Napęd magnetohydrodynamiczny
Napęd magnetohydrodynamiczny lub akcelerator MHD to metoda napędzania pojazdów wyłącznie za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych bez części ruchomych , przyspieszająca materiał pędny przewodzący prąd elektryczny ( ciecz lub gaz ) za pomocą magnetohydrodynamiki . Płyn jest kierowany do tyłu iw reakcji pojazd przyspiesza do przodu .
Pierwsze badania dotyczące MHD w dziedzinie napędu okrętowego sięgają wczesnych lat 60. XX wieku. [ nadmierne cytowania ]
Zbudowano niewiele działających prototypów na dużą skalę, ponieważ morski napęd MHD pozostaje niepraktyczny ze względu na jego niską wydajność , ograniczoną przez niskie przewodnictwo elektryczne wody morskiej . Zwiększenie gęstości prądu jest ograniczone przez ogrzewanie Joule'a i elektrolizę wody w pobliżu elektrod , a zwiększenie natężenia pola magnetycznego jest ograniczone kosztem, rozmiarem i wagą (a także ograniczeniami technologicznymi) elektromagnesów oraz mocą dostępną do ich zasilania.
Silniejsze ograniczenia techniczne dotyczą napędu MHD do oddychania powietrzem (gdzie powietrze atmosferyczne jest jonizowane), które nadal ogranicza się do koncepcji teoretycznych i wczesnych eksperymentów.
Silniki plazmowe wykorzystujące magnetohydrodynamikę do eksploracji kosmosu również były aktywnie badane, ponieważ taki napęd elektromagnetyczny zapewnia jednocześnie wysoki ciąg i wysoki impuls właściwy , a paliwo wystarczałoby na znacznie dłużej niż rakiety chemiczne .
Zasada
Zasada działania polega na przyspieszeniu płynu przewodzącego prąd elektryczny (którym może być ciecz lub zjonizowany gaz zwany plazmą ) przez siłę Lorentza , wynikającą z iloczynu krzyżowego prądu elektrycznego (ruch nośników ładunku przyspieszony przez przyłożone pole elektryczne między dwiema elektrodami ) z prostopadłym polem magnetycznym . Siła Lorentza przyspiesza wszystko cząstki naładowane , gatunki dodatnie i ujemne (w przeciwnych kierunkach). Jeśli dominują gatunki dodatnie lub ujemne, pojazd jest wprawiany w ruch w kierunku przeciwnym do ładunku wypadkowego.
Jest to ta sama zasada działania, co silnik elektryczny (dokładniej silnik liniowy ), z wyjątkiem tego, że w napędzie MHD stały ruchomy wirnik jest zastąpiony płynem działającym bezpośrednio jako paliwo . Podobnie jak w przypadku wszystkich elektromagnetycznych , akcelerator MHD jest odwracalny: jeśli płyn roboczy otoczenia porusza się względem pola magnetycznego, separacja ładunków indukuje różnicę potencjałów elektrycznych , którą można wykorzystać za pomocą elektrod : urządzenie działa wtedy jak źródło zasilania bez ruchomych części, przekształcające energię kinetyczną napływającego płynu w energię elektryczną , zwane generatorem MHD .
.svg)
Ponieważ siła Lorentza w przetworniku MHD nie działa na pojedynczą izolowaną naładowaną cząstkę ani na elektrony w stałym przewodzie elektrycznym , ale na ciągły rozkład ładunku w ruchu, jest to siła „objętościowa” (ciała), siła na jednostkę tom:
gdzie f to gęstość siły (siła na jednostkę objętości), ρ gęstość ładunku (ładunek na jednostkę objętości), E pole elektryczne , J gęstość prądu (prąd na jednostkę powierzchni), a B pole magnetyczne . [ wymagane wyjaśnienie ]
Typologia
Pędniki MHD dzielą się na dwie kategorie w zależności od sposobu działania pól elektromagnetycznych:
- Urządzenia przewodzące , gdy w płynie płynie prąd stały w wyniku przyłożonego napięcia między parami elektrod, przy stałym polu magnetycznym.
- Urządzenia indukcyjne , w których prądy przemienne są indukowane przez szybko zmieniające się pole magnetyczne, jako prądy wirowe . W tym przypadku nie są wymagane żadne elektrody.
Ponieważ indukcyjne akceleratory MHD są bezelektrodowe, nie wykazują typowych problemów związanych z układami przewodzącymi (zwłaszcza ogrzewanie Joule'a, pęcherzyki i redoks z elektrolizy), ale do działania potrzebują znacznie bardziej intensywnych szczytowych pól magnetycznych. Ponieważ jednym z największych problemów z takimi silnikami odrzutowymi jest ograniczona energia dostępna na pokładzie, indukcyjne napędy MHD nie zostały opracowane poza laboratorium.
Oba systemy mogą wprawić płyn roboczy w ruch zgodnie z dwoma głównymi projektami:
- Przepływ wewnętrzny, gdy płyn jest przyspieszany i wypychany z dyszy o przekroju rurowym lub pierścieniowym , przy czym oddziaływanie MHD jest skoncentrowane w rurze (podobnie jak w przypadku silników rakietowych lub odrzutowych ).
- Przepływ zewnętrzny , gdy płyn jest przyspieszany wokół całej mokrej powierzchni pojazdu, pola elektromagnetyczne rozciągają się wokół nadwozia pojazdu. Siła napędowa wynika z rozkładu ciśnienia na skorupie (jak siła nośna na skrzydle lub sposób, w jaki mikroorganizmy orzęskowe , takie jak pantofelek, poruszają wokół siebie wodę).
Wewnętrzne systemy przepływu koncentrują interakcję MHD w ograniczonej objętości, zachowując charakterystykę stealth . Przeciwnie, zewnętrzne systemy polowe mają zdolność działania na bardzo dużym obszarze otaczającej objętości wody z wyższą wydajnością i zdolnością do zmniejszania oporu , jeszcze bardziej zwiększając wydajność.
Napęd morski
MHD nie ma ruchomych części, co oznacza, że dobry projekt może być cichy, niezawodny i wydajny. Ponadto konstrukcja MHD eliminuje wiele elementów zużywających się i ciernych w układzie napędowym ze śmigłem napędzanym bezpośrednio przez silnik. Problemy z obecnymi technologiami obejmują koszt i niską prędkość w porównaniu ze śmigłem napędzanym silnikiem. Dodatkowy koszt pochodzi z dużego generatora, który musi być napędzany silnikiem. Tak duży generator nie jest wymagany, gdy silnik bezpośrednio napędza śmigło.
Pierwszy prototyp, 3-metrowy (10-stopowy) okręt podwodny o nazwie EMS-1, został zaprojektowany i przetestowany w 1966 roku przez Stewarta Waya, profesora inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara . Way, na urlopie z pracy w Westinghouse Electric , przydzielił studentom ostatniego roku studiów licencjackich do zbudowania jednostki operacyjnej. Ta łódź podwodna MHD działała na bateriach dostarczających energię do elektrod i elektromagnesów, które wytwarzały pole magnetyczne o natężeniu 0,015 tesli. Prędkość przelotowa wynosiła około 0,4 metra na sekundę (15 cali na sekundę) podczas testu w zatoce Santa Barbara w Kalifornii , zgodnie z przewidywaniami teoretycznymi.
Później japoński prototyp, 3,6-metrowy „ST-500”, osiągnął prędkość do 0,6 m/s w 1979 roku.
W 1991 roku pierwszy na świecie pełnowymiarowy prototyp Yamato 1 został ukończony w Japonii po 6 latach badań i rozwoju (R&D) przez Ship & Ocean Foundation (później znaną jako Ocean Policy Research Foundation). Statek z powodzeniem przewoził załogę składającą się z dziesięciu plus pasażerów z prędkością do 15 km / h (8,1 węzła) w Kobe w czerwcu 1992 roku.
Modele statków w małej skali zostały później zbudowane i obszernie zbadane w laboratorium, co doprowadziło do udanych porównań między pomiarami a teoretycznymi przewidywaniami prędkości terminali statków.
Badania wojskowe nad podwodnym napędem MHD obejmowały szybkie torpedy , zdalnie sterowane pojazdy podwodne (ROV), autonomiczne pojazdy podwodne (AUV), aż po większe, takie jak okręty podwodne .
Napęd samolotu
Pasywna kontrola przepływu
Pierwsze badania interakcji plazmy z hipersonicznymi przepływami wokół pojazdów sięgają późnych lat pięćdziesiątych XX wieku, wraz z koncepcją nowego rodzaju systemu ochrony termicznej kapsuł kosmicznych podczas ponownego wejścia w atmosferę z dużą prędkością . Ponieważ powietrze o niskim ciśnieniu jest naturalnie jonizowane przy tak dużych prędkościach i wysokościach, uważano, że można wykorzystać efekt pola magnetycznego wytwarzanego przez elektromagnes do zastąpienia termicznych osłon ablacyjnych przez „tarczę magnetyczną”. Hipersoniczny zjonizowany przepływ oddziałuje z polem magnetycznym, indukując prądy wirowe w plazmie. Prąd łączy się z polem magnetycznym, dając siły Lorentza, które przeciwstawiają się przepływowi i odrywają dziobową falę uderzeniową dalej przed pojazdem, zmniejszając strumień ciepła , który jest spowodowany brutalną rekompresją powietrza za punktem stagnacji . Takie badania pasywnej kontroli przepływu wciąż trwają, ale demonstrator na dużą skalę nie został jeszcze zbudowany.
Aktywna kontrola przepływu
Przeciwnie, aktywna kontrola przepływu przez pola siłowe MHD polega na bezpośrednim i władczym działaniu sił w celu lokalnego przyspieszenia lub spowolnienia przepływu powietrza, modyfikacji jego prędkości, kierunku, ciśnienia, tarcia, parametrów strumienia ciepła, w celu ochrony materiałów i silników przed naprężeniami , umożliwiając lot naddźwiękowy . Jest to dziedzina magnetohydrodynamiki zwana także magnetogazodynamiką , magnetoaerodynamiką lub aerodynamiką magnetoplazmy , ponieważ płynem roboczym jest powietrze (gaz zamiast cieczy) zjonizowane w celu przewodzenia prądu elektrycznego (plazma).
Jonizację powietrza uzyskuje się na dużych wysokościach (przewodność elektryczna powietrza wzrasta wraz ze spadkiem ciśnienia atmosferycznego zgodnie z prawem Paschena ) przy użyciu różnych technik: wyładowania łukiem elektrycznym wysokiego napięcia , RF ( mikrofale ), elektromagnetyczne wyładowania jarzeniowe , laser , e-beam lub betatron , źródło radioaktywne … z lub bez zaszczepiania substancji alkalicznych o niskim potencjale jonizacji (takich jak cez ) do strumienia.
Badania MHD stosowane w aeronautyce próbują rozszerzyć domenę samolotów hipersonicznych na wyższe reżimy Macha:
- Działanie na warstwę graniczną zapobiegające turbulencji przepływu laminarnego.
- Łagodzenie fali uderzeniowej w celu kontroli termicznej i zmniejszenia oporu fali i oporu kształtu. Niektóre badania teoretyczne sugerują, że prędkość przepływu może być kontrolowana w każdym miejscu zwilżanej powierzchni samolotu, dzięki czemu fale uderzeniowe mogą być całkowicie anulowane przy użyciu wystarczającej mocy.
- Kontrola przepływu wlotowego.
- Redukcja prędkości przepływu powietrza w górę w celu zasilania strumienia strumieniowego przez zastosowanie sekcji generatora MHD połączonej z akceleratorem MHD za dyszą wylotową, zasilanym przez generator przez układ obejściowy MHD.
Rosyjski projekt Ayaks (Ajax) jest przykładem koncepcji hipersonicznego samolotu sterowanego przez MHD. Istnieje również amerykański program mający na celu zaprojektowanie hipersonicznego systemu obejściowego MHD, Hypersonic Vehicle Electric Power System (HVEPS). Działający prototyp został ukończony w 2017 roku w ramach prac rozwojowych General Atomics i University of Tennessee Space Institute , sponsorowanych przez US Air Force Research Laboratory . Projekty te mają na celu opracowanie generatorów MHD zasilających akceleratory MHD dla nowej generacji szybkich pojazdów. Takie systemy obejściowe MHD są często projektowane wokół strumienia strumieniowego , ale rozważane są również łatwiejsze do zaprojektowania silniki turboodrzutowe , a także poddźwiękowe silniki odrzutowe .
Takie badania obejmują dziedzinę rezystancyjnych MHD z magnetyczną liczbą Reynoldsa ≪ 1 przy użyciu nietermicznych słabo zjonizowanych gazów, co sprawia, że opracowanie demonstratorów jest znacznie trudniejsze do zrealizowania niż w przypadku MHD w cieczach. „Zimna plazma” z polami magnetycznymi podlega niestabilności elektrotermicznej występującej przy krytycznym parametrze Halla, co utrudnia rozwój na pełną skalę.
Horyzont
Napęd MHD został uznany za główny system napędowy zarówno statków morskich, jak i kosmicznych, ponieważ nie ma potrzeby wytwarzania siły nośnej, aby przeciwdziałać grawitacji Ziemi w wodzie (ze względu na wypór ) ani w kosmosie (ze względu na stan nieważkości ), co jest wykluczone w przypadku lotu w atmosferze .
Niemniej jednak, biorąc pod uwagę obecny problem rozwiązania źródła energii elektrycznej (na przykład dostępność wciąż brakującego wielomegawatowego kompaktowego reaktora termojądrowego ), można sobie wyobrazić przyszłe samoloty nowego typu cicho napędzane akceleratorami MHD, zdolne do jonizacji i kierowania wystarczająco dużo powietrza w dół, aby podnieść kilka ton . Ponieważ zewnętrzne systemy przepływu mogą kontrolować przepływ na całym zwilżanym obszarze, ograniczając problemy termiczne przy dużych prędkościach, otaczające powietrze byłoby jonizowane i przyspieszane promieniowo przez siły Lorentza wokół osiowosymetrycznego ciała ( w kształcie cylindra , stożek , kula …), cały płatowiec będący silnikiem. Siła nośna i ciąg powstałyby w wyniku różnicy ciśnień między górną i dolną powierzchnią, wywołanej efektem Coandy . Aby zmaksymalizować taką różnicę ciśnień między dwiema przeciwległymi stronami, a ponieważ najbardziej wydajne przetworniki MHD (z wysokim efektem Halla ) mają kształt dysku, taki samolot MHD byłby korzystnie spłaszczony, aby przybrał kształt dwuwypukłej soczewki . Nie mając ani skrzydeł oddychające powietrzem silniki odrzutowe , nie miałby żadnych podobieństw z konwencjonalnymi samolotami, ale zachowywałby się jak helikopter, którego łopaty wirnika zostałyby zastąpione „czysto elektromagnetycznym wirnikiem” bez ruchomych części, zasysającym powietrze w dół. Takie koncepcje latających dysków MHD zostały opracowane w recenzowanej od połowy lat 70. XX wieku, głównie przez fizyków Leika Myrabo z Lightcraft i Subrata Roy z Wingless Electromagnetic Air Vehicle (WEAV).
Te futurystyczne wizje były reklamowane w mediach, choć wciąż pozostają poza zasięgiem współczesnej technologii.
Napęd statku kosmicznego
Szereg eksperymentalnych metod napędu statków kosmicznych opiera się na magnetohydrodynamice. Ponieważ ten rodzaj napędu MHD obejmuje ściśliwe płyny w postaci plazmy (zjonizowanych gazów), jest również określany jako magnetogasdynamika lub magnetoplazmadynamika .
W takich elektromagnetycznych pędnikach płynem roboczym jest najczęściej zjonizowana hydrazyna , ksenon lub lit. W zależności od użytego propelenta można go zaszczepić alkaliami , takimi jak potas lub cez poprawić jego przewodność elektryczną. Wszystkie naładowane cząsteczki w plazmie, od jonów dodatnich i ujemnych do wolnych elektronów, a także neutralne atomy w wyniku zderzeń, są przyspieszane w tym samym kierunku przez siłę „ciała” Lorentza, która wynika z połączenia pola magnetycznego z ortogonalnym polem elektrycznym (stąd nazwa „akcelerator pola krzyżowego”), przy czym pola te nie są skierowane w kierunku przyspieszenia. Jest to podstawowa różnica w stosunku do silników jonowych , które wykorzystują elektrostatykę do przyspieszania tylko jonów dodatnich za pomocą siły Coulomba wzdłuż pole elektryczne wysokiego napięcia .
Pierwsze badania eksperymentalne z udziałem akceleratorów plazmy z krzyżowym polem (kwadratowe kanały i dysze rakietowe) datowane są na koniec lat 50. XX wieku. Takie systemy zapewniają większy ciąg i wyższy impuls właściwy niż konwencjonalne rakiety chemiczne , a nawet nowoczesne napędy jonowe, kosztem wyższej wymaganej gęstości energii.
Oprócz akceleratorów pola krzyżowego, obecnie badane są również niektóre urządzenia, takie jak pędnik magnetoplazmadynamiczny , czasami nazywany akceleratorem siły Lorentza (LFA) oraz bezelektrodowy pulsacyjny pędnik indukcyjny (PIT).
Nawet dzisiaj systemy te nie są gotowe do wystrzelenia w kosmos, ponieważ nadal brakuje im odpowiedniego kompaktowego źródła zasilania o wystarczającej gęstości energii (takiego jak hipotetyczne reaktory termojądrowe ), aby zasilić energochłonne elektromagnesy , zwłaszcza impulsowe elektromagnesy indukcyjne. Problemem jest również szybka ablacja elektrod pod wpływem intensywnego przepływu termicznego. Z tych powodów badania pozostają w dużej mierze teoretyczne, a eksperymenty nadal prowadzone są w laboratoriach, chociaż od pierwszych badań tego rodzaju pędników minęło już ponad 60 lat.
Fikcja
Oregon, statek z serii książek Oregon Files autorstwa Clive'a Cusslera , ma napęd magnetohydrodynamiczny. Pozwala to statkowi na bardzo ostry skręt i natychmiastowe hamowanie, zamiast ślizgać się przez kilka mil. W Valhalla Rising Clive Cussler wpisuje ten sam motyw w zasilanie Nautilusa . kapitana Nemo
Filmowa adaptacja Polowania na Czerwony Październik spopularyzowała napęd magnetohydrodynamiczny jako „napęd gąsienicowy” dla okrętów podwodnych , prawie niewykrywalny „cichy napęd” mający na celu osiągnięcie ukrycia w wojnie podwodnej . W rzeczywistości prąd przepływający przez wodę tworzyłby gazy i hałas, a pola magnetyczne indukowałyby wykrywalną sygnaturę magnetyczną. W filmie zasugerowano, że ten dźwięk można pomylić z aktywnością geologiczną. W powieści , na podstawie której powstał film, gąsienica to Zastosowany Czerwony Październik był w rzeczywistości pompą strumieniową typu „napęd tunelowy” (tunele zapewniały kamuflaż akustyczny kawitacji ze śmigieł).
W powieści Bena Bovy The Precipice statek , na którym toczyła się część akcji, Starpower 1, zbudowany w celu udowodnienia, że eksploracja i wydobycie Pasa Asteroid jest wykonalne i potencjalnie opłacalne, miał napęd magnetohydrodynamiczny połączony z elektrownią termojądrową .
Zobacz też
- Elektrohydrodynamika
- Lista artykułów dotyczących plazmy (fizyki).
- Siła Lorentza wiąże pola elektryczne i magnetyczne z siłą napędową