ТАЙНЫ ПЛАЗМЫ 2


Еще об одном способе значительного повышения температуры плазмы также уже шла речь выше в связи с опытами по управляемым термоядерным реакциям. Этот способ заключается в пропускании электрического тока вдоль текущей струи плазмы; кстати говоря, приведенная выше схема плазменного двигателя с кольцевым анодом представляет удобства и для этой цели. Как во всяком электрическом проводнике, ток при разряде в струе плазмы течет в основном у самой поверхности, во внешних слоях. Но, как известно из школьного курса физики, на параллельно расположенные проводники, в которых течет в одном направлении электрический ток, действует сила, возникновение которой объясняется взаимодействием тока с создаваемым им цилиндрическим магнитным полем. Эта так называемая пондеромоторная сила нам уже известна, о ней говорилось выше — это сила магнитного давления,

) «Наука и жизнь». V. 1960; об опытах с генераторами плазмы в СССР см. также «Оптика и спектроскопия», XI, 1962, т. 13, № 5, и др.

2з) Science News, 24. XII. 1966. т. 90, стр. 334.

.. ) «Правда», 7 марта 1968 г.; New Scientist, 5. X. 1967, т. 36.

№ 565, стр. 40 и др.

*) New Scientist, 1. VII. 1965 и др

сила Лоренца. Она направлена в данном случае так, что сближает проводники — мощный разряд через тонкостенную металлическую трубу вызывает ее сплющивание. В случае струи плазмы эта сила вызывает сжатие струи.

В результате такого быстрого магнитного сжатия температура плазмы сильно повышается и может достичь десятков и сотен тысяч градусов. Это явление носит название пинч-эффекта; мы очень часто являемся свидетелями возникновения пинч-эффекта в природе: ведь именно

с ним связано такое величественное природное явление,

Выключатель

Конденсатор

Рис. 48. Схема «пинчевого» плазменного электроракет-ного ускорителя (Luftfahrttechnik, 10. I 1961; Rake-tentechnik, № 3, 1961).

как молния. Здесь мы впервые встречаемся с силовым взаимодействием электрического и магнитного полей плазмы, столь характерным для плазменных ракетных двигателей (рис. 48). В этих двигателях рабочее вещество преобразуется в плазму, к ней подводится энергия с помощью электрического поля и она ускоряется с помощью магнитного поля, так что образуется высокоскоростная реактивная струя. Так складываются основные элементы любого плазменного двигателя (рис. 49).

Плазменные ракетные двигатели часто называют электромагнитными, что теперь вполне понятно. Но их называют часто и иначе — магнитогидродинамическими, или Мс1гни-тогазодинамическими. Это объясняется тем, что явления, связанные с течением электропроводящей жидкости в магнитном поле, изучает новая, чрезвычайно быстро разви

вающаяся и весьма перспективная наука, получившая название магнитогидродинамики, или магнитогазодинамики. А ведь именно эти явления лежат в основе работы плазменных двигателей, когда на арене появляется взаимодействие плазмы с магнитными полями.

Происхождение термина «магнитогидродинамика» совершенно очевидно. Гидродинамика — это наука о течении жидкостей; аэродинамика и газодинамика являются, по

Рис. 49. Принципиальная схема плазменного электроракетного двигателя (J ournal of the Aerospace Sciences, X, 1959).

существу, разделами этой науки, поскольку воздух и вообще любой газ — тоже жидкости, но только сжимаемые. При изучении движения жидкости гидродинамика имеет дело как со свойствами самой жидкости — ее вязкостью, плотностью и др., так и с действующими на нее силами — давления, гравитации, инерции, трения. Но если жидкость электропроводна и движется в электромагнитном поле, то возникают дополнительные силы, действующие на жидкость,— электрические и магнитные. Это сильно усложняет законы движения жидкости и описывающие это движение математические уравнения. Законы такого движения и изучаются магнитогидродинамикой.

Выше было сказано о магнитогидродинамике как о новой науке. В действительности, правда, это не совсем так: ее возраст весьма почтенен, он уже превышает полстолетия. Эта наука зародилась как одна из областей астрофизики (правда, еще на полстолетия раньше ученые стали интересоваться явлениями в дуговом электрическом разряде, что, по существу, также является одной из отраслей магнитогидродинамики). Перед ней стояла задача изучения закономерностей движения в космических магнитных полях плазмы, в изобилии имеющейся во Вселенной. И сейчас космическая магнитогидродинамика успешно

развивается, все расширяя области своего применения — здесь и движение гигантских космических газовых туманностей, и физика атмосферы Солнца, и явления в земной ионосфере, включая полярные сияния и магнитные бури, и окружающий Землю ореол заряженных частиц.

Но пока магнитогидродинамика была космической, ею интересовались лишь небольшие группы ученых. Все попытки ее практического применения в других целях наталкивались на непреодолимые технические трудности — время еще не пришло. И только в последние годы, когда она «спустилась на Землю» и стала интересовать многие отрасли науки и техники, начался ее бурный расцвет, продолжающийся и в настоящее время. Ведь во всех упомянутых выше и других возможных случаях использования электромагнитных свойств плазмы — в ядерной физике, энергетике, аэродинамике, металлургии, ракетной технике, технологии и пр., — теоретической основой такого использования является магнитогидродинамика.

А теперь она стремится снова «возвратиться в космос», но уже совсем на иной основе, вместе с плазменными электроракетными двигателями. Кстати сказать, возможны и аналогичные плазменные электромагнитные прямоточные двигатели, в которых осуществлялось бы электромагнитное ускорение плазмы, образованной в двигателе, летящем на большой высоте с большой сверхзвуковой скоростью, в результате торможения в нем встречного потока воздуха). Об этом еще будет идти речь ниже.

Конечно, описанный выше простой пинч-эффект, примененный в плазменных двигателях для повышения температуры плазмы, является лишь простейшим методом использования магнитного поля в двигателях этого типа. Понятно, что помимо внутреннего магнитного поля, создаваемого электрическим разрядом в струе плазмы, можно воспользоваться и различного рода внешними магнитными полями. Это обстоятельство делает понятным большое разнообразие возможных и исследуемых в настоящее время схем электромагнитных плазменных ракетных двигателей ). *)

*) «Вопросы ракетной техники», 1962, № 2; AIAA Paper 1966 № 66,926 и др.

) Теоретическим и экспериментальным исследованием различных методов электромагнитного ускорения плазмы и характеристик плазменных ускорителей разных типов посвящено большое число работ

Практически во всех исследуемых типах таких двигателей ускорение реактивной струи осуществляется отчасти за счет тепловой энергии, сообщаемой ей, например, в дуге а отчасти за счет энергии электромагнитного поля. Таким образом, эти двигатели являются как бы переходной ступенью от чисто электротермических к чисто электрическим, в которых разгон струи производится за счет лишь одного из упомянутых выше видов энергии, соответственно первого или второго.

Наглядным примером такого перехода от электротермических к электромагнитным двигателям, одновременно иллюстрирующим возможности, которые дает наложение внешнего магнитного поля на струю плазмы, может служить двигатель, предложенный сравнительно недавно (в 1964 г.)), но привлекающий значительное внимание за рубежом; он считается одним из самых перспективных из всех электроракетных двигателей. Работы по таким двигателям ведутся в США), ФРГ), Англии), Фран-ции); в зарубежной литературе их называют обычно «магнитоплазмодинамическими». Как и в обычных электротермических двигателях, о которых шла речь в предыдущей главе, и здесь есть центральный катод и кольцевой анод, образующий сверхзвуковое реактивное сопло с привычной формой сопла Лаваля (рис. 50). Однако снаружи сопла можно видеть индукционную катушку, она-то и создает внешнее осевое магнитное поле; «внутреннее» поле создается самим током, текущим в плазме, которая генерируется электрической дугой (двигатели, в которых внешнего поля нет, получили название «термоионных», они близки по характеру рабочего процесса к «магнитоплазмодинамическим»). Описываемый двигатель иногда называют в литературе также «гибридным», считая его своеобразной «помесью» дугового электротермического и электромагнитного; действительно, в нем плазма разгоняется

советских ученых (Инженерный журнал, 1962, т. 2, вып. 3; Журнал технической физики, IX, 1966, т. 86, вып. 9, стр. 1626; «Авиация и космонавтика», VIII, 1963, № 8, стр. 64 и др.).

*) Space World, XI, 1965, стр. 21 и др.

) Astronautica Acta, 1965, т. 11, № 2, стр. 97.

) Flugwelt, 1965, № 12, стр. 980; 1967, т. 19, № §, стр. 309.

) New Scientist, 27. I. 1966 и 12. X. 1967, т. 36, № 566, стр. 74.

) Luftfahrttechnik. Raumfahrttechnik, XII, 1967, № 12^ стр. 305.

двигатель. Вверху — компоновка двигателя, внизу — его разрез.

1 — подвод тока, 2 — индукционная катушка (90 витков), 3 — вторая, подвижная магнитная катушка (показаны два ее положения), 4 — горловина реактивного сопла (электрически нейтральна), 5 — сегменты, образующие профиль сопла (электрически нейтральны), 6 — анод, 7 — катод, 8 — подвод охлаждающей воды, 9 — подвод рабочего вещества (Luftfahrttechnik. Raum-

fahrttechnik, III, 1967, т. 13, № 3, стр. 54),.

и в результате обычного газового (аэродинамического) давления, и под действием давления магнитного. Схема, иллюстрирующая возникновение лоренцовой силы, ускоряющей плазму при ее течении во внешнем магнитном поле, показана на рис. 51. Эта сила возникает в данном случае в результате взаимодействия с внешним магнитным полем так называемого поля Холла и токов Холла, появляющихся в плазме (о них уже упоминалось выше). Эффект Холла, названный по имени обнаружившего его американского ученого, заключается в том, что при пропускании электрического тока вдоль металлической пластинки, помещенной в магнитное поле, на боковых гранях этой пластинки возникает разность электрических потенциалов и, таким образом, поперечный ток Холла. Поскольку плазма тоже электропроводна, то и в ней появляются радиальное электрическое поле и токи Холла, в основе которых, по существу, лежит сила кулоновского электростатического взаимодействия между электронами и ионами и все та же сила Лоренца.

А взаимодействие электрического поля Холла с

внешним магнитным полем создает снова эту же лорен-цову силу, ускоряющую плазму. Следует отметить, что такие, как их называют в литературе, ускорители Холла получили довольно широкое применение в разрабатываемых в последние годы электромагнитных двигателях. В данном двигателе ускорение плазмы происходит в результате комбинированного воздействия нагрева в дуге с последующим расширением в сопле, расширения в «магнитном сопле» (расширяющемся магнитном поле) и ускорения с использованием эффекта Холла.

Рис. 51. Схема возникновения силы Лоренца при течении плазмы во внешнем магнитном поле магнитоплазменного ракетного двигателя.

1 — катушка, создающая магнитное поле, 2 — катод, 3 — анод, 4 — линии электрического тока, 5 — силовые линии магнитного поля, 6 — ток Холла, 7 — лоренцова сила, ускоряющая плазму, 8 — направление течения струи плазмы (Raumfahrtforschung, 1967, Н. 1, стр. 15).

На рис. 52 показан описываемый магнитоплазмодинамический двигателе, на испытательном стенде. На фото видны и внутренняя магнитная катушка, и наружная подвижная, служащая для изменения в ходе эксперимента геометрии реактивной струи. Как изменяется форма струи,

можно видеть на рис. 53; показаны три струи — без внешнего магнитного поля, с таким полем и с включенной наружной магнитной катушкой. При испытаниях двигателя, которые велись на водороде, гелии и аргоне в качестве рабочих веществ, были получены значения удельного импульса до 5000 сек (при других испытаниях, на водороде, до 10000 сек), а считается возможной величина до 20000 сек)), тяга порядка 120—200 Г, к. п. д. порядка 30% (он может быть в дальнейшем увеличен). Мощность двигателя составляла 85 —

Рис. 52. Магнитоплазмодинами- ^qq квт ческий («гибридный») электрора- тт

кетный двигатель Х9/40-16 на Нам не удастся здесь

испытательном стенде (Luftfahrt- привести сколько-нибудь technik. Raumfahrttechnik, III, полный перечень изучае-1967, стр. 56). мых и разрабатываемых

за рубежом типов электромагнитных ракетных двигателей, ведь их число уже превышает сотню). Двигатели различаются методами электромагнитного воздействия на струю плазмы, электродным или безэлектродным образованием плазмы, энергетическими параметрами — величиной и напряжением электрического тока, напряженностью и законом изменения магнитного поля, применением постоянного или

*) Astronautica Acta, 1965, № 2.

) Space World, XI, 1965, стр. 22.

) Astronautics a. Aeronautics, II, 1966, стр. 73.

Рис. 53. Реактивная струя магнитоплазмодинамического двигателя. Сверху — без внешнего магнитного поля; в центре — с внешним магнитным полем (форма струи повторяет геометрию поля); внизу — та же струя с включенной второй, подвижной катушкой (она вышла на фото черной полосой) (Luftfahrtteclmik. Raumfahrttechnik, III,

1967, стр. 54).

переменного тока различной частоты и др., периодичностью или непрерывностью действия, установившимся или импульсным течением, характером рабочего вещества, величиной тяги и удельного импульса, конструктивными особенностями и т. д. Множество уже существующих и предложенных типов магнитогидродинамических ракетных двигателей можно разделить, например, на три большие группы, по аналогии с обычными электрическими двигателями, если считать, что в таких двигателях вращающийся якорь заменен струей движущейся плазмы ). В соответствии с этим можно указать следующие типы магнитогидродинамических ракетных двигателей:

1) сериесные двигатели (их иногда называют также импульсными или пинчевыми, как уже упоминалось выше), в которых один и тот же ток течет по плазме и образует магнитное поле;

2) шунтовые двигатели (их называют также двигателями со скрещенными полями), в которых ток* текущий через плазму, отделен от тока, генерирующего магнитное поле;

3) индукционные двигатели (иногда называемые также безэлектродными), в которых токи в плазме индуцируются переменным по времени магнитным полем, причем эти токи в свою очередь взаимодействуют с приложенным магнитным полем с целью разгона плазмы.

Мы приведем ниже примеры двигателей этих типов. Но такая классификация вовсе не является единственно возможной.

В частности, например, все предложенные типы плазменных двигателей можно разделить на две группы в зависимости от того, является ли их работа установившейся или импульсной. В одном из двигателей первого типа, так называемом электромагнитном ускорителе со скрещенными полями (т. е. шунтовом) (рис. 54), через непрерывно текущую в двигателе плазму так же непрерывно течет постоянный электрический ток и на нее действует постоянное магнитное поле. Если ток течет поперек струи плазмы, а магнитное поле действует поперек направления и тока и движения плазмы, то в соответствии с известными из школьного курса законами физики на поток плазмы будет действовать вдоль его оси постоянная ускоряющая си-

) ARS Journal, XII, 1961; Astronautics, IV, 1962 и др,

да (этот принцип широко используется в так называемых электромагнитных насосах для перекачивания жидких металлов). Направление этой силы определяется известным правилом левой руки, которое используется обычно в случае электродвигателя. Это не удивительно, потому что

Рис. 54. Схема электромагнитного ускорителя со скрещенными электрическим и магнитным полями (шунто-вого или «ЕхН» ускорителя) (Wiss. u. Fortschr., I,

1967, стр. 37).

такой плазменный двигатель и представляет собой, по существу, аналогию обычного электродвигателя, в котором роль вращающегося якоря играет текущая плазма ).

В принципе возможно создание аналогичного двигателя, работающего не на постоянном, а на переменном токе, что может дать некоторые эксплуатационные преимущества; в случае переменного тока направление магнитного поля должвд, очевидно, также изменяться при изменении электрического поля, чтобы ускоряющая лоренцова *)

*) Luftfahrttechnik Raumfahrttechnik, IV, 1963; см. также «Прикладная математика и механика», 1961, № 25.

сила сохраняла одно й то же нужное направление. Ускорители плазмы подобного рода уже испытывались).

«Обращение» двигателя, как известно, дает генератор тока, что верно и в случае плазмы: обращенный плазменный двигатель и есть, по существу, плазменный или магнитогидродинамический, как его обычно называют, генератор тока (магнитное поле будет отклонять положительные ионы к одному, а электроны — к другому полюсу такого генератора, отчего во внешней цепи потечет ток). Энергетика связывает с таким генератором весьма большие надежды; он найдет, вероятно, применение и в космонавтике, о чем будет сказано ниже, в гл. 7. Кстати сказать, идея подобного генератора известна уже более 100 лет, но только теперь она стала технически реализуемой, — пришло и для нее время. Первые экспериментальные магнитогидродинамические генераторы уже испытывались в лаборатории, развивая значительную мощность. Ведущая роль в их развитии принадлежит нашей стране (см. гл. 7).

В другом типе плазменного двигателя с установившимся течением используется индукционный (т. е. безэлект-родный) нагрев рабочего тела (это — двигатель индукционного типа; рис. 55) с помощью радиочастотной электроэнергии. Образовавшаяся плазма ускоряется затем с помощью того же электрогенератора в так называемом магнитном сопле под действием внешнего магнитного поля, вызывающего сжатие и ускорение струи). Ускорение плазмы с помощью радиочастотной электроэнергии может осуществляться и иначе. Если направить мощный пучок микрорадиоволн (т. е. высокочастотное электрическое поле) на газ, находящийся в постоянном продольном магнитном поле, то газ будет ионизоваться и превращаться в плазму. Взаимодействие этих двух полей заставит плазму вращаться и ускоряться; затем в магнитном сопле спиралевидное движение плазмы может быть преобразовано в прямолинейное с большой скоростью (рис. 56). Двигатель такого рода разрабатывается, в частности, фирмой Дженерал Электрик (США) ).

В так называемом электромагнитном ускорителе бегущей волны, как видно по приводимой схеме этого двига-

*) J. Spacecraft, I, 1966, стр. 141.

) ETZ, 22. IV. 1963 и др.

) Aviation Week, 27. XI. 1961 и др.

CS; $

съ cV

Mагнитное сопло

Электрические Струя проводники плазмы (катушка)

Магнитные силовые линии

Рис. 55. Схема безэлектродного (индукционного) плазменного двигателя с магнитным соплом (Aeronautics, XI, 1959; Machine Design, 26. X 1961).

Рис. 56. Схема устройства микроволнового плазменного ускорителя по проекту фирмы Дженерал Электрик.

— рупорный высокочастотный излучатель; 2 — обмотка для создания постоянного магнитного поля; з — ввод рабочего тела.

теля (рис. 57), плазма, образующаяся таким же методом высокочастотного индукционного нагрева, затем разгоняется с помощью наводимого многофазным радиочастотным генератором внешнего магнитного поля. Фазовая регулировка тока, образующего это поле, рассчитана так, чтобы вдоль трубки ускорителя по направлению к его

Ионизационная камера (генератор плазмы)

иссущсс мигпиитив поле

Подбод

Рис. 57. Плазменный двигатель с бегущей волной. Сверху —-общая схема двигателя; снизу — схема образования бегущей волны и ускоряющей лоренцовой силы.

1 — витки катушки, по которым течет ток, 2 — витки без тока, 3 — силовые линии магнитного поля, 4 — ток Холла, 5 — лор ендова ускоряющая сила, 6 — направление потока плазмы (Weltraumfahrt., 1964, Н. 2).

соплу непрерывно перемещались волны магнитного поля, вызывающие разгон заключенной между ними плазмы.

Двигатели импульсного типа часто называют общим термином «плазменные пушки» — они действительно как бы «выстреливают» время от времени порции плазмы. Такие «выстрелы» осуществляются с помощью циклически меняющегося по величине или же циклически появляющегося и исчезающего электрического поля, индуцирующего свое магнитное поле, или с помощью такого же переменного магнитного поля, создающего свое электрическое

поле 0- Так или иначе, эти взаимодействующие силовые поля и приводят к появлению ускоряющей пондеромоторг ной силы (силы Лоренца), увеличивающей кинетическую энергию струи плазмы. Величина тяги двигателя регулируется при этом частотой и интенсивностью повторяющихся импульсов.

Двигателем этого рода является уже упоминавшийся «пинчевый» ускоритель, являющийся, как указывалось выше, сериесным. В этом случае циклически повторяющиеся

Рис. 58. Схема «динчевого» Т-образного плазменного ускорителя фирмы Рипаблик (США).

разряды тока через рабочее вещество (для этого используются специальные конденсаторы-накопители заряда) сначала приводят к образованию плазмы (ионизуют и нагревают газ), а затем и внутреннего магнитного поля плазмы, сжимающего ее как бы под действием своеобразного «магнитного поршня» (этим термином обычно обозначают электрический разряд в тонком слое, пелене газа), создающего при этом ударную волну, заставляющую плазму вытекать с большой скоростью из разрядной камеры через сопло. Разряд — «выстрел» плазмой, основа разряд и снова «выстрел»...

Для использования пинч-эффекта в плазменном электромагнитном двигателе иногда электроды дугового разряда выполняются в виде сопел (рис. 58) с тем, чтобы *)

*) Design News, 10. V. 1967, т. 22, № 10, стр. 206 и др.

радиальное движение плазмы, сжимаемой «магнитным поршнем», было преобразовано в осевое. При очень высокой скорости движения этого «поршня», достигающей 30 км/сек, перед ним образуется сильная ударная волна. За несколько микросекунд волна сжатия достигает центральной части сопла (как это показано на приводимой схеме), создавая в ней область с сильно повышенными давлением и температурой, вследствие чего плазма вытекает через сопло с большой скоростью.

Рис. 59. Схема электромагнитного линейного ускорителя плазмы рельсового (шинного) тина (ARS Journal, X, 1959; ETZ, 22. IV. , 1963 и др.).

Широко исследуются различного рода импульсные плазменные двигатели так называемого шинного или рельсового типа (рис. 59); иногда их называют линейными ускорителями. В них плазма разгоняется вдоль двух, как правило, довольно длинных шин — проводников тока, представляющих собой параллельные проволоки или пластины (модификацией этой системы является так называемый коаксиальный ускоритель, в котором шины заменены двумя соосными цилиндрами). Сгусток плазмы замыкает электрический контур между проводниками, а перпендикулярно к плоскости шин действует внешнее магнитное поле (следовательно, здесь также используются перекрещивающиеся поля). Под действием пондеромоторной силы сгусток плазмы, циклически образующийся в результате дугового разряда, разгоняется и стекает с концов шин (так же разгонялся бы и металлический проводник, сколь-

7 92

вящий по шинам). В зависимости от условий истечение может происходить по-разному: в виде сильно расширяющегося факела, струй или же в виде последовательных ко-лец-тороидов плазмы, так называемых плазмоидов) (ускоритель называют в этом случае плазмоидной пушкой; обычно плазма образуется из материала расходуемых электродов).

Плазмоиды напоминают кольца дыма, выпускаемые умелыми курильщиками, но они плывут в воздухе не плашмя, а боком. Да и, кроме того, к ним не совсем уместно применять термин «плывут», ибо их скорость достигает десятков и сотен километров в секунду. Каждый плазмоид представляет собой стянутое магнитным полем кольцо плазмы с текущим в нем током и образуется в результате расширения петли тока под действием собственного магнитного поля, иногда усиливаемого с помощью перемычек — металлических пластинок в электрической цепи (рис. 60). Этот метод усиления применяется и в плазменных пушках других типов. Опыты с шинными электромагнитными ускорителями проводятся как у нас в стране, так и в США (работы Бостика из Калифорнийского технологического института и др.). Модификацией этих двигателей являются небольшие «пуговичные» двигатели, исследуемые в США тем же Бостиком и др.

Некоторые из плазменных пушек аналогичны по устройству так называемым магнитогидродинамическим ударным трубам, используемъЫ для целей гиперзвукового аэродинамического эксперимента. В них индуцируется тем или иным методом ударная волна, создаваемая быстро движущимся магнитным «поршнем». Часто для этого также используется расширение петли тока под действием собственного магнитного поля при электрическом разряде (рис. 61). Внешнее слабое магнитное поле наводится при этом лишь для изоляции плазмы от стенок трубы с целью уменьшения потерь энергии плазмы.



Электрические межпланетные корабли, Гильзин К.А., 1970



Блондинка за углом смотреть фильм
Маленькая Вера смотреть фильм
Любовь и голуби смотреть фильм