Magnetohydrodynamisk stasjon - Magnetohydrodynamic drive
En magnetohydrodynamisk stasjon eller MHD -akselerator er en metode for fremdrift av kjøretøyer som kun bruker elektriske og magnetiske felt uten bevegelige deler , og akselererer et elektrisk ledende drivmiddel ( væske eller gass ) med magnetohydrodynamikk . Den væske er rettet mot baksiden og som en reaksjon , akselererer fremover kjøretøyet.
De første studiene som undersøkte MHD innen marin fremdrift, dateres tilbake til begynnelsen av 1960 -årene.
Noen få store prototyper har blitt bygget, ettersom marin MHD-fremdrift forblir upraktisk på grunn av den lave effektiviteten , begrenset av lav elektrisk ledningsevne til sjøvann . Økende strømtetthet er begrenset av Joule -oppvarming og vannelektrolyse i nærheten av elektroder , og økning av magnetfeltstyrken er begrenset av kostnad, størrelse og vekt (samt teknologiske begrensninger) til elektromagneter og kraften som er tilgjengelig for å mate dem.
Sterkere tekniske begrensninger gjelder for luftpustende MHD-fremdrift (der luften er ionisert) som fremdeles er begrenset til teoretiske konsepter og tidlige eksperimenter.
Plasmadriftsmotorer som bruker magnetohydrodynamikk for romforskning har også blitt studert aktivt ettersom slik elektromagnetisk fremdrift gir høyt trykk og høy spesifikk impuls samtidig, og drivmidlet vil vare mye lenger enn kjemiske raketter .
Prinsipp
Arbeidsprinsippet innebærer akselerasjon av en elektrisk ledende væske (som kan være en væske eller en ionisert gass som kalles plasma ) av Lorentz -kraften , som er et resultat av tverrproduktet av en elektrisk strøm ( ladningsbærere akselerert av et elektrisk felt påført mellom to elektroder ) med et vinkelrett magnetfelt . Lorentz -kraften akselererer alle ladede partikler (positive og negative arter) i samme retning uansett tegn, og hele væsken blir dratt gjennom kollisjoner . Som en reaksjon blir kjøretøyet satt i bevegelse i motsatt retning.
Dette er det samme arbeidsprinsippet som en elektrisk motor (nærmere bestemt en lineær motor ) bortsett fra at i en MHD -stasjon erstattes den roterende rotoren med væsken som virker direkte som drivmiddel . Som med alle elektromagnetiske enheter er en MHD -akselerator reversibel: hvis arbeidsfluidet i bevegelse beveger seg relativt til magnetfeltet, forårsaker ladningsseparasjon en elektrisk potensialforskjell som kan utnyttes med elektroder : enheten fungerer da som en strømkilde uten bevegelse deler, som omdanner den kinetiske energien til den innkommende væsken til elektrisitet , kalt en MHD -generator .
.svg)
Siden Lorentz -kraften i en MHD -omformer ikke virker på en enkelt isolert ladet partikkel eller på elektroner i en fast elektrisk ledning , men på en kontinuerlig ladningsfordeling i bevegelse, er det en "volumetrisk" (kropp) kraft, en kraft per enhet volum:
hvor f er den styrke tetthet (kraft pr volumenhet), p det ladningstetthet (per enhet volum), E den elektriske felt , J den strømtetthet (strøm pr arealenhet) og B den magnetiske feltet .
Typologi
MHD -thrustere er klassifisert i to kategorier i henhold til måten de elektromagnetiske feltene fungerer på:
- Ledningsanordninger når en likestrøm strømmer i væsken på grunn av en påført spenning mellom par av elektroder, idet magnetfeltet er stabilt.
- Induksjon enheter når vekselstrømmer som induseres ved en hurtig varierende magnetfelt, som virvelstrømmer . Ingen elektroder kreves i dette tilfellet.
Siden induksjons -MHD -akseleratorer er elektrodeløse, viser de ikke de vanlige problemene knyttet til ledningssystemer (spesielt Joule -oppvarming, bobler og redoks fra elektrolyse), men trenger mye mer intense toppmagnetfelt for å fungere. Siden et av de største problemene med slike thrustere er den begrensede energien som er tilgjengelig ombord, har det ikke blitt utviklet induksjons-MHD-stasjoner fra laboratoriet.
Begge systemene kan sette arbeidsvæsken i bevegelse i henhold til to hoveddesigner:
- Intern strømning når væsken akselereres inne og drives tilbake ut av en dyse med rørformet eller ringformet tverrsnitt , og MHD-interaksjonen er konsentrert i røret (på samme måte som rakett- eller jetmotorer ).
- Ekstern strømning når væsken akselereres rundt hele det fuktede området av kjøretøyet, og de elektromagnetiske feltene strekker seg rundt karosseriet. Fremdriftskraften skyldes trykkfordelingen på skallet (som løft på en vinge , eller hvordan ciliate mikroorganismer som Paramecium flytter vann rundt dem).
Interne strømningssystemer konsentrerer MHD -interaksjonen i et begrenset volum, og bevarer stealth -egenskapene. Eksterne feltsystemer har tvert imot muligheten til å virke på en meget stor overflate av vannmengden rundt med høyere effektivitet og evne til å redusere motstand , noe som øker effektiviteten ytterligere.
Marine fremdrift
MHD har ingen bevegelige deler, noe som betyr at en god design kan være lydløs, pålitelig og effektiv. I tillegg eliminerer MHD -designen mange av slitasje- og friksjonsdelene på drivverket med en direkte drevet propell fra en motor. Problemer med dagens teknologi inkluderer utgifter og lav hastighet sammenlignet med en propell som drives av en motor. Ekstrautgiften kommer fra den store generatoren som må drives av en motor. En så stor generator er ikke nødvendig når en motor driver propellen direkte.
Den første prototypen, en 3 meter (10 fot) lang ubåt kalt EMS-1, ble designet og testet i 1966 av Stewart Way, professor i maskinteknikk ved University of California, Santa Barbara . Way, i permisjon fra jobben sin hos Westinghouse Electric , tildelte studenter på senioråret å bygge den operative enheten. Denne ubåten MHD opererte på batterier som leverte strøm til elektroder og elektromagneter, noe som ga et magnetfelt på 0,015 tesla. Cruisehastigheten var omtrent 0,4 meter per sekund (15 tommer per sekund) under testen i bukten Santa Barbara, California , i samsvar med teoretiske spådommer.
Senere oppnådde en japansk prototype, den 3,6 meter lange "ST-500", hastigheter på opptil 0,6 m/s i 1979.
I 1991 ble verdens første prototype Yamato 1 i full størrelse fullført i Japan etter 6 års forskning og utvikling (FoU) av Ship & Ocean Foundation (senere kjent som Ocean Policy Research Foundation ). Skipet fraktet med hell et mannskap på ti pluss passasjerer i hastigheter på opptil 15 km/t (8,1 kn) i Kobe havn i juni 1992.
Småskipsmodeller ble senere bygget og studert mye i laboratoriet, noe som førte til vellykkede sammenligninger mellom målingene og den teoretiske forutsigelsen av skipsterminalhastigheter.
Militær forskning om undervanns MHD-fremdrift inkluderte høyhastighets torpedoer , fjernstyrte undervannskjøretøyer (ROV), autonome undervannsbiler (AUV), opptil større slike som ubåter .
Flydrift
Passiv strømningskontroll
Første studier av samspillet mellom plasma med hypersoniske strømmer rundt biler daterer seg tilbake til slutten av 1950, med konseptet med en ny type termisk beskyttelse system for romkapsler under høy hastighet reentry . Ettersom lavtrykksluft naturlig ioniseres ved så høye hastigheter og høyder, ble det antatt å bruke effekten av et magnetfelt produsert av en elektromagnet for å erstatte termiske ablative skjold med et "magnetisk skjold". Hypersonisk ionisert strøm samhandler med magnetfeltet og induserer virvelstrømmer i plasmaet. Strømmen kombineres med magnetfeltet for å gi Lorentz -krefter som motsetter strømmen og løsne baugesjokkbølgen lenger foran kjøretøyet, og senker varmestrømmen som skyldes den brutale kompresjonen av luft bak stagnasjonspunktet . Slike passive strømningskontrollstudier pågår fortsatt, men en storstilt demonstrator må ennå ikke bygges.
Aktiv flytkontroll
Aktiv strømningskontroll av MHD -kraftfelt tvert imot innebærer en direkte og imperious handling av krefter for lokalt å akselerere eller bremse luftstrømmen , endre hastigheten, retningen, trykket, friksjonen, varmefluksparametrene for å bevare materialer og motorer mot stress , slik at hypersonisk flytur . Det er et felt av magnetohydrodynamikk også kalt magnetogasdynamikk , magnetoaerodynamikk eller magnetoplasma aerodynamikk , ettersom arbeidsvæsken er luften (en gass i stedet for en væske) ionisert for å bli elektrisk ledende (et plasma).
Luftionisering oppnås i stor høyde (elektrisk ledningsevne for luft øker ettersom atmosfæretrykket reduseres i henhold til Paschens lov ) ved bruk av forskjellige teknikker: høyspenning elektrisk lysbueutladning , RF ( mikrobølger ) elektromagnetisk glødutladning , laser , e-stråle eller betatron , radioaktiv kilde ... med eller uten såing av potensielle alkalisubstanser med lav ionisering (som cesium ) i strømmen.
MHD -studier brukt på luftfart prøver å utvide domenet til hypersoniske fly til høyere Mach -regimer:
- Handling på grenselaget for å forhindre at laminær strømning blir turbulent.
- Demping av sjokkbølger for termisk kontroll og reduksjon av bølgedrag og formmotstand. Noen teoretiske studier tyder på at strømningshastigheten kan kontrolleres overalt på et fuktet område av et fly, så sjokkbølger kan bli fullstendig avbrutt ved bruk av nok strøm.
- Innløpsflytkontroll.
- Reduksjon av luftstrømshastighet oppstrøms for å mate en scramjet ved bruk av en MHD -generatorseksjon kombinert med en MHD -akselerator nedstrøms ved eksosdysen, drevet av generatoren gjennom et MHD -bypass -system.
Det russiske prosjektet Ayaks (Ajax) er et eksempel på et MHD-kontrollert hypersonisk flykonsept. Det finnes også et amerikansk program for å designe et hypersonisk MHD -bypass -system, Hypersonic Vehicle Electric Power System (HVEPS). En fungerende prototype ble fullført i 2017 under utvikling av General Atomics og University of Tennessee Space Institute , sponset av US Air Force Research Laboratory . Disse prosjektene tar sikte på å utvikle MHD-generatorer som mater MHD-akseleratorer for en ny generasjon høyhastighetsbiler. Slike MHD -bypass -systemer er ofte designet rundt en scramjet -motor, men enklere å designe turbojets blir også vurdert, så vel som subsoniske ramjets .
Slike studier dekker et felt med resistiv MHD med magnetisk Reynolds nummer using 1 ved bruk av ikke -termiske svakt ioniserte gasser, noe som gjør utviklingen av demonstranter mye vanskeligere å realisere enn for MHD i væsker. "Kalde plasmaer" med magnetfelt er utsatt for elektrotermisk ustabilitet som oppstår ved en kritisk Hall-parameter, noe som gjør utvikling i full skala vanskelig.
Utsikter
MHD -fremdrift har blitt ansett som det viktigste fremdriftssystemet for både marine- og romskip, siden det ikke er behov for å produsere heis for å motvirke jordens tyngdekraft (på grunn av oppdrift ) eller i rommet (på grunn av vektløshet ), noe som er utelukket ved flyging i atmosfæren .
Med tanke på det nåværende problemet med den elektriske strømkilden som er løst (for eksempel med tilgjengeligheten av en mangelfull multi-megawatt kompakt fusjonsreaktor ), kan man imidlertid forestille seg fremtidige fly av en ny type som er lydløst drevet av MHD-akseleratorer, i stand til å ionisere og dirigere nok luft nedover til å løfte flere tonn . Ettersom eksterne strømningssystemer kan kontrollere strømmen over hele det fuktede området, og begrense termiske problemer ved høye hastigheter, ville omgivelsesluften ionisert og radielt akselerert av Lorentz -krefter rundt et aksesymmetrisk legeme (formet som en sylinder , en kjegle , en kule ...), hele flyrammen er motoren. Løft og støt vil oppstå som en konsekvens av en trykkforskjell mellom de øvre og nedre overflatene, forårsaket av Coandă -effekten . For å maksimere en slik trykkforskjell mellom de to motsatte sidene, og siden de mest effektive MHD-omformerne (med høy Hall-effekt ) er skiveformede, vil slike MHD-fly fortrinnsvis bli flatet for å ta form av et bikonvekst objektiv . Den hadde ingen vinger eller luftmotorer , og ville ikke ha noen likhetstrekk med konvensjonelle fly, men den ville oppføre seg som et helikopter hvis rotorblad ville blitt erstattet av en "rent elektromagnetisk rotor" uten noen bevegelige deler og suge luften nedover. Slike konsepter for flygende MHD -disker har blitt utviklet i fagfellevurderingslitteraturen fra midten av 1970 -tallet , hovedsakelig av fysikerne Leik Myrabo med Lightcraft , og Subrata Roy med Wingless Electromagnetic Air Vehicle (WEAV).
Disse futuristiske visjonene har blitt annonsert i media, selv om de fortsatt er utenfor rekkevidden til moderne teknologi.
Romfartøyets fremdrift
En rekke eksperimentelle metoder for fremdrift av romfartøyer er basert på magnetohydrodynamikk. Siden denne typen MHD -fremdrift involverer komprimerbare væsker i form av plasma (ioniserte gasser) blir det også referert til som magnetogasdynamikk eller magnetoplasmadynamikk .
I slike elektromagnetiske thrustere er arbeidsvæsken det meste av tiden ionisert hydrazin , xenon eller litium . Avhengig av drivstoffet som brukes, kan det frøes med alkali som kalium eller cesium for å forbedre dets elektriske ledningsevne. Alle ladede arter i plasmaet, fra positive og negative ioner til frie elektroner, så vel som nøytrale atomer ved effekten av kollisjoner, akselereres i samme retning av Lorentz "kropp" -kraft, som skyldes kombinasjonen av et magnetfelt med et ortogonalt elektrisk felt (derav navnet "tverrfeltakselerator"), og disse feltene er ikke i akselerasjonsretningen. Dette er en grunnleggende forskjell med ionthrustere som er avhengige av elektrostatikk for å akselerere bare positive ioner ved å bruke Coulomb -kraften langs et høyspent elektrisk felt.
De første eksperimentelle studiene som involverte plasmacceleratorer på tvers av felt (firkantede kanaler og rakettdyser) dateres tilbake til slutten av 1950-tallet. Slike systemer gir større skyvekraft og høyere spesifikk impuls enn konvensjonelle kjemiske raketter og til og med moderne ionedrev, på bekostning av en høyere nødvendig energitetthet.
Noen enheter har også studert i dag, i tillegg til tverrfeltakseleratorer, inkluderer magnetoplasmadynamisk thruster noen ganger referert til som Lorentz kraftakselerator (LFA), og den elektrodeløse pulserende induktive thrusteren (PIT).
Selv i dag er disse systemene ikke klare til å bli skutt opp i verdensrommet, ettersom de fremdeles mangler en passende kompakt kraftkilde som tilbyr nok energitetthet (for eksempel hypotetiske fusjonsreaktorer ) til å mate de kraftgrådige elektromagneter , spesielt pulserende induktive. Den raske ablasjonen av elektroder under den intense termiske strømmen er også en bekymring. Av disse grunnene forblir studier stort sett teoretiske og eksperimenter utføres fortsatt i laboratoriet, selv om det har gått over 60 år siden den første forskningen på denne typen thrustere.
Skjønnlitteratur
Oregon, et skip i Oregon Files -serien med bøker av forfatteren Clive Cussler , har en magnetohydrodynamisk stasjon. Dette gjør at skipet kan snu veldig skarpt og bremse umiddelbart, i stedet for å glide noen få miles. I Valhalla Rising , skriver Clive Cussler samme stasjonen i strømtilførselen av Captain Nemo 's Nautilus .
Filmatiseringen av The Hunt for Red October populariserte den magnetohydrodynamiske stasjonen som en "larvekjøring" for ubåter , en nesten uoppdagbar "stille stasjon" som var ment å oppnå stealth i ubåtkrigføring . I virkeligheten ville strømmen som beveger seg gjennom vannet skape gasser og støy, og magnetfeltene ville indusere en påviselig magnetisk signatur. I filmen ble det antydet at denne lyden kunne forveksles med geologisk aktivitet. I romanen som filmen ble tilpasset fra, var larven som Red October brukte faktisk en pumpestråle av den såkalte "tunnel drive" -typen (tunnelene ga akustisk kamuflasje for kavitasjonen fra propellene).
I Ben Bova -romanen The Precipice , skipet der noe av handlingen fant sted, Starpower 1, bygget for å bevise at leting og gruvedrift av Asteroidebeltet var gjennomførbart og potensielt lønnsomt, hadde en magnetohydrodynamisk stasjon paret til et fusjonskraftverk .
Se også
- Elektrohydrodynamikk
- Liste over plasma (fysikk) artikler
- Lorentz -kraft , relaterer elektriske og magnetiske felt til fremdriftskraft