействует с магнитным полем, индуцируя вихревые токи в плазме. Эти токи, взаимодействуя с магнитным полем, создают силы Лоренца, которые противодействуют потоку и отрывают ударную волну дальше от аппарата, уменьшая тепловой поток, вызванный резким сжатием воздуха за точкой стагнации. Исследования в области пассивного управления потоком продолжаются, однако полномасштабный демонстратор пока не создан.
Перспективы
Магнитогидродинамическая (МГД) тяга рассматривается как основная система движения как для морских, так и для космических кораблей, поскольку нет необходимости создавать подъемную силу для противодействия гравитации Земли в воде (благодаря выталкивающей силе) или в космосе (благодаря невесомости), что исключено при полете в атмосфере. Тем не менее, если текущая проблема с источником электрической энергии будет решена (например, при появлении все еще не существующего многомегаваттного компактного термоядерного реактора), можно представить себе будущие самолеты нового типа, бесшумно работающие на МГД-ускорителях, способных ионизировать и направлять достаточно воздуха вниз для подъема нескольких тонн. Поскольку системы внешнего обтекания могут контролировать поток по всей смачиваемой поверхности, ограничивая тепловые проблемы на высоких скоростях, окружающий воздух будет ионизирован и радиально ускорен силами Лоренца вокруг осесимметричного тела (в форме цилиндра, конуса, сферы), при этом весь фюзеляж самолета будет являться двигателем. Подъемная сила и тяга будут возникать как следствие разницы давления между верхней и нижней поверхностями, вызванной эффектом Коанды. Для максимизации этой разницы давления между двумя противоположными сторонами, и поскольку наиболее эффективные МГД-преобразователи (с высоким эффектом Холла) имеют дискообразную форму, такие МГД-самолеты предпочтительно будут сплющены, чтобы принять форму биконвексной линзы. Не имея ни крыльев, ни воздушно-реактивных двигателей, они не будут иметь сходства с обычными самолетами, но будут вести себя как вертолет, у которого лопасти ротора заменены "чисто электромагнитным ротором" без движущихся частей, всасывающим воздух вниз. Такие концепции летающих МГД-дисков разрабатывались в рецензируемой литературе с середины 1970-х годов, в основном физиками Лейком Мирабо (Lightcraft) и Субратой Роем (Wingless Electromagnetic Air Vehicle – WEAV). Эти футуристические идеи освещались в средствах массовой информации, хотя они по-прежнему остаются недостижимыми для современных технологий.
Двигатель космических аппаратов
Ряд экспериментальных методов космической тяги основан на магнитогидродинамике. Поскольку данный вид МГД включает в себя сжимаемые жидкости в форме плазмы (ионизированных газов), его также называют магнитогазодинамикой или магнитоплазмодинамикой. В таких электромагнитных двигателях рабочим телом чаще всего выступает ионизированный гидразин, ксенон или литий. В зависимости от используемого топлива, его можно легировать щелочными металлами, такими как калий или цезий, для повышения электрической проводимости. Все заряженные частицы в плазме – от положительных и отрицательных ионов до свободных электронов, а также нейтральные атомы под воздействием столкновений – ускоряются в одном направлении силой Лоренца, возникающей в результате взаимодействия магнитного поля с ортогональным электрическим полем (отсюда и название «ускоритель с перекрестным полем»), причем эти поля не направлены вдоль оси ускорения. Это принципиальное отличие от ионных двигателей, которые используют электростатику для ускорения только положительных ионов посредством силы Кулона вдоль высоковольтного электрического поля. Первые экспериментальные исследования ускорителей плазмы с перекрестным полем (квадратные каналы и ракетные сопла) относятся к концу 1950-х годов. Такие системы обеспечивают большую тягу и более высокий удельный импульс, чем традиционные химические ракеты и даже современные ионные двигатели, но требуют более высокой плотности энергии. Помимо ускорителей с перекрестным полем, в настоящее время изучаются также магнитоплазмодинамический двигатель, иногда называемый ускорителем силы Лоренца (LFA), и импульсный индуктивный двигатель (PIT). Даже сегодня эти системы не готовы к запуску в космос, поскольку им не хватает подходящего компактного источника энергии, обеспечивающего достаточную плотность энергии (например, гипотетических термоядерных реакторов) для питания энергоемких электромагнитов, особенно импульсных индуктивных. Также вызывает опасения быстрая абляция электродов под воздействием интенсивного теплового потока. По этим причинам исследования остаются преимущественно теоретическими, а эксперименты по-прежнему проводятся в лабораторных условиях, хотя с момента первых исследований в этой области двигателей прошло более 60 лет.
Художественная литература
Oregon, корабль из серии книг "Орегонские файлы" Клайва Касслера, оснащен магнитогидродинамическим приводом. Это позволяет кораблю совершать очень резкие повороты и мгновенно тормозить, а не скользить на протяжении нескольких миль. В романе "Восстание Валгаллы" Клайв Касслер использует тот же привод для питания "Наутилуса" капитана Немо. Фильм "Охота за "Красным Октябрем"" популяризировал магнитогидродинамический привод как "гусеничный привод" для подводных лодок – почти незаметный "бесшумный привод", предназначенный для обеспечения скрытности в подводной войне. В реальности, ток, проходящий через воду, создавал бы газы и шум, а магнитные поля индуцировали бы обнаруживаемую магнитную сигнатуру. В фильме предполагалось, что этот звук можно было бы спутать с геологической активностью. Однако в романе, послужившем основой для фильма, "гусеница", использованная "Красным Октябрем", на самом деле являлась водомётным движителем так называемого "туннельного типа" (туннели обеспечивали акустическую маскировку кавитации от гребных винтов). В романе Бена Бовы "Предел" корабль Starpower 1, на котором происходило действие, построенный для доказательства возможности и потенциальной прибыльности разведки и добычи полезных ископаемых в поясе астероидов, был оснащен магнитогидродинамическим приводом, соединенным с термоядерной установкой.