Несколько лет назад, получил известность ученый из России эмигрировавший в США. Его зовут Олег Батищев. Он прославился тем, что предложил общественности уникальный Мини-геликонный двигатель. Относящийся к электрическим ракетным двигателем (ЭРД). Олег Батищев тогда возглавил в Лаборатории космических двигателей (Space Propulsion Laboratory) при факультете аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института (MIT), группу по разработке плазменного ЭРД. Где и занимался доведением до кондиции прототипа двигателя, получившего название "mHT, mini-Helicon Thruster" [1]. А потом вдруг "пропал". Если сам Батищев еще и жив, то его "гелик" похоже лег на полку забытых изобретений. Но идея интересная и поэтому этот двигатель надо "реанимировать" путем доработки. Тому как это можно сделать и посвящена данная статья.
Ионизация или Геликонный двигатель.
В "гелике" было предложено в качестве рабочего тела использовать ионизированный Азот. Что весьма разумно ведь воздух на 78% состоит из Азота. Это очень доступный и дешёвый газ. Именно азот использовался для получения реактивной тяги в модели двигателя благодаря которой Батищев и получил известность. Ученый собрал опытную модель двигателя "на коленке" практически из мусора.
[1]
"Мне пришла в голову идея сделать двигатель из подручных средств, чтобы показать, насколько он прост. Я решил использовать в качестве камеры стеклянную бутылку из-под кока-колы, а геликонную антенну вырезать из жестяной банки".
Демонстрация плазменного двигателя из бутылки и банки принесла группе Батищева широкую известность и буквально мировую славу: телеканалы охотно транслировали эффектную запись эксперимента, где за кадром голос одного из студентов зачитывает показания амперметра, в бутылке загорается свечение, и струя плазмы вырывается из отпиленного донышка (разумеется, эксперимент проходит в вакуумной камере).
Чтобы убедиться, что мини-геликон представляет собой не просто источник плазмы, а именно двигатель, исследователи измерили характеристики полученной плазмы [2]. Энергию ионов измеряли двумя методами -- спектрометрическим, за счет измерения доплеровского сдвига спектральной линии, и с помощью энергетического анализатора с замедляющим потенциалом. Скорость ионов составила от 10 до 40 км/с. Причем ее можно варьировать за счет изменения расхода газа и подаваемой мощности, изменяя тем самым удельный импульс. Но самым простым и эффектным способом демонстрации наличия тяги оказалось, по словам Олега, очень простое решение: "Мы просто подвесили наш прототип на двух лесках к потолку вакуумной камеры на магнитах и измерили отклонение трубочки при холодной продувке (подаче газа) и при истечении струи плазмы. Разницу было видно невооруженным глазом!" [3]. Вот как описывает работу своего двигателя изобретателя: "Прототип, который в MIT назвали мини-геликонным двигателем (mHT, mini-Helicon Thruster), по своей конструкции очень прост: это кварцевая трубка с навитой обмоткой для создания магнитного поля и антенной для возбуждения геликонной волны. Длина волны Лямбда = 85,3 нм. Поступающий газ ионизируется высокочастотным радиоизлучением, плазма разогревается, а магнитное поле направляет плазменную струю в нужном направлении. '
[10]
Наш двигатель отличается от VASIMR - он одноступенчатый, для нагрева плазмы не нужен циклотронный нагрев ионов, не нужно магнитное сопло, он компактнее, - объясняет Батищев.- При этом в качестве рабочего тела в VASIMR сначала использовали водород, потом перешли на гелий, сейчас используют аргон - более тяжелые газы снижают удельный импульс, зато повышают тягу. А наш двигатель способен работать практически на чем угодно - на азоте и даже на воздухе! Можно непрерывно менять состав рабочего тела, и двигатель будет продолжать работу'. [3]
О недостатках.
На первый взгляд все хорошо и замечательно. Но только на первый взгляд. Этот двигатель работает только в условиях вакуума то есть за пределами атмосферы. А там нужен двигатель способный например брать азот из атмосферы и использовать его в качестве рабочего тела. Возможно ли это? Китайский ученые доказали, что это возможно [4].
[4]
Предложенный китайцами двигатель работает на основе ионизации воздуха. Воздух под давлением подается компрессором в кварцевую трубу, выход которой можно считать условным соплом реактивного двигателя. Где-то на середине трубы к ней приставлена сужающаяся (для увеличения напряжённости магнитного поля) горловина волновода. На другом конце волновода закреплён магнетрон мощностью 1 кВт с рабочей частотой 2,45 ГГц.
Во время запуска двигателя на идущий под давлением в трубе воздух производится почти точечный микроволновый удар и дальнейшее воздействие. Сила микроволнового излучения такова, что происходит сильнейшая ионизация потока воздуха. Возникает факел из плазмы, который вырывается из трубки и создаёт тяговое давление. Интересно отметить, как китайцы измеряли давление плазменного факела. Для этого они положили на отверстие выхлопа полый стальной шар и заполняли его металлическими шариками для подбора точного веса. Данные измерений не самые точные, но примерно дают представление о возможностях двигательной установки.
[4]
Согласно измерениям и аппроксимации, удельная тяга лабораторного прототипа воздушно-реактивного микроволнового плазменного двигателя составила 28 Н/кВт. Это примерно столько же, сколько у современных керосиновых авиационных двигателей авиалайнеров. Если взять батарею электромобиля Tesla Model S мощностью 310 кВт, то тяга гипотетического плазменного двигателя может достигать 8500 Н. Для сравнения, винтовой электросамолет Airbus E-Fan использует два электропривода мощностью 30 кВт, которые в совокупности производят 1500 Н тяги. Нетрудно посчитать, что эффективность электросамолёта Airbus E-Fan составляет 25 Н/кВт, что ниже, чем у китайской разработки [4].
Что и требовалось доказать ионный двигатель может работать и в атмосфере. Разберем промахи допущенные китайскими инженерами при проектировании атмосферного ионного двигателя. Первый промах это рабочая частота. Магнетрон согласно работам Олега Батищева должен излучать волну длинной Лямбда = 85,3 нм. Далее нужно использовать чистый азот. Дело в том, что кислород входящий в состав воздуха при ионизации становится отрицательно заряженным ионом и несколько убивает кулоновского расширение возникающее в воздушной плазме из которой отведены выбитые электроны.
Магнетроны [11]и Центр Келдышева [12].
Обычно при проектировании плазменных двигателей используют один магнетрон и одну камеру ионизации. Что естественно не достаточно. Нужно использовать несколько камер ионизации и несколько магнетронов. Нам важно, чтобы излучение на выходе было в пределах параметров которые использовал Батищев в своем Геликонном двигателе, а именно Лямбда = 85,3 нм. Оптимальная длина волны 85,3 нм.
В микроволновых печах волновод магнетрона заканчивается отверстием закрытым пластинкой прозрачной для СВЧ-излучения, оно выходит непосредственно в камеру для приготовления пищи. Важно, чтобы во время работы печи в ней находились приготовленные продукты. Тогда микроволны поглощаются в них и не отражаются от стенок камеры обратно в волновод. Возникающая при этом стоячая волна может вызвать электрический пробой воздуха и искренние [10]. И если в СВЧ печах искрение зло. То для нас это необходимый процесс. Микроволны выбивают электроны из молекул газа и мы получаем на выходе плазму температурой 5000 градусов по Цельсию [12].
[12]
Именно такое устройство трубка в которую от нескольких мегнетронов поступает СВЧ излучения придумали и создали в Центре Келдышева. Правда используют ее не как двигатель, а как устройство облучающее плазмой жапропрочные материалы покрывающие спускаемые в атмосферу корабли.
[12]
Ученые из центра Келдышева похоже сами не понимают, что придумали. Лучшие проэкты ядерных двигателей где газ прогоняется через рабочую зону ядерного реактора с трудом дают на выходе струю раскаленнного газа в 3000 градусов по Цельсию. А у келдышевцев есть аппарат дающий струю газа в 5000 градусов. Да пакет таких плазматронов лучше чем любой ядерный реактивный двигател.
В нашем случае по этому же принципу можно использовать азот прогоняя его через подобную "трубу" выбивая из азота электроны, делая заряды свободными и эти свободные электроны далее нужно утилизировать очистить от них плазму путем создания некой системы заземления или отвода выбитых электронов.
Диамагнитная пушка Беклемишев
Далее нам нужно нечто что будет проталкивать ионы по трубе. Это вполне может быть и диамагнитная пушка Беклемишева.
Уже предлагалось улучшить конструкцию "Геликоновых двигателей". "Плазменный электрореактивный двигатель с винтовым ускорителем по п. 1, отличающийся тем, что кроме электродов в ионизационной камере расположена антенна для создания геликонного или электронно-циклотронного разряда, подключенная к отдельному высокочастотному источнику" питания." [5] Владелец патента RU 2594937:
[5]
Беклемишев А.Д. предлагает в своем патенте плазму, полученную при помощи геликонного разряда или излучения ускорять за счет диамагнитных свойств ионизированного газа. Для этого труба по которой движется плазма обматывается проводом с различным шагом. Зачем это нужно? Диамагнетик всегда двигаться из более плотного магнитного поля в менее плотную область.
[7]
А разный шаг намотки вокруг разгонного канала и создаёт магнитного поле разной плотности. Там, где шаг намотки маленький, поле повышенной плотности, а вот где шаг идет на увеличение плотность магнитного поля уменьшается. Это же магнитное поле защищает стенки двигателя от контакта с плазмой. Что существенно снижает нагрев внутренних поверхностей двигателя и как следствие повышает "моторесурс" двигателя. Поэтому имеет смысл воспользоваться этой идеей. И поместить "Гелик" Батищева" в "диамагнитную пушку Беклемишева".
Расположение магнетронов.
Что бы получить более детальное представление о конструкции предлагается "вид с торца". Естественно, что магнетроны вынесены за "тело" двигатяля, и высокочастотный сигнал подается в камеры ионизации по волноводам.
Генератор электрического тока не показан на рисунке. Так как на практике выбор очевиден это или бы ядерный реактор, как источник электричества или же солнечные батареи если используется относительно малогабаритный и маломощный магнетронный двигатель.
Генератор Азота.
Теперь рассмотрим идею о том как добывать из атмосферы чистый азот. Смотрим таблицу диамагнетиков [6]
[6]
И сразу видим Азот. Отмечу сразу это для "нормальных условий". Магнитная восприимчивость у переохлажденного азота явно куда выше. Хотя в открытых источниках информации по этому вопросу не найдено. Кроме азота к диамагнетикам относятся инертные газы, но из-за их дороговизны и экзотичности предлагаю их игнорировать тем более, что Азота в атмосфере Земли почти 73 процента [5] да и добывать его из прямо из атмосферы достаточно легко. Даже за счет диамагнитных свойств Азота. Патенты имеются [5]
[6]
Как быстро охладить воздух перед тем как отправить его в генератор Азота тоже известно. Так SABRE [7]
[7]
двигатель нового поколения оснащен новым теплообменником
[8]
способным за секунды охладить воздух от +1500 градусов по Цельсию до -150 градусов по Цельсию [8].
Литература:
1. Инженер из России придумал новый плазменный двигатель. https://www.youtube.com/watch?v=lkUPt31uJSU&t=76s
2.Космический марш для плазмы и геликона: плазменный двигатель Батищева.
https://www.popmech.ru/technologies/9929-kosmicheskiy-marsh-dlya-plazmy-i-gelikona-plazmennyy-dvigatel-batishcheva
3.КАК РАБОТАЕТ МИНИ-ГЕЛИКОННЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
http://meganauka.com/technologii/23-kak-rabotaet-mini-gelikonnyj-plazmennyj-dvigatel.html
4.Китайцы создали мощный плазменный реактивный двигатель из микроволновки, компрессора и батарейки Геннадий Детинич
https://3dnews.ru/1010339
5.Плазменный электрореактивный двигатель и способ создания реактивной тяги. Беклемишев Алексей Дмитриевич https://findpatent.ru/patent/259/2594937.html
6.Диамагнетики. Материал из Википедии - свободной энциклопедии https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D0%B0%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8
7.https://www.youtube.com/watch?v=10JFCzNDEGc
8.https://www.youtube.com/watch?v=MIhcdoOtjqM
9.УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ КИСЛОРОДА ИЗ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА С.Ю. Бузоверов
https://cyberleninka.ru/article/n/ustroystvo-dlya-vydeleniya-kisloroda-iz-atmosfernogo-vozduha/viewer
10.Магнетрон Материал из Википедии - свободной энциклопедии https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD
![[]](/img/l/lemeshko_a_w/ahelikon/azot0.jpg)
![[]](/img/l/lemeshko_a_w/ahelikon/helik.jpg)
![[]](/img/l/lemeshko_a_w/ahelikon/k3.jpg)
![[]](/img/l/lemeshko_a_w/ahelikon/k4.jpg)
![[]](/img/l/lemeshko_a_w/ahelikon/334.jpg)
![[]](/img/l/lemeshko_a_w/ahelikon/335.jpg)
![[]](/img/l/lemeshko_a_w/ahelikon/a2.jpg)
![[]](/img/l/lemeshko_a_w/ahelikon/k12.jpg)
![[]](/img/l/lemeshko_a_w/ahelikon/k1.jpg)
![[]](/img/l/lemeshko_a_w/ahelikon/k7.jpg)
![[]](/img/l/lemeshko_a_w/ahelikon/k8.jpg)
![[]](/img/l/lemeshko_a_w/ahelikon/k9.jpg)
![[]](/img/l/lemeshko_a_w/ahelikon/k10.jpg)