Магнитогидродинамический привод или МГД-ускоритель — это метод приведения в движение транспортных средств с использованием только электрических и магнитных полей без подвижных частей , ускоряющий электропроводящее топливо ( жидкость или газ ) с помощью магнитогидродинамики . Жидкость направляется назад, и в результате реакции транспортное средство ускоряется вперед. [1] [2]
Исследования, изучающие МГД в области морского движения, начались в конце 1950-х годов. [3] [4] [5] [6] [7]
Было построено несколько крупных морских прототипов, ограниченных низкой электропроводностью морской воды . Увеличение плотности тока ограничено джоулевым нагревом и электролизом воды вблизи электродов , а увеличение напряженности магнитного поля ограничено стоимостью, размером и весом (а также технологическими ограничениями) электромагнитов и доступной мощностью для их питания. [8] [9] В 2023 году DARPA запустило программу PUMP для создания морского двигателя с использованием сверхпроводящих магнитов, который, как ожидается, достигнет напряженности поля 20 Тесла . [10]
Более строгие технические ограничения применяются к воздушно-реактивным МГД-движителям (где окружающий воздух ионизирован), которые по-прежнему ограничены теоретическими концепциями и ранними экспериментами. [11] [12] [13]
Плазменные двигатели, использующие магнитогидродинамику для исследования космоса, также активно изучаются, поскольку такие электромагнитные двигатели обеспечивают одновременно высокую тягу и высокий удельный импульс , а топливо будет служить гораздо дольше, чем в химических ракетах . [14]
Принцип работы заключается в ускорении электропроводящей жидкости (которая может быть жидкостью или ионизированным газом , называемым плазмой ) силой Лоренца , возникающей в результате перекрестного произведения электрического тока (движение носителей заряда , ускоренное электрическим полем , приложенным между двумя электродами ) с перпендикулярным магнитным полем . Сила Лоренца ускоряет все заряженные частицы , как положительные, так и отрицательные виды (в противоположных направлениях). Если преобладают либо положительные, либо отрицательные виды, транспортное средство приводится в движение в противоположном направлении от чистого заряда.
Это тот же принцип работы, что и у электродвигателя (точнее, линейного двигателя ), за исключением того, что в МГД-приводе твердый движущийся ротор заменяется жидкостью, действующей непосредственно как топливо . Как и все электромагнитные устройства, МГД-ускоритель обратим: если окружающая рабочая жидкость движется относительно магнитного поля, разделение зарядов вызывает разность электрических потенциалов , которую можно использовать с помощью электродов : тогда устройство действует как источник питания без движущихся частей, преобразуя кинетическую энергию поступающей жидкости в электричество , называемое МГД-генератором .
Поскольку сила Лоренца в МГД-преобразователе действует не на отдельную изолированную заряженную частицу и не на электроны в сплошном электрическом проводе , а на непрерывное распределение заряда в движении, она является «объемной» (телесной) силой, то есть силой, действующей на единицу объема:
где f — плотность силы (сила на единицу объема), ρ — плотность заряда ( заряд на единицу объема), E — электрическое поле , J — плотность тока (ток на единицу площади) и B — магнитное поле . [ необходимо разъяснение ]
МГД-двигатели классифицируются на две категории в зависимости от принципа действия электромагнитных полей:
Поскольку индукционные МГД-ускорители не имеют электродов, они не проявляют общих проблем, связанных с системами проводимости (особенно джоулева нагрева, пузырьков и окислительно-восстановительного эффекта от электролиза), но для работы им требуются гораздо более интенсивные пиковые магнитные поля. Поскольку одной из самых больших проблем с такими двигателями является ограниченная энергия, доступная на борту, индукционные МГД-приводы не были разработаны вне лаборатории.
Обе системы могут приводить в движение рабочую жидкость по двум основным схемам:
Внутренние системы потока концентрируют МГД-взаимодействие в ограниченном объеме, сохраняя характеристики скрытности . Внешние полевые системы, напротив, обладают способностью действовать на очень большом пространстве окружающего объема воды с более высокой эффективностью и способностью уменьшать сопротивление , еще больше увеличивая эффективность. [15]
MHD не имеет движущихся частей, что означает, что хорошая конструкция может быть бесшумной, надежной и эффективной. Кроме того, конструкция MHD устраняет многие изнашиваемые и трущиеся детали трансмиссии с прямым приводом винта от двигателя. Проблемы с текущими технологиями включают расходы и медленную скорость по сравнению с винтом, приводимым в движение двигателем. [8] [9] Дополнительные расходы возникают из-за большого генератора, который должен приводиться в действие двигателем. Такой большой генератор не требуется, когда двигатель напрямую приводит в движение винт.
Первый прототип, подводная лодка длиной 3 метра (10 футов) под названием EMS-1, был спроектирован и испытан в 1966 году Стюартом Уэем, профессором машиностроения в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре . Уэй, находясь в отпуске на своей работе в Westinghouse Electric , поручил своим студентам старших курсов построить действующую установку. Эта МГД-подводная лодка работала на батареях, подающих питание на электроды и электромагниты, которые создавали магнитное поле 0,015 тесла. Крейсерская скорость составляла около 0,4 метра в секунду (15 дюймов в секунду) во время испытания в заливе Санта-Барбары, Калифорния , в соответствии с теоретическими предсказаниями. [16] [17] [18] [15]
Позднее, в 1979 году, японский прототип, 3,6-метровый «ST-500», достиг скорости до 0,6 м/с. [19]
В 1991 году в Японии был завершен первый в мире полноразмерный прототип Yamato 1 после 6 лет исследований и разработок (R&D) фондом Ship & Ocean Foundation (позже известным как фонд исследований политики океана). Корабль успешно перевозил экипаж из десяти человек плюс пассажиров на скорости до 15 км/ч (8,1 узлов) в порту Кобе в июне 1992 года. [2] [20]
Позднее были построены и тщательно изучены в лабораторных условиях модели кораблей небольшого масштаба, что привело к успешному сравнению результатов измерений и теоретических прогнозов конечных скоростей кораблей. [8] [9]
Военные исследования подводных МГД-движителей включали высокоскоростные торпеды , дистанционно управляемые подводные аппараты (ROV), автономные подводные аппараты (AUV) и даже более крупные, такие как подводные лодки . [21]
Первые исследования взаимодействия плазмы с гиперзвуковыми потоками вокруг транспортных средств относятся к концу 1950-х годов, когда появилась концепция нового типа системы тепловой защиты для космических капсул во время высокоскоростного входа в атмосферу . Поскольку воздух низкого давления естественным образом ионизируется на таких очень высоких скоростях и высоте, предполагалось использовать эффект магнитного поля, создаваемого электромагнитом, чтобы заменить тепловые абляционные щиты «магнитным щитом». Гиперзвуковой ионизированный поток взаимодействует с магнитным полем, вызывая вихревые токи в плазме. Ток объединяется с магнитным полем, чтобы создать силы Лоренца, которые противостоят потоку и отделяют ударную волну дальше впереди транспортного средства, снижая тепловой поток , который возникает из-за жесткой рекомпрессии воздуха за точкой торможения . Такие исследования пассивного управления потоком все еще продолжаются, но крупномасштабный демонстратор еще не построен. [22] [23]
Активное управление потоком с помощью силовых полей МГД, напротив, подразумевает прямое и властное воздействие сил для локального ускорения или замедления воздушного потока , изменяя его скорость, направление, давление, трение, параметры теплового потока, чтобы защитить материалы и двигатели от напряжения, позволяя осуществлять гиперзвуковой полет . Это область магнитогидродинамики, также называемая магнитогазодинамикой , магнитоаэродинамикой или магнитоплазменной аэродинамикой , поскольку рабочим телом является воздух (газ вместо жидкости), ионизированный для того, чтобы стать электропроводным (плазма).
Ионизация воздуха достигается на большой высоте (электропроводность воздуха увеличивается по мере снижения атмосферного давления в соответствии с законом Пашена ) с использованием различных методов: высоковольтного электрического дугового разряда , ВЧ ( микроволны ), электромагнитного тлеющего разряда , лазера , электронного пучка или бетатрона , радиоактивного источника … с засевом или без засева потока щелочными веществами с низким потенциалом ионизации (например, цезием ). [24] [25]
Исследования МГД, применяемые в аэронавтике, пытаются расширить область применения гиперзвуковых самолетов до режимов с более высокими числами Маха:
Российский проект «Аякс» (Ajax) является примером концепции гиперзвукового самолета с МГД-управлением. [13] Также существует американская программа по разработке гиперзвуковой МГД-обходной системы, Hypersonic Vehicle Electric Power System (HVEPS). Рабочий прототип был завершен в 2017 году в рамках разработки General Atomics и Космического института Университета Теннесси , спонсируемой Исследовательской лабораторией ВВС США . [36] [37] [38] Эти проекты направлены на разработку МГД-генераторов, питающих МГД-ускорители для нового поколения высокоскоростных транспортных средств. Такие МГД-обходные системы часто проектируются вокруг гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя, но также рассматриваются более простые в проектировании турбореактивные двигатели , [39] [40 ] [41] а также дозвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели . [42]
Такие исследования охватывают область резистивной МГД с магнитным числом Рейнольдса ≪ 1 с использованием нетепловых слабоионизированных газов, что делает разработку демонстраторов гораздо более сложной для реализации, чем для МГД в жидкостях. «Холодная плазма» с магнитными полями подвержена электротермической неустойчивости, возникающей при критическом параметре Холла, что затрудняет полномасштабные разработки. [43]
МГД-движение рассматривается как основная двигательная система как для морских, так и для космических кораблей, поскольку нет необходимости создавать подъемную силу для противодействия гравитации Земли в воде (из-за плавучести ) или в космосе (из-за невесомости ), что исключено в случае полета в атмосфере .
Тем не менее, учитывая, что текущая проблема источника электроэнергии решена (например, с наличием все еще отсутствующего многомегаваттного компактного термоядерного реактора ), можно представить себе будущий самолет нового типа, бесшумно работающий на МГД-ускорителях, способный ионизировать и направлять достаточно воздуха вниз, чтобы поднять несколько тонн . Поскольку внешние системы потока могут контролировать поток по всей смоченной области, ограничивая тепловые проблемы на высоких скоростях, окружающий воздух будет ионизирован и радиально ускорен силами Лоренца вокруг осесимметричного тела (в форме цилиндра , конуса , сферы …), причем весь планер будет двигателем. Подъемная сила и тяга возникнут как следствие разницы давления между верхней и нижней поверхностями, вызванной эффектом Коанды . [44] [45] Для того чтобы максимизировать такую разницу давления между двумя противоположными сторонами, и поскольку наиболее эффективные МГД-преобразователи (с высоким эффектом Холла ) имеют форму диска, такой МГД-самолет предпочтительно будет сплющен, чтобы принять форму двояковыпуклой линзы . Не имея крыльев и воздушно-реактивных двигателей , он не будет иметь ничего общего с обычным самолетом, но будет вести себя как вертолет, чьи лопасти ротора были бы заменены «чисто электромагнитным ротором» без подвижной части, всасывающим воздух вниз. Такие концепции летающих МГД-дисков были разработаны в рецензируемой литературе с середины 1970-х годов в основном физиками Лейком Мирабо с Lightcraft , [46] [47] [48] [49] [50] и Субратой Роем с Wingless Electromagnetic Air Vehicle (WEAV). [51] [52] [53]
Эти футуристические видения рекламировались в средствах массовой информации, хотя они все еще остаются за пределами досягаемости современных технологий. [54] [11] [55]
Ряд экспериментальных методов движения космических аппаратов основаны на магнитогидродинамике. Поскольку этот вид МГД-движения включает сжимаемые жидкости в форме плазмы (ионизированные газы), его также называют магнитогазодинамикой или магнитоплазмодинамикой .
В таких электромагнитных двигателях рабочая жидкость в большинстве случаев представляет собой ионизированный гидразин , ксенон или литий . В зависимости от используемого топлива, его можно засеять щелочью, такой как калий или цезий, для улучшения его электропроводности. Все заряженные виды в плазме, от положительных и отрицательных ионов до свободных электронов, а также нейтральные атомы под действием столкновений, ускоряются в одном направлении силой Лоренца «тела», которая возникает в результате комбинации магнитного поля с ортогональным электрическим полем (отсюда и название «ускоритель с перекрестным полем»), причем эти поля не находятся в направлении ускорения. Это принципиальное отличие от ионных двигателей , которые полагаются на электростатику для ускорения только положительных ионов с использованием силы Кулона вдоль электрического поля высокого напряжения .
Первые экспериментальные исследования с использованием плазменных ускорителей с перекрестным полем (квадратные каналы и сопла ракет) относятся к концу 1950-х годов. Такие системы обеспечивают большую тягу и более высокий удельный импульс , чем обычные химические ракеты и даже современные ионные двигатели, за счет более высокой требуемой плотности энергии. [56] [57] [58] [59] [60] [61]
Помимо ускорителей с перекрестным полем в настоящее время изучаются и другие устройства, в том числе магнитоплазмодинамический двигатель , иногда называемый ускорителем силы Лоренца (УЛС), и безэлектродный импульсный индуктивный двигатель (ИПД).
Даже сегодня эти системы не готовы к запуску в космос, поскольку им все еще не хватает подходящего компактного источника питания, обеспечивающего достаточную плотность энергии (например, гипотетических термоядерных реакторов ), чтобы питать жадные до энергии электромагниты , особенно импульсные индуктивные. Быстрая абляция электродов под интенсивным тепловым потоком также вызывает беспокойство. По этим причинам исследования остаются в основном теоретическими, а эксперименты все еще проводятся в лабораторных условиях, хотя с момента первых исследований такого типа двигателей прошло более 60 лет.
«Орегон», корабль из серии книг «Орегонские файлы» автора Клайва Касслера , имеет магнитогидродинамический привод. Это позволяет кораблю очень резко поворачивать и мгновенно тормозить, вместо того чтобы скользить несколько миль. В «Вальхалла: Возрождение » Клайв Касслер вписывает тот же привод в привод «Наутилуса» капитана Немо .
Экранизация « Охоты за «Красным Октябрем» популяризировала магнитогидродинамический привод как «гусеничный привод» для подводных лодок , почти необнаружимый «бесшумный привод», предназначенный для достижения скрытности в подводной войне . В действительности ток, проходящий через воду, создавал бы газы и шум, а магнитные поля вызывали бы обнаруживаемую магнитную сигнатуру. В фильме предполагалось, что этот звук можно спутать с геологической активностью. В романе , по которому был адаптирован фильм, гусеница, которую использовал «Красный Октябрь» , на самом деле была водометным двигателем так называемого «туннельного типа» (туннели обеспечивали акустическую маскировку для кавитации от винтов).
В романе Бена Бовы «Пропасть » корабль, на котором происходили некоторые действия, «Starpower 1», построенный для того, чтобы доказать, что разведка и добыча полезных ископаемых в поясе астероидов осуществимы и потенциально прибыльны, имел магнитогидродинамический двигатель, сопряженный с термоядерной энергетической установкой.