Пристрій для використання розсіяного пучка високотемпературної плазми для захисту об’єктів від механічного зіткнення із іншими об’єктами та іншими видами матерії за о.о.нахабою

Корисна модель відноситься до фізики високотемпературної плазми, зокрема, до пристроїв, що генерують пучки високошвидкісних іонів для захисту об'єктів від механічного зіткнення із іншими об'єктами та іншими видами матерії, здатними до взаємодії із випромінюваними іонами і може бути використаний у наступних напрямах: 1) основа для створення захисного іонного екрану передньої частини космічного корабля для захисту від зіткнення із космічним сміттям при русі на великих швидкостях; 2) основа для створення захисного іонного екрану космічних літальних апаратів та зондів, що знаходяться у агресивних атмосферах планет, їх супутників, комет і навіть у атмосфері Сонця (при створенні достатньо щільних іонних пучків); 3) основа для створення захисного іонного екрану для мобільних та стаціонарних військових об'єктів, що робить їх менш уразливими. Відомо, що основна проблема створення систем для використання енергії високотемпературної плазми - це проблема її ефективного утримання. На сьогоднішній день тільки магнітне поле може ефективно ізолювати високотемпературну плазму від зовнішнього середовища. Тому виникла необхідність створення електромагнітних пристроїв, котрі були би здатними утримувати плазму та керувати нею. Але сучасні технології дозволяють утримувати високотемпературну плазму лише на долі секунди та не дозволяють повноцінно керувати нею, тому поки ще не мають практичного значення. Найбільш близьким до запропонованого технічного рішення є токамак, що також представляє собою камеру, що складається з надпровідних обмоток, але у цьому токамаці, на відміну від запропонованого пристрою, плазма створюється та утримується у вигляді плазмового шнура тороідної форми [1, 2, 3]. Другим аналогом запропонованого пристрою є МГД-генератор - пристрій у котрому відбувається перетворення енергії плазми, отриманої при хімічній реакції у електроенергію. Третім, найбільш близьким аналогом запропонованого пристрою є запропонований мною раніше пристрій для утримання високотемпературної плазми у згустку сферичної форми та її керованої емісії у строго детермінованому напрямі, на котрий отриманий патент України на корисну модель №17149 від 15.09.2006 [заявка №200602858]. Недоліком першого аналогу є низька щільність створеної ним плазми, та її недостатня стабільність, що не дозволяє довготривало утримувати високотемпературну плазму та ефективно її використовувати. Другим недоліком є занадто великі розміри обмоток токамаку для відносно невеликого магнітного потоку, створеного ними, що не дозволяє створити магнітне поле достатньої щільності для довготривалого утримання щільної високотемпературної плазми. Недоліком другого аналогу є недостатньо ефективне утримання плазми, що не дозволяє підвищити її температуру та ступінь іонізації, та потребує використання великої кількості хімічного пального та окислювача. У конструкції третього аналога вже присутній принцип утримання сферичного згустку високотемпературної плазми у надщільному постійному магнітному полі, котре створюється надпровідними обмотками конічної форми із можливістю подальшої керованої емісії плазми у строго детермінованому напрямі крізь центральні канали обмоток, що розташовані по полюсам реакторної камери, але у цьому винаході були недостатньо розроблені конструкція та розташування обмоток інтегрованих МГД-генераторів, та недостатньо конкретизовані алгоритми використання енергії плазмового згустку для створення захисного екрану. В основу корисної моделі поставлена задача розробки пристрою для використання розсіяного пучка високотемпературної плазми для захисту об'єктів від механічного зіткнення із іншими об'єктами та іншими видами матерії, здатними до взаємодії із іонами випромінюваного плазмового потоку, пристрою у якому відбувається тривале утримання щільної високотемпературної плазми у згустку сферичної форми та її керована емісія у строго детермінованому напрямі крізь обмотки інтегрованих МГД-генераторів, далі крізь негативно заряджені надпровідні кільця, де відбувається розсіювання потоку позитивно заряджених іонів та їх виброс за межі стінки захищуваного об'єкта, в якому за рахунок оригінального конструктивного рішення можливо підвищити герметичність та щільність магнітного поля, за допомогою котрого утримується високотемпературна плазма, та підвищити ефективність отримання механічного відштовхування від захищуваного об'єкта. Поставлена задача вирішується тим, що, згідно корисної моделі, пристрій для використання розсіяного пучка високотемпературної плазми для захисту об'єктів від механічного зіткнення із іншими об'єктами та іншими видами матерії, являє собою серію сферичних камер 1, що складаються з надпровідних обмоток конічної форми 4, 5, 6 із сердечниками 30 із феромагнетика, у котрих створюється постійне магнітне поле високої щільності, північні полюси котрого направлені у центр реакторного відсіку, де утримується високотемпературна плазма 9 у згустку сферичної форми, та при зниженні сили струму на обмотках 4 (що розташовані по екватору камері), відбувається емісія плазми крізь центральні канали обмоток 6 (що розташовані по полюсам камер 1), у проекції котрих розташовані обмотки МГД-генераторів 14, де відбувається розділення плазмових потоків 20 на потоки позитивно заряджених 21 та негативно заряджених іонів 22, при цьому потоки позитивно заряджених іонів відхиляються на 90°, за допомогою негативно заряджених надпровідних кілець 18 розсіюються, спрямовуються крізь отвори за межі корпусу захищуваного об'єкта та здійснюють механічне відштовхування усіх об'єктів та часток, що наближуються до нього. На Фіг.1 схематично представлена одна функціональна одиниця пристрою для використання розсіяного пучка високотемпературної плазми для захисту об'єктів від механічного зіткнення із іншими об'єктами та іншими видами матерії, вертикальний поздовжній розтин. На Фіг.2 схематично представлено розташування десяти таких функціональних одиниць у складі стінки захищуваного об’єкту (вид зовні на захищувану поверхню, при цьому кожна функціональна одиниця пристрою складається з камери для утримання плазми, МГД генераторів для розділення плазмового потоку на різнойменні іони та негативно заряджених кілець для розсіювання потоків позитивно заряджених іонів). На Фіг.3 схематично представлено розташування десяти таких функціональних одиниць у складі стінки захищуваного об’єкту (вид збоку на поздовжній розтин фрагменту захищуваної поверхні). На Фіг.4 схематично представлено розташування конічних обмоток 4, 5 та 6 у складі сферичної камери 1 (з котрих вона складається). 1 - камера; 2 - отвори; 3 - відсік реакторний; 4 - обмотка конічна екваторіальна з вузьким центральним каналом; 5 - обмотка конічна півкульна з вузьким центральним каналом; 6 - обмотка конічна полярна з широким центральним каналом; 7 - магнітне поле високої щільності; 8 - полюс північний магнітного поля обмоток; 9 - плазма високотемпературна; 10 - канали для кріогенного охолодження обмоток; 11 - гелій рідкий; 12 - корпус герметичний; 13 - бар'єр водяний; 14 - МГД-генератор постійного електричного струму інтегрований, для розділення плазмового потоку на позитивно зарядженні та негативно зарядженні іони; 15 - надпровідні обмотки інтегрованих МГД-генераторів; 16 - вектори магнітних силових ліній постійного магнітного поля, створеного надпровідними обмотками інтегрованих МГД-генераторів; 17 - електрод надпровідний інтегрованого МГД-генератору для поглинання негативно заряджених іонів; 18 - надпровідне негативно заряджене кільце, для розсіювання потоку позитивно заряджених іонів; 19 - надпровідний електрокабель для передачі негативно заряджених іонів з електроду 16 на кільце 17; 20 - змішаний плазмовий потік, що складається з позитивно заряджених та негативно заряджених іонів; 21 - потік позитивно заряджених іонів; 22 - потік негативно заряджених іонів; 23 - розташування камер 1 та негативно заряджених кілець 18 у складі стінки захищуваного об'єкта (вигляд спереду); 24 - направлення руху позитивно заряджених іонів; 25 - направлення руху негативно заряджених іонів; 26 - направлення вектору сили відштовхування, створеної пристроєм; 27 - канали для кріогенного охолодження електродів 17; 28 - розташування камер 1 та негативно заряджених кілець 18 у складі стінки захищуваного об'єкта (вигляд збоку); 29 - розсіяні плазмові пучки, що створюють захисний екран відштовхування (показано пунктиром); 30 - сердечник із феромагнетика; 31 - схематичне зображення обмоток 4,5 та 6 у складі камери 1 сферичної форми (те що ми бачимо при погляді на зовнішню поверхню камери 1); 32 - схематичне зображення камер 1 пристрою у складі стінки захищуваного об'єкта; 33 - схематичне зображення негативно заряджених кілець 18 пристрою у складі стінки захищуваного об'єкта. Пристрій складається з серії функціональних одиниць кожна з котрих складається з камери 1 сферичної форми з отворами 2, реакторного відсіку З, надпровідних електромагнітних екваторіальних обмоток конічної форми із сердечниками 30 із феромагнетика з вузьким центральним каналом 4 (розташованих по екватору камери 1), півкульних обмоток конічної форми із сердечниками 30 із феромагнетика з вузьким центральним каналом 5 (з котрих складаються півкулі камери 1) та двох полярних обмоток конічної форми із сердечниками 30 із феромагнетика з широким центральним каналом 6 (розташованих по полюсам камери 1), в усіх цих обмотках створюється постійне магнітне поле високої щільності 7 (північні полюси 8 котрого направлені у центр реакторного відсіку, де утримується високотемпературна плазма 9), каналів 10 для кріогенного охолодження обмоток рідким гелієм 11, герметичного корпусу 12 із водяним бар'єром 13, та інтегрованих МГД-генераторів постійного електричного струму 14 для розділення плазмових потоків 20 на позитивно зарядженні 21 та негативно зарядженні іони 22, що у свою чергу складаються з серії надпровідних електромагнітних обмоток 15, що створюють постійне магнітне поле із векторами магнітних силових ліній 16, надпровідних електродів 17 для поглинання негативно заряджених іонів плазмових потоків, надпровідних негативно заряджених кілець 18 для розсіювання потоків позитивно заряджених іонів 21, електрокабелів 19 для передачі іонів з електродів 17 на кільця 18, каналів 27 для кріогенного охолодження надпровідних електродів та кілець. Для збільшення площі захисного екрану використовується велика кількість функціональних одиниць, розташованих у одній площині таким чином, щоби створені розсіяні пучки позитивно заряджених іонів сусідніх одиниць перекривали один одного. Пристрій реалізується наступним чином (розглянуто на прикладі однієї функціональної одиниці, те ж саме відбувається у інших функціональних одиницях пристрою). 1 етап - створення у реакторному відсіку 3 камери 1 плазмового згустку сферичної форми. Після увімкнення електромагнітних обмоток 4, 5 та 6 та створення у них постійного магнітного поля, північні полюси 8 котрого направлені у центр реакторних відсіку 3, де за допомогою серії дугових розрядів, створюється плазмовий згусток сферичної форми. Паралельно у цей згусток поступово вводиться речовина, що складається із легких атомів (наприклад рідкий гелій, або газоподібний водень), та за допомогою лазерного опромінення уся ця суміш підігрівається до температури, необхідної для іонізації усіх атомів суміші, і таким чином введена речовина підтримується у вигляді плазмового згустку сферичної форми у центрі реакторного відсіку 3 камери 1. Цей етап супроводжується витратою енергії. 2 етап - перетворення енергії згустку плазми сферичної форми у силу відштовхування об'єктів та часток від захищуваної поверхні. Після завершення створення плазмового згустку, сила струму на обмотках 4, розташованих по екватору камери 1 зменшується і починається емісія плазми через центральні канали обмоток 6 (що розташовані по полюсам камери 1), у проекції котрих розташовані обмотки МГД-генераторів 14, де відбувається розділення плазмових потоків 20 на потоки позитивно заряджених 21 та негативно заряджених іонів 22, при цьому потоки позитивно заряджених іонів відхиляються на 90°, за допомогою негативно заряджених надпровідних кілець 18 розсіюються, та спрямовуються крізь отвори за межі корпусу захищуваного об'єкта та здійснюють механічне відштовхування усіх об'єктів та часток, що наближуються до нього, таким чином відбувається перетворення кінетичної енергії іонів плазми у механічний імпульс відштовхуваного об'єкта. При цьому отриманні негативно зарядженні іони 22 осаджуються на електродах 17 та по електрокабелям 19 передаються на надпровідні кільця 18 для розсіювання потоку позитивно заряджених іонів 21. Пристрій функціонує наступним чином (розглянуто на прикладі однієї функціональної одиниці, те ж саме відбувається у інших функціональних одиницях пристрою) - створюється герметичне надщільне постійне магнітне поле у котрому за допомогою серії дугових розрядів, створюється плазмовий згусток сферичної форми. У цьому первинному згустку розкладається на іони інжектована у реактор речовина, що складається із легких атомів (наприклад рідкий гелій, або газоподібний водень), та за допомогою лазерного опромінення уся ця суміш підігрівається до температури, необхідної для іонізації усіх атомів суміші, і таким чином введена і іонізована речовина за допомогою сили Лоренца підтримується у вигляді плазмового згустку сферичної форми у центрі реакторного відсіку 3 камери 1. Далі при зменшенні сили струму одночасно тільки у екваторіальних обмотках 4, починається емісія плазми крізь центральні канали двох полярних обмоток 6, далі крізь обмотки 15 магнітогідродинамічних генераторів постійного поля, котрі розділяють змішані плазмові потоки 20 на потоки позитивно заряджених іонів 21 та негативно заряджених іонів 22. При цьому негативно зарядженні іони осаджуються на надпровідних електродах 17 та за допомогою електрокабелів 19 передаються на надпровідні кільця 18, котрі за допомогою кулонівського притягнення розсіюють потоки позитивно заряджених іонів 21 та формують сегменти захисного екрану відштовхування. У разі знаходження захищуваного об'єкта у агресивних високотемпературних атмосферах, за рахунок відштовхування часток від його поверхонь - досягається термоізоляція даного об'єкта. В порівнянні з прототипом, запропонований пристрій має ряд переваг (розглянуто для однієї функціональної одиниці пристрою): - за рахунок конічної форми обмоток, збільшується герметичність та щільність магнітного поля за рахунок максимального зближення бокових поверхонь обмоток 4, 5 та 6, а також концентрації усіх магнітних силових ліній у центрі камери 1, що створює умови для ефективного тривалого утримання щільної високотемпературної плазми з високим ступенем іонізації; - за рахунок використання надпровідних високоіндуктивних обмоток є можливість у сотні разів підвищити у них силу струму при збереженні їх розмірів та діаметру провідника, з котрого вони виготовленні, що також підвищує щільність магнітного потоку необхідного для ефективного тривалого утримання щільної високотемпературної плазми; - за рахунок екваторіальних конічних обмоток 4 із змінюваною силою струму є можливість регульованої емісії високотемпературної плазми у строго детермінованому напрямі крізь центральні канали полярних обмоток 6; - за рахунок можливості зменшення розмірів пристрою - значно зменшується кількість енергії, необхідної для утримання високотемпературної плазми; - за рахунок можливості зменшення розмірів - можливість розміщення великої кількості функціональних одиниць у стінках захищуваного об'єкта; - за рахунок можливості зменшення розмірів пристрою - значно зменшуються економічні витрати на створення таких; - за рахунок можливості зменшення розмірів пристрою зменшується обсяг плазми, що одночасно утримується у реакторному відсіку, що у разі аварійного вибуху представляє меншу загрозу для захищуваного об'єкта та навколишнього середовища і таким чином підвищує безпечність цього пристрою; - за рахунок відштовхування часток від стінок захищуваного об'єкта, крім захисту від механічного зіткнення є можливість термоізоляції при знаходженні об'єкта у агресивних середах. Література: 1. Бунин В.А. Аппаратура для получения, удержания и нагрева плазмы. М.,1966. 2. Бишоп, Амаса С. Проект Шервуд. Программа США по управляемому термоядерному синтезу. Под ред. ак. Л.А. Арцимовича. М., Атомиздат, 1960. 3. Киловатая Т.Г. Управление формой плазмы в токамаке. Харьковский физико-технический институт АН УССР ЦНИИ Атоминформ, 1989. 4. Космонавтика / Глав. ред. Е. Ананьева; отв.ред. В. Чеснов - М.: "Аванта плюс", 2004. 5. Ландсберг Г.С. Учебник по физике. М., "Наука", 1970. 6. Мякишев Г.А. Элементарные частицы. М., "Просвещение", 1977.