Пристрій для перетворення енергії згустку плазми сферичної форми у механічний імпульс корпусу двигуна за о.о.нахабою

Корисна модель відноситься до фізики високотемпературної плазми, зокрема, до пристроїв, що утримують плазму, регулюють її подальшу емісію для отримання сили тяги та механічного зміщення транспортного засобу у заданому напрямі незалежно від середи, у котрій знаходиться даний транспортний засіб (у повітрі, під водою, або у космічному просторі) і може бути використаний у транспортній галузі як основа для альтернативної рухової установки. 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 аналогом запропонованого пристрою є Російський стаціонарний плазмовий двигун СПД-100 [3]. Четвертим, 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. Недоліками третього аналога є занадто низька сила тяги, та залежність від потужних джерел електроенергії. У конструкції четвертого 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 цій корисній моделі були недостатньо розроблені конструкція та розташування обмоток інтегрованих МГД-генераторів, камер двигуна, та недостатньо конкретизовані алгоритми отримання механічного імпульсу із енергії плазмового згустку. В основу корисної моделі поставлена задача розробки пристрою для перетворення енергії згустку плазми сферичної форми у механічний імпульс корпусу двигуна, 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 до позитивно заряджених надпровідних куполоподібних стінок камер двигуна, 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 імпульсу із плазмового згустку сферичної форми. Поставлена задача вирішується тим, що, згідно корисної моделі, пристрій для перетворення енергії згустку плазми сферичної форми у механічний імпульс корпусу двигуна являє собою сферичну камеру 1, що складається 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 камери 1), відбувається емісія плазми крізь 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 на куполоподібні позитивно заряджені надпровідні стінки 23 двигуна, на котрих відбуваються перетворення кінетичної енергії іонів плазми у механічний імпульс корпусу двигуна. На Фіг.1 схематично представлений пристрій для перетворення енергії згустку плазми сферичної форми у механічний імпульс корпусу двигуна, вертикальний поздовжній розтин. На Фіг.2 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 заряджені та негативно заряджені 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 – позитивно заряджена куполоподібна камера плазмового двигуна; 24 - направлення руху позитивно заряджених іонів у камерах двигуна; 25 - направлення руху негативно заряджених іонів; 26 - направлення вектору сили тяги, створеної двигуном; 27 - канали для кріогенного охолодження електродів 17 та камер 23; 28 - електрод надпровідний інтегрованих МГД - генераторів для поглинання позитивно заряджених іонів 21; 29 - надпровідний електрокабель для передачі позитивно заряджених іонів з електродів 28 на стінки камер 23; 30 - сердечник із феромагнетика; 31 - схематичне зображення обмоток 4, 5 та 6 у складі камери 1 сферичної форми (те що ми бачимо при взгляді на зовнішню поверхню камери 1). Пристрій складається з камери 1 сферичної форми з отворами 2, реакторного відсіку 3, 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. Також у склад пристрою входять надпровідні електроди 28 для поглинання позитивно заряджених іонів 21 та надпровідні електрокабелі 29 для передачі позитивно заряджених іонів 21 на стінки камер 23. Пристрій реалізується наступним чином. 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 реакторного 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 механічний імпульс. 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 на куполоподібні позитивно заряджені надпровідні стінки камер 23 двигуна, на котрих відбувається перетворення кінетичної енергії іонів плазми у механічний імпульс корпусу двигуна. 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, котрі у розсіяному стані осаджуються на надпровідних стінках куполоподібних камер 23 двигуна, створюючи тим самим умови для кулонівського відштовхнення позитивно заряджених іонів 21 від позитивно заряджених стінок камер 23, що окрім додаткової тяги дає можливість термоізоляції стінок камер 23 від високошвидкісних іонів 21 високотемпературної плазми 9. За допомогою електродів 28 та електрокабелів 29 є можливість додаткової подачі позитивного заряду на стінки камер 23 для підвищення сили кулонівського відштовхнення позитивних іонів від стінок камер 23. Таким чином отримана сила тяги двигуна складається із реактивної сили, створеної тиском іонів 21 робочого тіла на стінки камер 23 та із сили кулонівського відштовхнення іонів 21 від стінок камер 23. Пристрій функціонує наступним чином - 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 потік позитивно заряджених іонів 21, частина котрих осаджується на стінках камери 23, а інша являючись робочим тілом бомбардує позитивно зарядженні стінки камери 23. За допомогою електроду 28 та електрокабелю 29 є можливість додаткової подачі позитивного заряду на стінки камери 23 для підвищення сили кулонівського відштовхнення позитивних іонів від стінки камери 23. Усе це створює силу тяги двигуна, що складається з реактивного компоненту (реактивна сила, створена тиском іонів робочого тіла на стінки камери 23) та кулонівського компоненту (сила кулонівського відштовхнення позитивно заряджених іонів 21 від стінок камери 23). В порівнянні з прототипом, запропонований пристрій має ряд переваг: - 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 - збільшення портативності пристрою; - за рахунок можливості зменшення розмірів пристрою - значно зменшуються економічні витрати на створення таких систем при тій же отриманої силі тяги; - за рахунок можливості зменшення розмірів пристрою зменшується обсяг плазми, що одночасно утримується у реакторному відсіку, що у разі аварійного вибуху представляє меншу загрозу для навколишнього середовища і таким чином підвищує безпечність цього пристрою; - за рахунок розміщення обмоток МГД-генераторів у проекції центральних каналів двох обмоток, розташованих по полюсам камери 1, дозволяє без зайвих втрат більшу частину виділених іонів при емісії використати для отримання механічного імпульсу; - за рахунок використання кулонівського відштовхнення іонів від стінок камери 23 двигуна є можливість збільшення сили тяги при тій же масі використаного робочого тіла (позитивно заряджених іонів), а також можливість підвищення температури робочого тіла за рахунок термоізоляції стінок камери 23 від однойменно заряджених іонів високотемпературної плазми, що додатково зменшує кількість використуємого робочого тіла при тій же отриманої силі тяги та дозволяє підвищити швидкість руху апарату, до котрої його може прискорити такий двигун. 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.