Lem Andrew. Сила Кулона в ракетостроении

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? За основу можно взять такой процесс как "Обдирку ионов"[20]. Источники ионов для ускорителей дают пучки или сгустки ионов, у которых отсутствуют лишь небольшие количества самых внешних электронов. Для разгона этих ионов до околосветовых скоростей используются многоступенчатые, каскадные схемы ускорения - и между каскадами резонансного ускорения непременно производится обдирка ионов. Для этого ионы пропускаются, например, сквозь фольгу, плотность и толщина которой подобраны так, чтобы данные ионы с данной энергией потеряли дополнительное желаемое количество своих самых внешних электронов. Это 'желаемое количество' диктуется желанием получить ионы с таким отношением заряда к массе, под которое настроен следующий каскад резонансного ускорения. На практике, обдирка даёт некоторый разброс количеств оторванных электронов и соответствующий разброс результирующих отношений заряда к массе. Поэтому после обдирки часть ионов - иногда подавляющая - теряется для дальнейшего ускорения [20]. Так вот все, что нужно так это повторить этот процес но уже с плазмой. Ободрать плазму. Что существенно технически проще чем обдирать ионы. Но суть таже "ионазированный газ" следует пропустить через металлическую сетку, которая будет отбирать свободные электроны. Для отвода свободных электронов фольга ни к чему достаточно "заземленной" сетки.

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 %. Надо как-то перемещать или проталкивать газ сквозь камеры и "обдиратели-сетки". В идеале желательно, что бы ионизированный газ соприкасался только с этими сетками проходя сквозь них отдавая электроны и слабо взаимодействовал с зеркалом трубой. Еще момент. Это просто варварское выбрасывание электронов за пределы корабля в месте с рабочим телом в стандартных ионниках. 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]

Так в своем патенте изобрететаль предлагает 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. Опираясь на генератор искуственного "гравитационного" поля. По сути оно хоть и магнитное поле но ускоряет газ также как и гравитационное создаем принципиальную схему двигателя. Также это же магнитное поле будет защищать стенки камер ионизации от контакта с ионами.

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.

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]. Конденсатор и дополнительная электромагнитная катушка номер два вставленная в систему утилизации электронов, заставляютсвободные электроны совершать перед своей утилизацией полезную работу, дополнительно ускоряя газ в камерах ионизации. За счет диамагнитного ответа на приложенное к ионам внешнее постоянное магнитное поле.

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.

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. 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].

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. Итак в начале нам нужен на борту аппарата эффективный охладитель воздуха увы при комнатной температуре у кислорода парамагнитные свойства отсутствуют. И такой эффективный охладитель способный моментально охлаждать воздух до минус 150 градусов по Цельсию уже есть это AIR PRE-COOLER [22] разработанный для экспериментального двигателя "The SABRE Engine"[21]

Имея такой эффективный охладитель на борту можно адаптировать магнитный сепаратор [5] для получения кислорода и азота под нужды нашего аппарата. Упор сделав на получение именно азота.

Ракета, предварительно может и стоять на месте и с помощью компрессора или некой турбины нагнетать в этот "прямоточный делитель" воздух [5]. Вот и доступ к неограниченному запасу Азота. Понятно, что возможно запатентированная конструкция сепаратора не самая удачная. Но она дана просто для понимания принципа получения кислорода из атмосферы с помощью магнитных полей.

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?

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

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

20. КИНЕМАТИЧЕСКОЕ ОСВОБОЖДЕНИЕ АТОМАРНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ А.А.Гришаев, http://newfiz.info/relions.htm

21. Skylon...Richard Varvill Reaction Engines Talks Sabre. https://www.youtube.com/watch?v=Fdh0xAQ27nM

22. Skylon...Pre-cooler HTX test programme.https://www.youtube.com/watch?v=alc8aCoDsYo

Комментарии: 32, последний от 22/04/2023. © Copyright Lem Andrew (biomarket@ukr.net) Размещен: 12/11/2019, изменен: 27/02/2021. 30k. Статистика. Статья: Изобретательство Летательные машины Иллюстрации/приложения: 37 шт. Скачать FB2		Ваша оценка:
Аннотация: Электрический Реактивный Двигатель на "Кулоновской тяге".

Lem Andrew : другие произведения.

Сила Кулона в ракетостроении