Lem Andrew. "Кулоновский взрыв" в ракетостроении

"Кулоновский взрыв" в ракетостроении.

1.Вступление.

Человечество придумало, лишь один двигатель для перемещения в космосе это реактивный двигатель. И это химические реактивный двигатель. Но скорость истечения из сопел газов относительно не велика. И перемещение между планетами растягивается на многие месяцы или даже годы. Решить эту проблему можно ускорив истечение газов из сопел. Тогда можно будет говорить об уменьшении срока полета к иным планетам. Проблему ускорения газов предлагалось ранее решить за счет ядерных реактивных установка. В них газ, а в некоторых конструкциях даже вода напрямую прогонялся через рабочую зону ядерного реактора, разогреваясь и ускоряясь. Или же тепло при помощи теплоносителя отводилось из рабочей зоны реактора, и передавалось опять же газу. Но радиация, температура. Как оказалась это очень опасная и сложная в реализации конструкция, которую лучше не трогать. Казалось бы, тупик, но нет. Есть и другой не ядерный способ разгона газов до сверхбыстрых скоростей. И об этом способе и пойдет речь далее в этой статье.

Кулоновский взрыв.

Газ можно нагревать лазерным лучом. При этом теоретически разогревать газ можно аж до 30000 градусов по Кельвину. При таких температурах газ не просто расширяется, а взрываются уже сами молекулы газа и вот эти взорванные лазером молекулы газа и способны истекать из сопла ракеты с запредельными скоростями. В современной физике этот эффект известен как "Кулоновский взрыв'. [11]

Кулоновский взрыв. [11]

Или смотрим статью по теме "Кулоновский взрыв кластера сложного ионного состава". И. А. Андрияш, В. Ю. Быченков, В. Ф. Ковалев* Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН [10]:"Дано аналитическое решение задачи о кулоновском взрыве гомогенного кластера с легкими и тяжелыми ионами. Получены пространственно-временные и спектральные распределения ускоренных ионов. Найдены характеристики разлетающихся легких ионов в зависимости от атомного состава кластера. Показано, что на основе взаимодействия мощных ультракоротких лазерных импульсов с молекулярными кластерами возможно создание источников моноэнергетических ионов. Также интересна статья "Кулоновский взрыв лазерной плазмы" A. Н. Ткачев, С. И. Яковленко [12] В статье рассмотрено поведение плазмы, полученной путем многоступенчатой селективной ионизации паров и подвергшейся воздействию мощного импульсного электрического поля. В такой плазме за короткие времена происходит 'отсасывание' электронов, а затем имеет место кулоновский взрыв некомпенсированного заряда. Эти примеры дают представление о том, каким потенциалом обладают электростатические силы отталкивания и до каких скоростей могут быть разогнаны заряженные частицы "Кулоновским взрывом".

Аппарат 'Лайт Крафт' (Light craft).

Попытка создать аппарат или двигатель на 'Кулоновском взрыве' уже была. Читаем журнал 'Юный Техник 8' 1993год стр.31 'группа инженеров, разрабатывает концептуально новый аппарат "Лайт Крафт" с лазерным СВЧ - приводом, который будет получать энергию со спутников, кружащихся вокруг Земли. Разработчикам проекта, "Лайт Крафт", представляется дешевым и надежным видом индивидуального транспорта дальнего и космического диапазонов. Многие компоненты системы были уже созданы и опробованы в рамках СОИ. В настоящее время (1993г.), разработчики испытывают модели аппарата и двигателя. Система будет работать следующим образом. "Лайт-Крафт" стоит на своем шестиножнике на стартовой площадке в ожидании, когда спутник с солнечной электростанцией на борту займет наиболее выгодное положение для передачи энергии на Землю в данном районе. Когда лазерный луч со спутника упадет на верхнюю часть аппарата, система зеркал сфокусирует его под днищем аппарата, нагревая воздух до температуры 30 тысяч градусов Кельвина. При такой температуре молекулы газов воздуха начинают взрываться, рождая серию ударных волн, которые и создают тяговое усилие. Аппарат взлетает и начинает набирать скорость. Когда аппарат разгонится до 11-кратной скорости звука, что составляет примерно13 тысяч километров в час, и достигнет высоты 27-30 километров, включится его магнитогидродинамический двигатель. В верхних слоях атмосферы воздух слишком разрежен для поддержания нужной детонационной мощности. Но продолжающий набирать высоту корабль сохраняет достаточное взрывно - тяговое усилие, чтобы создать ударную силу. Два кольца сверхпроводящих магнитов и конвертер, преобразующие лазерную энергию в электрическую, ускоряют струю воздушной плазмы позади ударной волны, направляя ее в сторону, противоположную движению аппарата. Таким образом "Лайт-Крафт" разгоняется до орбитальной скорости, в 25 раз превышающей скорость звука. Исходя из описания можно предложить и реконструкцию данного двигателя.

[2]

Исследователи уже испытали модель лазерного двигателя этого типа в научно-исследовательской лаборатории ВМФ в Вашингтоне. Его технические характеристики оказались на уровне реактивного двигателя 1942 года - начальной поры реактивной авиации. Признавая, что соотношение тяги и мощности пока не велико, исследователи тем не мене полагают, что для первого испытания принципиально нового механизма результаты, вполне обнадеживающие' [14].

Причины провала 'Light craft'.

Теперь мы уже знаем, что вся программа СОИ была блефом, но все же определенные работы в рамках этой программы велись в том, числе и тестирования определенной техники. И 'Light craft' все-таки дошел до лабораторных испытаний. Что конечно же радует. Так почему же этот двигатель не пошел в серию? Первая причина - это очень энергоемкий и не эффективный метод создание 'кулоновского взрыва'. Молекулы взрывали при помощи накачки тепловой или световой энергии. Скорее всего существующими тогда прототипами боевых лазеров. Об этом говорит огромная температура 30000 градусов по Кельвину. Например, сейчас точно известно, что предварительно ионизированные молекулы газа детонируют при куда меньших температурах, особенно если их предварительно ионизировать лучами ультрафиолетового спектра [1], а значит куда эффективней использовать 'Ультрафиолетовые Лазеры'. Хотя бы на этапе подготовки к детонации. Вторая причина -- это использование воздуха, а не чистого Азота. Молекулы Кислорода при ионизации становятся отрицательным ионом, то есть захватывает электрон. Так же надо понимать, что кислород детонирует при меньшей температуре чем Азот. Вроде бы около 1300 градусов по Цельсию. По сути воздушная смесь становиться нейтральной плазмой где все электростатические силы держат плазму в едином облаке и сильно уменьшают эффект расширения при финальной детонации воздушной смеси. И если мы хотим усилить расширения за счет Кулоновских сил отталкивания, возникающих при детонации то нужно очистить воздушную смесь от кислорода и работать с чистым Азотом, а также придумать как отводить из плазмы выбитые при ионизации валентные электроны. Что позитивно скажется на электростатических силах отталкивания. И дополнительно ускорит плазму. Третья причина -- это высокая температура взрыва в природе нет материалом которые бы смогли длительное время выдерживать температуру в 10000 градусов по Кельвину. То есть плазму, возникающую при детонации надо не допускать к стенкам или поверхностям реактивного двигателя.

О доработке Лайт Крафта.

Итак, сначала нам надо предварительно максимально ионизировать молекулы Азота. Что должно уменьшить температуру детонации или кулоновского взрыва. Так уж природой заложено, что эффективней всего разрушает или ионизирует Азот именно ультрафиолет экстремального спектра: Лямбда = 85,3 нм. [1]

[2]

А точнее согласно стандарту ISO по определению солнечного излучения (ISO-DIS-21348) подтип: "ЭКСТРЕМАЛЬНЫЙ"[5]

[3]

Также двигатель должен быть ступенчатым. Именно ступенчатость обеспечивает предварительную ионизацию, которая в конечном итоге позволяет Азоту с детонировать при меньших температурах. В каждой последующей камере добавляется определенное количество лазеров.

Нет смысла взрывать газ весь и сразу в одном месте. Можно его постепенно ступенчато ионизируя довести до 'Кулоновского взрыва' уже в последней камере ионизации вблизи сопла. И естественно нужно снабдить двигатель 'системой утилизации' выбитых электронов. Далее очень важно "зеркала" или "ионизирующие" камеры защитить магнитными полями для предотвращения контакта ионов со стенками камер ионизации. А также это же магнитное поле вполне может дополнительно ускорять газ обладающий диамагнитными свойствами. И эти задачи вполне можно решить. За основу можно взять патент RU 2594937: Беклемишев Алексей Дмитриевич (RU) [15]

[15]

Беклемишев А.Д. предлагает в своем патенте ускорять плазму 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. 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 защитит стенки двигателя от разогретой плазмы. Так что имеет смысл воспользоваться этой идеей. Отдельно нужно уделить внимание "системе утилизации выбитых валентных электронов. Представьте себе, что молекулы азота N2 медленно прокачивают через некую трубу. Идет продувка этой трубы. Но труба не простая, а поделена на "камера ионизации и расширения", куда подается излучение (Длинна волны ионизации азота: Лямбда = 85,3 нм), это ультрафиолетовое излучение выбивает из молекул N2 свободные электроны и некий аналог системы заземления, отводит выбитые электроны из зоны ионизации.

При этом часть молекул N2 становятся аэроионами происходит частичная ионизация азота. Условно в первой камере ионизации, ионизация или количество свободных аэроионов одного знака становится 10 % во второй камере количество аэроионов увеличивается до 20% и в третьей камере ионизации количество аэроионов становится 30 %. При этом аэроионы N2 будучи одного знака начинаю очень сильно отталкиваться, под действием электростатический сил Кулона. И в каждой камере происходит увеличение этого отталкивания, а значит растет давление в полости камеры ионизации. В каждой камере ионизации, по сути, происходит "электростатический взрыв" аэроионы ускоряются и создают реактивную тягу или силу F которая и толкает двигатель, а в мести с ним и весь аппарат. При этом на выходе из сопла мы получаем плазму, которая, взаимодействуя с "системой утилизации электронов" опять превращается в обычный газообразный азот. Понятно, что % взяты чисто гипотетические главное нам добиться скорости истечения аэроионов не менее 8000-9000 м.с. Что бы скорость истечения была больше скорости истечения газов у химических реактивных двигателей хотя бы в 2 два раза. Понятно, что и преимущество в 2 раза для Кулоновского взрыва не предел. Так как ускорение зависти не от скорости протекания химических реакций, а от параметров и процессов которые полностью во власти инженеров. dd>

Система отвода и утилизации электронов.

Как и говорилось ранее было бы отлично использовать энергию выбитых лазерами свободных электронов для полезной работы. Для этого достаточно к конденсатору в качестве нагрузки подключить дополнительную электромагнитную катушку.Одна пластина конденсатора подключена к "сеткам-уловителям" которые захватывают из плазмы свободные электроны, а вторая подсоединена к соплу Лаваля которое имеет заряд плюс в силу того, что через нее выходит в виде реактивной струи положительно заряженые ионы газа.

При разрядке конденсатора через электромагнитную катушку номер 2 с разным шагом намотки будет возникать дополнительное магнитное поле которое будет дополнительно ускорять молекулы газа за счет диамагнитного ответа молекул газа на приложенное к ним внешнее магнитное поле с изменяющейся постепенно плотностью. Вторая или внутрення катушка с переменным шагом намотки запитана от источника постоянного тока и ее задача создавать условия при которых в камерах ионизации возникает Геликонная волна.

Камера ионизации и расширения.

Ионизаторы представляют собой набор из трубок-зеркал. Изготовлены эти трубки из проводящего алюминия и покрыты диэлектрическим материалом, что бы персонал не получал удары током. Между трубками находится металлическая сетка, далее диэлектрический корпус и опять трубка и сетка для отвода электронов. Свободные электроны в этом случае будут дополнительно отводится и через само алюминиевое зеркало и далее по разделительной сетке в сопло двигателя. Алюминий рекомендуется использовать в силу того, что он наиболее лучше из всех материалов отражает ультрафиолетовые лучи [6]. Но возможно камеру ионизации можно и изготовить из диэлектрического материала, все же подвид УФ который наиболее хорошо ионизирует газ еще называют вакуумным [6] так как он очень сильно поглощается газами и вполне может быть, что до стенок уже ничего долетать не будет. Все будет поглощено газом в трубке. Далее по кругу в трубку вставлены источники ионизирующего ультрафиолетового излучения. А именно ультрафиолетовые лазеры. Длинна волны ионизации азота: Лямбда = 85,3 нм.

Итак, в колбу подается азот N2, он облучается ионизируется и далее в следующую камеру ионизации от проходит через сетку из металла и теряет на сетке из метала свободные электроны, "выбитые" предварительно излучением. При потере или отводе свободных электронов, в камере ионизации образуется большое количество аэроионов одного знака, которые начинают испытывать взаимное отталкивание благодаря отталкивающим силам Кулона, и при этом ускоряться как и любой другой газ при расширении.

О защите Лазера.

Слабым местом предложенного двигателя является УФ-лазер. Детонирующий газ в камере ионизации при расширении устремиться к линзе лазера разрушит относительно хрупкую линзу и выведет из строя сам лазер. Следует обязательно защитить линзу Лазера. И сделать это можно при помощи катушки Томсона, простой электромагнитной катушки. Азот как известно хороший диамагнетик, этот газ выталкивается из постоянных магнитных полей. Также становясь аэроионом в камере ионизации он при попадании в магнитное поле начинает отклонятся силой Лоренца. На все заряженные частицы в магнитных полях действует отклоняющая их сила Лоренса.

Таким образом разместив перед линзой лазера электромагнитную катушку мы надежном защитим как линзу, так и весь лазер от ударной волны возникающей в камере ионизации. Заряженные положительно аэроионы Азота не смогут пробиться к линзе лазера сквозь препятствующее продвижению ионизированного газа постоянное магнитное поле, создаваемое электромагнитом. А вот лазерный луч от УФ-лазера беспрепятственно будет проникать в полость камеры ионизации сквозь прозрачное для фотонов магнитное поле.

Литература:

2. Электромагнитное излучение. Материал из Википедии - свободной энциклопедии.
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%B8%D0%B7%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5
3. Ультрафиолетовое излучение. Материал из Википедии - свободной энциклопедии
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80%D0%B0%D1%84%D0%B8%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B5_%D0%B8%D0%B7%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5
6. ЛУЧ СМЕРТИ своими руками. Фокусируем жесткий ультрафиолет в одной точке.
https://youtu.be/Wvp6YVoWyD0
7. Электрический Ракетный Двигатель на Со2 http://samlib.ru/l/lemeshko_a_w/aaaplasma.shtml
9. Физическая энциклопедия. МАГНИТНОЕ ЭКРАНИРОВАНИЕ http://www.femto.com.ua/articles/part_1/2064.html
11. Кулоновский взрыв
https://elihaikin.ru/kulonovskij-vzryv/kulonovskij-vzryv.html#more-33
12. Кулоновский взрыв лазерной плазмы A. Н. Ткачев, С. И. Яковленко http://www.mathnet.ru/php/getFT.phtml?jrnid=qe&paperid=3236&what=fullt&option_lang=rus
13. КУЛОНОВСКИЙ ВЗРЫВ НАГРЕТОГО КЛАСТЕРА НОВИКОВ В.Н.1, БРАНТОВ А.В.1, БЫЧЕНКОВ В.Ю.1, КОВАЛЕВ В.Ф.2 https://elibrary.ru/item.asp?id=11602113
14. Журнал "Юный Техник 8' 1993 год. 31 стр.
15. Плазменный электрореактивный двигатель и способ создания реактивной тяги. Беклемишев Алексей Дмитриевич https://findpatent.ru/patent/259/2594937.html
16. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНОГО МЕТОДА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ Лесных Е.В., Бобров А.Л https://www.stu.ru/particular/get_teamwox_file.php?id=27661&ext=.pdf

17. Знак Вопроса 1992 N 3 Анатолий Михайлович Казаков
Ждет ли нас красная планета?

https://znak.traumlibrary.net/book/zv9203/zv9203.html

Комментарии: 2, последний от 06/02/2023. © Copyright Lem Andrew (biomarket@ukr.net) Размещен: 11/07/2020, изменен: 02/04/2021. 26k. Статистика. Статья: Изобретательство Двигатели Иллюстрации/приложения: 20 шт.		Ваша оценка:

Lem Andrew : другие произведения.

"Кулоновский взрыв" в ракетостроении