Jump to content

Магнитная насадка

Магнитное сопло — это сходящееся-расходящееся магнитное поле , которое направляет, расширяет и ускоряет плазменную струю в вакуум с целью космического движения . [ 1 ] 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. [ 2 ] 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

[ редактировать ]

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. [ 2 ] 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 . [ 3 ] 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 дрейф , диамагнитный дрейф ответственен за образование азимутального электрического тока в плазменной области. Этот азимутальный электрический ток создает индуцированное магнитное поле , которое противодействует приложенному, создавая магнитную силу отталкивания. который толкает плазму вниз по течению. Реакция на эту силу ощущается на магнитном генераторе магнитного сопла и называется магнитной тягой. [ 3 ] Это основной механизм создания тяги в магнитном сопле.

Отслойка плазмы

[ редактировать ]

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 [ 4 ]

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. [ 5 ] 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. [ 6 ]

Пропульсивная производительность

[ редактировать ]

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. [ 3 ] 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.

  1. ^ Андерсен и др. Физика жидкостей 12, 557 (1969)
  2. ^ Перейти обратно: а б Р. А. Гервин, Г. Дж. Марклин, А. Г. Сгро, А. Х. Глассер, Характеристика потока плазмы через магнитные сопла , отчет LANL AL-TR-89-092 (1990).
  3. ^ Перейти обратно: а б с Э. Ахедо, М. Мерино, Двумерное сверхзвуковое ускорение плазмы в магнитном сопле, Физика плазмы 17, 073501 (2010)
  4. ^ Ахедо, Э., Мерино, М., Об отрыве плазмы в движущихся магнитных соплах, Физика плазмы, Vol. 18, № 5, 2011, стр. 053504
  5. ^ Мерино, М., Ахедо, Э., Отрыв плазмы в движущемся магнитном сопле посредством ионного размагничивания, Наука и технология источников плазмы, Vol. 23, № 3, 2014, стр. 032001.
  6. ^ Мерино, М., Ахедо, Э., Влияние индуцированного плазмой магнитного поля на магнитное сопло, Наука и технология источников плазмы, Vol. 25, № 4, 2016, стр. 045012.
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: a9340444084d0d52b1bc8efb69211fc7__1526927280
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/a9/c7/a9340444084d0d52b1bc8efb69211fc7.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Magnetic nozzle - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)