Магнитная насадка

Магнитное сопло — это сходящееся-расходящееся магнитное поле , которое направляет, расширяет и ускоряет плазменную струю в вакуум с целью космического движения . Магнитное поле в магнитном сопле играет аналогичную роль сходящимся-расходящимся твердым стенкам в сопле Лаваля , в котором горячий нейтральный газ расширяется сначала дозвуково , а затем сверхзвуково для увеличения тяги . Подобно соплу Лаваля, магнитное сопло преобразует внутреннюю энергию плазмы в направленную кинетическую энергию , но работа основана на взаимодействии приложенного магнитного поля с электрическими зарядами в плазме, а не на силах давления , действующих на твердое тело. стены. Основное преимущество магнитного сопла перед твердотельным заключается в том, что оно может работать бесконтактно, т.е. избегать контакта материала с горячей плазмой, что привело бы к неэффективности системы и сокращению срока службы сопла. Дополнительные преимущества включают возможность изменения силы и геометрии приложенного магнитного поля в полете, что позволяет адаптировать сопло к различным требованиям к двигательной установке и космическим миссиям . Магнитные сопла являются фундаментальной ступенью ускорения нескольких плазменных двигателей следующего поколения , находящихся в стадии разработки, таких как геликонный плазменный двигатель , с электронно-циклотронным резонансом плазменный двигатель , VASIMR и магнитоплазмодинамический двигатель с приложенным полем . Магнитные сопла также находят еще одну область применения в передовых процессах производства плазмы , и их физика связана с физикой некоторых с магнитным удержанием устройств плазменного синтеза .

Основные операции магнитной насадки

Расширение плазмы в магнитном сопле по своей сути более сложное, чем расширение газа в твердом сопле, и является результатом нескольких взаимосвязанных явлений, которые в конечном итоге зависят от большой разницы масс между электронами и ионами , а также от электрических и магнитных сил. взаимодействие между ними и приложенным полем.

Если сила приложенного магнитного поля достаточна, оно намагничивает легкие электроны в плазме, которые, следовательно, описывают спиральное движение вокруг магнитных линий. На практике это достигается с помощью магнитных полей в диапазоне нескольких сотен Гаусс. Ведущий центр каждого электрона вынужден путешествовать по одной магнитной трубке. Это магнитное удержание предотвращает неконтролируемое расширение электронов в радиальном направлении и направляет их в осевом направлении вниз по потоку. Более тяжелые ионы обычно не намагничены или намагничены лишь частично, но вынуждены расширяться вместе с электронами благодаря электрическому полю , которое создается в плазме для поддержания квазинейтральности . В результате возникающего электрического поля ионы ускоряются вниз по потоку, в то время как все электроны, за исключением более энергичных, удерживаются вверх по потоку. Таким образом, электрическое поле помогает преобразовать внутреннюю энергию электрона в направленную кинетическую энергию ионов.

В установившемся режиме истощенная плазменная струя в целом является бестоковой, т. е. полный ток ионов и ток электронов на каждом участке равны. Это условие предотвращает непрерывную электрическую зарядку космического корабля, на котором установлено магнитное сопло, что могло бы произойти, если бы количество ионов и электронов, испускаемых в единицу времени, было разным.

Давление электронов, удерживаемое магнитным полем, приводит к диамагнитному дрейфу , который пропорционален давлению электронов и обратно пропорционален напряженности магнитного поля. Вместе с $E\times B$ дрейф , диамагнитный дрейф ответственен за образование азимутального электрического тока $j_{\theta }$ в плазменной области. Этот азимутальный электрический ток создает индуцированное магнитное поле , которое противодействует приложенному, создавая магнитную силу отталкивания. $\propto j_{\theta }B$ который толкает плазму вниз по течению. Реакция на эту силу ощущается на магнитном генераторе магнитного сопла и называется магнитной тягой. Это основной механизм создания тяги в магнитном сопле.

Отслойка плазмы

Замкнутость магнитных линий означает, что, если плазма не отделится от направляющего магнитного поля ниже по потоку, она развернется вдоль силовых линий обратно к двигателю. Это противоречит движущей силе магнитного сопла, поскольку возвращающаяся плазма отменит тягу и может поставить под угрозу целостность космического корабля и плазменного двигателя. отделения плазмы . Поэтому для правильной работы магнитного сопла необходим механизм

По мере расширения плазмы в расширяющейся стороне магнитного сопла ионы постепенно ускоряются до гиперзвуковых скоростей благодаря роли внутреннего электрического поля в плазме. В конце концов, ненамагниченные массивные ионы становятся достаточно быстрыми, и слабые электрические и магнитные силы в области ниже по потоку становятся недостаточными для отклонения траекторий ионов, за исключением чрезвычайно высоких магнитных сил. Как естественное следствие, начинает происходить отслоение плазмы. и величина массового расхода плазмы , которая фактически отклоняется вдоль магнитного поля и поворачивается обратно для поддержания квазинейтральных условий в плазме, пренебрежимо мала. Как следствие, магнитное сопло способно выпускать отдельные плазменные струи, которые можно использовать для приведения в движение.

Разделение ионов вследствие их инерции приводит к образованию локальных продольных электрических токов, не нарушающих, однако, глобального бестокового состояния в струе. Влияние индуцированного плазмой магнитного поля, которое может деформировать магнитное сопло ниже по потоку, и образование ненейтральных областей может еще больше снизить потери плазмы при возврате.

Пропульсивная производительность

Производительность магнитного сопла с точки зрения удельного импульса , создаваемой тяги и общего КПД зависит от плазменного двигателя, к которому оно подключено. Магнитное сопло следует рассматривать как устройство увеличения тяги , роль которого заключается в преобразовании тепловой энергии плазмы в направленную кинетическую энергию, как обсуждалось выше. Поэтому тяга и удельный импульс сильно зависят от электронной температуры плазмы внутри источника плазмы. Для создания эффективного плазменного двигателя необходима высокая температура электронов (т.е. горячая плазма).

Эффективность магнитного сопла следует рассматривать с точки зрения расходимости или радиальных потерь. В результате расширения в расширяющемся магнитном сопле часть кинетической энергии ионов направляется в радиальном и азимутальном направлениях. Эта энергия бесполезна для создания тяги и поэтому учитывается как потери. Эффективное магнитное сопло достаточно длинное, чтобы свести к минимуму количество энергии, теряемой в радиальном и азимутальном направлениях. Кроме того, слишком слабое магнитное поле не сможет удержать плазму в радиальном направлении и направить ее в осевом направлении, что приведет к большим радиальным потерям.

Другими показателями качества системы являются электрическая мощность, масса и объем необходимого генератора магнитного поля ( магнитных катушек и/или постоянных магнитов ). Низкое потребление электроэнергии, масса и объем желательны для космических двигателей.