Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Магнитное сопло является сужающимся-расширяющимся магнитным полем , что направляющей, расширяется и ускоряет плазму струю в вакуум с целью космических двигательных установок . [1] Магнитное поле в магнитном сопле играет ту же роль, что и сходящиеся-расходящиеся твердые стенки в сопле де Лаваля , где горячий нейтральный газ расширяется сначала дозвуковым, а затем сверхзвуковым способом для увеличения тяги . Подобно соплу де Лаваля, магнитное сопло преобразует внутреннюю энергию плазмы в направленную кинетическую энергию., но операция основана на взаимодействии приложенного магнитного поля с электрическими зарядами в плазме, а не на силах давления, действующих на твердые стенки. [2] Основное преимущество магнитного сопла перед сплошным состоит в том, что оно может работать бесконтактно, то есть избегать контакта материала с горячей плазмой, что привело бы к неэффективности системы и сокращению срока службы сопла. Дополнительные преимущества включают возможность изменения силы и геометрии приложенного магнитного поля в полете, что позволяет соплу адаптироваться к различным требованиям к движению и космическим полетам . Магнитные сопла - это основная ступень ускорения нескольких устройств следующего поколения.плазменные двигатели, которые в настоящее время разрабатываются, такие как геликонный плазменный двигатель , плазменный двигатель электронно-циклотронного резонанса , VASIMR и магнитоплазмодинамический двигатель с приложенным полем . Магнитные сопла также находят еще одну область применения в передовых процессах производства плазмы , и их физика связана с физикой нескольких устройств термоядерного синтеза плазмы с магнитным удержанием .

Основная работа магнитной насадки [ править ]

Расширение плазмы в магнитном сопле по своей природе более сложное, чем расширение газа в твердом сопле, и является результатом нескольких взаимосвязанных явлений, которые в конечном итоге зависят от большой разницы масс между электронами и ионами, а также электрического и магнитного поля. взаимодействия между ними и прикладным полем.

Если сила приложенного магнитного поля достаточна, оно намагничивает легкие электроны в плазме, которые, следовательно, описывают геликоидальное движение вокруг магнитных линий. На практике это достигается с помощью магнитных полей в диапазоне нескольких сотен Гаусс. Ведущий центр каждого электрона вынужден перемещаться по одной магнитной трубке. [2] Это магнитное ограничение предотвращает неконтролируемое расширение электронов в радиальном направлении и направляет их в осевом направлении вниз по потоку. Более тяжелые ионы обычно не намагничиваются или намагничиваются лишь частично, но вынуждены расширяться вместе с электронами благодаря электрическому полю.который создается в плазме для поддержания квазинейтральности . [3] В результате возникающего электрического поля ионы ускоряются вниз по потоку, в то время как все электроны, кроме более энергичных, удерживаются вверх по потоку. Таким образом, электрическое поле помогает преобразовать внутреннюю энергию электрона в направленную кинетическую энергию иона.

В установившемся режиме истощенная плазменная струя в целом обесточена, т. Е. Полный ионный ток и электронный ток в каждой секции равны. Это условие предотвращает непрерывную электрическую зарядку космического корабля, на котором установлено магнитное сопло, что могло бы произойти, если бы количество ионов и электронов, испускаемых в единицу времени, различалось.

Электронное давление, удерживаемое магнитным полем, вызывает диамагнитный дрейф , который пропорционален давлению электронов и обратно пропорционален напряженности магнитного поля. Вместе с дрейфом диамагнитный дрейф отвечает за образование азимутального электрического тока в плазменной области. Этот азимутальный электрический ток создает индуцированное магнитное поле, которое противодействует приложенному, создавая отталкивающую магнитную силу, которая толкает плазму вниз по потоку. Реакция на эту силу ощущается на магнитном генераторе магнитного сопла и называется магнитной тягой. [3] Это основной механизм создания тяги в магнитном сопле.

Плазменный отряд [ править ]

Замкнутый характер магнитных линий означает, что, если плазма не отделяется от ведущего магнитного поля ниже по потоку, она будет разворачиваться вдоль силовых линий обратно к двигателю малой тяги. Это нарушит движущую силу магнитного сопла, поскольку возвращающаяся плазма нейтрализует тягу и может поставить под угрозу целостность космического корабля и плазменного двигателя. Плазменная отслойка механизм поэтому необходим для правильной работы магнитного сопла. [4]

По мере расширения плазмы в расходящейся стороне магнитного сопла ионы постепенно ускоряются до гиперзвуковых скоростей благодаря роли внутреннего электрического поля в плазме. В конце концов, немагнитные массивные ионы становятся достаточно быстрыми, чтобы слабые электрические и магнитные силы в области ниже по потоку становились недостаточными для отклонения траекторий ионов, за исключением чрезвычайно высоких магнитных сил. Как естественное следствие, начинает происходить отрыв плазмы [5], и величина массового расхода плазмы, которая фактически отклоняется вдоль магнитного поля и возвращается назад для поддержания квазинейтральных условий в плазме, ничтожно мала. Следовательно, магнитное сопло способно доставлять отдельные плазменные струи, используемые для движения.

Разделение ионов из-за их инерции приводит к образованию локальных продольных электрических токов, которые, однако, не нарушают глобального обесточивания струи. Влияние индуцированного плазмой магнитного поля, которое может деформировать магнитное сопло ниже по потоку, и образование ненейтральных областей может еще больше снизить потери плазмы на обратный ход. [6]

Движущая сила [ править ]

Характеристики магнитного сопла с точки зрения его удельного импульса , создаваемой тяги и общего КПД зависят от плазменного двигателя, к которому оно подключено. Магнитное сопло следует рассматривать как устройство увеличения тяги , роль которого заключается в преобразовании тепловой энергии плазмы в направленную кинетическую энергию, как обсуждалось выше. Следовательно, тяга и удельный импульс сильно зависят от электронной температуры плазмы внутри источника плазмы. Для создания эффективного плазменного двигателя требуется высокая температура электронов (например, горячая плазма).

Эффективность магнитного сопла следует обсуждать с точки зрения расходимости или радиальных потерь. Как побочный продукт расширения в расширяющемся магнитном сопле, часть кинетической энергии ионов направляется в радиальном и азимутальном направлениях. Эта энергия бесполезна для создания тяги и поэтому учитывается как потери. Эффективное магнитное сопло достаточно длинное, чтобы свести к минимуму потери энергии в радиальном и азимутальном направлениях. [3] Кроме того, чрезмерно слабое магнитное поле не сможет удерживать плазму в радиальном направлении и направлять ее в осевом направлении, что приводит к большим радиальным потерям.

Другими достоинствами системы являются электрическая мощность, масса и объем необходимого генератора магнитного поля ( магнитные катушки и / или постоянные магниты ). Для космических силовых установок желательны низкое потребление электроэнергии, масса и объем.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Андерсен и др. Физика жидкостей 12, 557 (1969)
  2. ^ а б Р.А. Гервин, Г. Дж. Марклин, А. Г. Сгро, А. Х. Глассер, Характеристика потока плазмы через магнитные сопла , отчет LANL AL-TR-89-092 (1990)
  3. ^ a b c Э. Ахедо, М. Мерино, Двумерное сверхзвуковое ускорение плазмы в магнитном сопле, Физика плазмы 17, 073501 (2010)
  4. ^ Ахедо, Э., Мерино, М., Об отрыве плазмы в движущих магнитных соплах, Физика плазмы , Vol. 18, № 5, 2011, с. 053504
  5. ^ Мерино, М., Ахедо, Э., Отрыв плазмы в движущем магнитном сопле посредством ионного размагничивания, Наука и технологии источников плазмы, Vol. 23, No. 3, 2014, pp. 032001.
  6. ^ Мерино, М., Ахедо, Э., Влияние индуцированного плазмой магнитного поля на магнитное сопло, Наука и технологии источников плазмы, Vol. 25, No. 4, 2016, pp. 045012.