Lem Andrew: другие произведения.

Сила Кулона в ракетостроении

Журнал "Самиздат": [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь]
Peклaмa:
Конкурс 'Мир боевых искусств.Wuxia' Переводы на Amazon
Конкурсы романов на Author.Today

Конкурс фантрассказа Блэк-Джек-20
Peклaмa
 Ваша оценка:
  • Аннотация:
    Электрический Реактивный Двигатель на "Кулоновской тяге".


Сила Кулона в ракетостроении.

        
   Вступление.
        
         Человечество придумало, лишь один двигатель который способен вывести космический корабль на орбиту - это реактивный двигатель. Сам по себе реактивный двигатель достаточно компактен, но если он работает на химическом топливе, то надо иметь на борту корабля огромные баки с топливом. И вот необходимость огромного количества топлива для работы реактивных двигателей и делает ракеты очень громоздкими. Скорее всего единственный способ создать компактный космический корабль на реактивной тяге, это отказаться от запредельных запасов топлива на борту корабля. Тем более, что изначально почти 30 км космическая ракета летит в атмосфере. Поэтому сформулируем задачу.
  
   Задача.
  
   На борту летательного аппарата должен остаться реактивный двигатель, а топливо или же рабочее тело для работы реактивного двигателя следует брать прямо за бортом из атмосферы. И реализовать подобную идеи уже пробовали. Это ядерные реактивные установки. В них воздух 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 воздуху. Но радиация, температура. Как оказалась это смертельная морковка, которую лучше не трогать. Казалось бы, тупик, но нет. Атмосфера состоит на 78% из Азота, а азот отлично ионизируется. А значит вполне можно на базе некоего варианта электрического ракетного двигателя создать и более-менее компактный космический корабль. Естественно такого электрического ракетного двигателя способного работать в плотных слоях атмосферы еще нет. И вот как может быть устроен этот гипотетический двигатель и пойдет речь далее.
        
       
     Ионизация Азота
   .
    Природой заложено, что эффективней всего 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]

   Запоминаем, азот отлично ионизируется УФ лазером, который излучает ультрафиолет экстремального спектра.
  
    Взаимодействие электрических зарядов.
  
   А где ионизация заряды то можно получить такой эффект как электрическое отталкивание [17].

 []

[17]

   Или отталкивание между одно знаковыми электрическими зарядами. Силу отталкивания можно подсчитать опираясь на Закон Кулона [18].

 []

[18]

   В реальности это отталкивание выглядит просто забавно.

 []

[19]

   И наша задача организовать вот такой "взрыв" локально в реактивном двигателе. Как это сделать? Ведь ионизированный Азот -- это нейтральная смесь из положительно заряженных ионов и отрицательных электронов, а также нейтральных молекул Азота, которым для ионизации не хватило энергии.
  
   Свободу электронам.
  
   Естественно нам нужно освободить "ионизированную" смесь от электронов. Сделать "ионизированный газ" моно зарядным или одно знаковым. В природе это происходит просто. Атмосфера избавляется от электронов при помощи молний. Молнии бьют в Землю которая и поглощает статическое электричество из Атмосферы. Нечто подобное нужно сделать и с ионизированным Азотом. Ведь, что такое положительный ион азота? Это молекула потерявшая валентные электроны. Электроны стали свободным и эти отрицательные электрические заряды надо просто утилизировать отвести из ионизированной смеси. И мы получим более-менее моно зарядный ионизированный газ. Как это сделать?
  
   Принципиальная схема двигателя.
  
         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 валентные электроны делая их свободным и есть также некий аналог системы заземления, задача которого отводить выбитые электроны из зоны ионизации. Такая ступенчатая ионизация получается частично из-за отвода выбитых бывших валентных электронов, а частично задается количеством задействованных для передачи световой энергии лазеров.

 []

          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 %.

 []

   Во время ионизации и отвода электронов аэроионы N2 будучи одного знака начинают 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 дополнительно 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 "холодную 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. Преимущество в скорости истечения в 2 раза для электростатического "выхлопа" далеко не предел. Так как темп истечения газов задается не скоростью и интенсивностью химических реакция заданных природой. А параметрами типа "степень ионизации", количество камеры ионизации, интенсивность фотонной накачки. И эти параметры уже только в руках инженеров.
  
   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.
     
      Об отводе электронов.
     
      В данной схеме ионизации азота излучением система отвода электронов схематически показана знаком 'заземляющий контур' или 'заземление'. Это будет работать, если, например, система будет стоять на Земле, на железнодорожной платформе и тогда выбитые из азота свободные электроны легко будут уходить через заземленные рельсы в землю, и вся платформа будет толкаться реактивной тягой, возникающей при расширении ионизированного азота. Но в космосе нет заземляющего контура, нет планеты под 'колесами', которая поглотит любое количество свободных электронов, поэтому нужна некая система отвода свободных электронов из ионизирующей камеры, без привязки к привычному заземляющему контуру.

 []

      Для этого из камеры ионизации в сопло подведены выводы или "антенны", на некотором расстоянии. Когда ионизированный газ вылетает из сопел он захватывает часть электронов с поверхности выводов "антенн". Так освобождается система от выбитых лазером электронов. [7].
     
     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.
     
     О повышении КПД.
     
     Казалось бы, на этом описание двигателя можно было бы и закончить, но есть несколько моментов которые следует улучшить. Первое это наличие диэлектрических вставок между камерами ионизации. На рисунках вставки закрашены желтым цветов. При детонации целостность конструкции в этих местах может нарушиться. Хотелось бы иметь по возможности одну сплошную трубу зеркало из металла. И что бы камеры ионизации отделялись друг от друга только внутренними сетками, входящими в состав системы утилизации выбитых электронов. В идеале желательно, что бы ионизированный газ соприкасался только с этими сетками проходя сквозь них отдавая электроны и слабо взаимодействовал с зеркалом трубой. Второй момент. Это просто варварское выбрасывание электронов за пределы корабля в месте с рабочим телом. Желательно что бы эти выбитые из газа свободные электроны совершали перед своей утилизацией некую работу, например, по ускорению газа в камерах ионизации. 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. По аналогии провода от 'решеток' следует пустить не по прямой к инжектору в сопле, а намотать их на трубу зеркало с различным шагом, естественно покрыв трубу-зеркало из алюминия изолятором.
     

 []

      И далее следует наматывать провода по всем трубам с разным шагом намотки и только потом подключить к антенне утилизатору. Электроны двигаясь по проводам, намотанным вокруг трубы-зеркала к антеннам утилизаторам будут создавать магнитное поле. Труба зеркало станет аналогом катушки Томсона. И так провод от каждой вставки-сетки стоит наматывать поверх ранее проложенных проводов. Таким образом магнитное поле в каждой последующей камере-ионизации будет уменьшаться в плотности ступенчато. Имея минимум в последней камере. И это замечательно так как азот будет намагничиваться на встречу приложенному магнитному полю возникнет диамагнитный ответ и магнитное поле вытолкнет из себя это газ придав ионизированному газу дополнительное ускорение в сторону сопла. Но если Азот будет отклоняться от прямолинейного движения к стенке зеркала. То сила Лоренса будет мешать ионам Азота соприкоснуться со внутренней стенкой камеры-ионизации. Между ионизированным газом и стенкой зеркала благодаря отклоняющей силе Лоренса всегда будет зазор. И весь это газ будет двигаться гонимый диамагнитным ответом и Кулоновским расширением в сторону сопла. При этом электроны, выбитые из газа лазером и будут совершать полезную работу перед своей утилизацией создавая магнитное поле, защищающее стенки зеркала и дополнительно ускоряющее ионизированный газ. То есть частично наш двигатель будет диамагнитной пушкой, стреляющую ускоренными кулоновским взрывом ионизированным газом обладающим диамагнитными свойствами. Кроме магнитов с переменным шагом намотки входящих в систему утилизации электронов, в системе есть еще основной ускоряющий магнит тоже с переменным шагом намотки. Но запитан этот основной электромагнит от внешнего независимого от системы утилизации источника тока.
     
     О диамагнитном барьере.
     
     Есть мнение, что при переходе диамагнетика или азота из бака в зону действия катушки намотанной на камеры ионизации, газ будучи диамагнетиком будет испытывать торможение. Так как диамагнетик всегда намагничивается на встречу магнитному полю и выталкивается из этого встречного поля. Во избежание этого, первую сетку, а первой камере ионизации, отводящую выбитые лазером электроны следует изготовить из ферримагнитного железа или ферромагнетика. Ферромагнетик, как известно "втягивает" в себя внешнее магнитное поле [9]

 []

      Допустимо сравнить магнитные силовые линии магнитного поля с электрическим током или некими струями в пространстве. И эти магнитным силовым линии или струи текут по минимальному пути сопротивления, как ток. Как это объяснить? Эффект втягивания хорошо описан в книге ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАГНИТНОГО МЕТОДА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ Лесных Е.В., Бобров А.Л "То, что силовые линии в большинстве своем проходят по ферромагнетику объясняется тем, что внешняя среда (воздух) имеет магнитную проницаемость, значительно меньшую магнитной проницаемости m ферромагнетика. А силовые линии стремятся проходить по материалу с наилучшей проводимостью, то есть не по воздуху, а по намагниченной детали"[16]. Образно говоря, у вакуума проницаемость хуже, чем у железа, поэтому если "линия" вошла в железо, то ей уже невыгодно выходить из него в воздух, чтобы войти в противоположную стенку - она выйдет из другой крайней точки, пройдя по стенкам благодаря разнице в магнитной проницаемости между железом и воздухом.

 []

      Так вот войдя в сетку утилизатора выбитых электронов состоящей из ферромагнетика, линии или струи магнитного поля втянутся в прутья сетки и между ячейками сетки образуются разрывы в магнитном поле через которые диамагнетик без проблем будет проскакивать в поле действие катушки. Особенно если вход в двигатель снабдить "Запорным или стоп-магнитом". Осталось теперь узнать, как и где получить доступ к неограниченному количеству Азота.
       
       Воздух в магнитном поле.
        
         Содержание кислорода, азота и благородных газов в составе воздуха повсюду одинаково: азот -- 78,2% по объему, кислород -- 20,9% по объему, благородные газа -- 0,9% по объему [5]
Итак нам надо быстро выделять азот из воздуха ионизировать его и получать толкающую силу. Для этого нужен очень быстрый делитель воздуха на кислород и азот. И такой делитель уже предлагался [5]. В прямоточном делителе, кислород будет выбрасываться за борт за ненадобностью, а азот будет поступать в камеры ионизации. Изучив состав воздуха легко обнаружить, что это смесь из газов с совершенно разными магнитными свойствам. Азот (78,2%) -- это диамагнетик, при чем очень даже сильный, и он выталкивается из сильного магнитного поля, а вот кислород (20,9%) -- это парамагнетик, и кислород будучи парамагнетиком втягивается в магнитное поле.   Вот эти разные магнитные свойства и позволяют разделить воздух на азот и кислород при чем быстро [5]. Если, к примеру, поместить магнит в некий замкнутый сосуд с воздухом, то Азот постепенно будет выдавлен на периферию сосуда или поля, как диамагнетик. А кислород, наоборот, переместится в те области сосуда, где магнитное поле будет наиболее плотным. Азот стремится туда, где поле менее плотное. А кислород туда, где более плотное. Вблизи магнита, помещенного в сосуд, будет преимущественно кислород, а Азот будет находится вблизи стенок сосуда выдавленный магнитным полем.
        
      Генератор Азота.
     
      За основу генератора азота можно взять "Устройство для получения кислорода из воздух" (Патент N166798)

 []

[5]

      Конструкция, заявленная изобретателями с пояснениями представлена на рисунке ниже:

 []

[5]

      Переработаем данную идею под нашу задачу, а именно получение Азота. Представьте, что мы имеем длинный магнит. И помещен этот магнит в центр некой полой трубы с отверстиями так, чтобы между трубой и магнитом было пространство. И магнит, и труба находятся в еще одной трубе, но уже с глухими стенками. Далее труба с отверстиями вставлена в выпускной коллектор, это крест из полых трубок, то есть труба с магнитом, вставленная в этот крест из трубок, напоминает елку, вставленную в подставку, сбитую крестообразно из двух досок. Трубки этого коллектора выступают за пределы глухого сосуда, в котором находится и магнит, и трубка с магнитом и отверстиями [8].

 []

      Итак, компрессор захватывает воздух из атмосферы, подаёт в охладитель и далее в делитель. Где двигаясь в магнитном поле. Азот как диамагнетики постепенно выдавливается к стенкам внешней большой трубы, а кислород будучи парамагнетиком через отверстия во внутренней трубке втягивается к в полость между магнитом и этой внутренней трубы с отверстиями. По сути, эта трубка с трубчатым крестообразным выпускным коллектором на конце и магнитом в центре внутренней полости трубки, притягивает из полости внутри внешней трубы кислород и далее через крестовидный коллектор выбрасывает этот кислород наружу в атмосферу. Азот же остается во внешней целой трубе и поступает прямо в камеру ионизации и расширения. Но тут, важно то, что возле крестовины из трубок на дырчатую трубку одет электромагнит. Он окончательно запирает мощным электромагнитным полем поступления даже остаточного азота в крестовину коллектор. Азот же диамагнетик, и он просто не в состоянии преодолеть это дополнительное постоянное электромагнитное поле. И остается во внешней трубе, кислород же будучи парамагнетиком, струится по трубе сквозь трубку, на которую одет электромагнит во вне. При этом ракета, может и стоять на месте и с помощью компрессора или некой турбины нагнетать в этот "прямоточный делитель" воздух. Для лучшей работы данного делителя атмосферный воздух стоит предварительно охлаждать, так как при нагреве парамагнитные свойства кислорода исчезают [5]. Вот и доступ к неограниченному запасу Азота.
        
      Электрическая ракета.
        
      В целом же электрическая ракета должна состоять из заборника азота из атмосферы, центрального или маршевого ионизирующего ракетного двигателя и бака для рабочего тела. Отдельно нужно снабдить ракету резервными или маневровыми двигателями. Ракета берет для разгона в атмосфере азот. А при выходе за пределы стратосферы уже использует азот запасенный ранее в основном баке.

 []

   Увы полностью отказаться от рабочего вещества для реактивного движения вряд ли возможно. Но отказаться от первой разгонной ступени, вполне. Далее после того, как ракета выйдет на орбиту. Она сможет вновь войти в атмосферу набрать азота из атмосферы совершить посадку и потом повторно выйти в космос. И делать так столько сколько понадобится при условии наличия мощного источника электрического тока. А таким мощным источником электрического тока вполне могут стать изотопные батареи. Которые хорошо себя зарекомендовали в дальних космических миссиях. Все же они безопаснее ядерного реактора на борту ракеты. Лучше конечно атомный реактор. Но вот ракета вышла в космос и у нее межпланетная миссия. Где брать азот за пределами атмосферы, в космосе?
     
     Об использовании СО2
  
      Учитывая, что на борту всегда есть люди. То сами люди и могут быть будут источником такого газа как СО2 или углекислый газ. Азот и кислород все равно берется на борт для дыхания. И постепенно кислород окисляется организмами пассажиров. И при длительном дрейфе волне можно этот газ выделить из атмосферы внутри корабля и использовать вместо Азота. Углекислый газ отлично ионизируется ультрафиолетовыми лучами экстремального спектра, то есть для ионизации углекислого газа может быть использована такая же конструкция, что и для азота.
   Единственное, что в случае с углекислотой газ за ракетой при выходе из сопла будет выпадать на внешних "антеннах" утилизатора электронов в виде "снега" и эти внешние "антенны" надо будет просто подогревать, во избежание налипания "сухого льда" [7].
        
         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
      5.УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ КИСЛОРОДА ИЗ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА С.Ю. Бузоверов
https://cyberleninka.ru/article/n/ustroystvo-dlya-vydeleniya-kisloroda-iz-atmosfernogo-vozduha/viewer
      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
      8. Ракетоплан это реально? http://samlib.ru/editors/l/lemeshko_a_w/a011.shtml
      9. Физическая энциклопедия. МАГНИТНОЕ ЭКРАНИРОВАНИЕ http://www.femto.com.ua/articles/part_1/2064.html
      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. Взаимодействие электрических зарядов
   http://www.sxemotehnika.ru/vzaimodeystvie-elektricheskich-zaryadov.html
   18. ЕЩЕ РАЗ О ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ СВЯЗЯХ ФИЗИЧЕСКИХ ПОСТОЯННЫХ Дмитрий Сахань
http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/6733.html
   19. Презентация по физике на тему "Электростатика"
   https://videouroki.net/razrabotki/prezentatsiya-po-fizike-na-temu-elektrostatika.html
  

 Ваша оценка:

Популярное на LitNet.com Д.Сугралинов "Дисгардиум 5. Священная война"(Боевое фэнтези) Е.Вострова "Канцелярия счастья: Академия Ненависти и Интриг"(Антиутопия) А.Тополян "Механист 2. Темный континент"(Боевик) В.Чернованова "Попала! или Жена для тирана"(Любовное фэнтези) А.Ардова "Брак по-драконьи. Новый Год в академии магии"(Любовное фэнтези) В.Кретов "Легенда 4, Вторжение"(ЛитРПГ) Е.Кариди "Сопровождающий"(Антиутопия) А.Вильде "Эрион"(Постапокалипсис) А.Вильде "Джеральдина"(Киберпанк) К.О'меил "Свалилась, как снег на голову"(Любовное фэнтези)
Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
А.Гулевич "К бою!" С.Бакшеев "Вокалистка" Н.Сайбер "И полвека в придачу"

Как попасть в этoт список
Сайт - "Художники" .. || .. Доска об'явлений "Книги"