Магнитогидродинамический генератор

 

Изобретение относится к источникам электрической энергии и может быть использовано на космических летательных аппаратах, входящих в атмосферу с высокой скоростью. Сущность изобретения: источником высокоскоростной плазмы магнитогидродинамического генератора является слой атмосферы, преобразованный в плазму при соприкосновении с обшивкой космического летательного аппарата, входящего в атмосферу с высокой скоростью. При этом источник начального магнитного возбуждения выполнен в виде катушки электромагнита, питаемой от аккумулятора через электроды, замыкаемые электропроводящей плазмой при ее наличии. Технический результат: существенное упрощение магнитогидродинамического генератора, повышение его надежности и снижение массогабаритных параметров. 5 ил.

Изобретение относится к источникам электрической энергии и может быть использовано на космических летательных аппаратах (КЛА), входящих в атмосферу с высокой скоростью.

Известны [1] источники электрического тока КЛА, которые представляют собой солнечные батареи. Но солнечные батареи громоздки и не могут быть использованы на участке вхождения КЛА в атмосферу.

Известен [2] магнитогидродинамический генератор (МГДГ), который включает в себя магнитное устройство в виде катушки электромагнита, источник скоростной электропроводящей плазмы, движущейся ортогонально вектору магнитного поля, и токосъемные электроды. Источник плазмы представляет собой камеру сгорания с соплом, разгоняющим плазму (рабочее тело МГДГ) до скорости 2000 м/с.

Известен [3] источник скоростной электропроводящей плазмы, т.е. источник рабочего тела МГДГ, который включает в себя взрывную камеру и сверхзвуковое сопло.

Наиболее близким к предлагаемому является [4] МГДГ, который включает в себя источник начального магнитного возбуждения, источник рабочего магнитного возбуждения, питаемый с положительной обратной связью от выхода МГДГ, источник высокоскоростной плазмы - рабочего тела МГДГ, представляющий собой сопло и камеру сгорания специальных плазменных топлив, и токосъемные электроды.

Недостатком такого МГДГ в применении на КЛА является необходимость иметь сопло и камеру сгорания специальных плазменных топлив, в то время как на КЛА, входящем в атмосферу с высокой скоростью, уже имеется плазма, образуемая от трения слоев воздуха об обшивку КЛА.

Техническим результатом заявляемого решения является существенное упрощение МГДГ, повышение его надежности и, как следствие, снижение массогабаритных параметров.

Технический результат достигается тем, что в МГДГ, включающем в себя источник начального магнитного возбуждения, источник рабочего магнитного возбуждения, питаемый с положительной обратной связью от выхода магнитогидродинамического генератора, источник высокоскоростной плазмы и токосъемные электроды, источником высокоскоростной плазмы магнитогидродинамического генератора является слой атмосферы, преобразованный в плазму при соприкосновении с обшивкой космического летательного аппарата, входящего в атмосферу с высокой скоростью, а источник начального магнитного возбуждения выполнен в виде катушки электромагнита, питаемой от аккумулятора через электроды, замыкаемые электропроводящей плазмой при ее наличии.

Для начального магнитного возбуждения использована катушка рабочего магнитного возбуждения, а специальная - отсутствует. Это дает дополнительное упрощение всего устройства.

Повышение надежности МГДГ достигнуто также тем, что катушка электромагнита начального (управляющего, она же и рабочего) магнитного возбуждения подключена к аккумулятору через наружные электроды, замыкаемые электропроводящей плазмой только при ее наличии. Иначе говоря, простота схемы автоматического включения МГДГ обеспечивает его высокую надежность. Простота упомянутой схемы обусловлена, во-первых, использованием катушки электромагнита для выполнения сразу двух функций (начального и рабочего возбуждения) и, во-вторых, тем, что пространство между управляющим и рабочим электродами использовано для замены сразу трех элементов:

- датчика наличия плазмы, т.е. чувствительного элемента,

- исполнительного силового контакта для включения управляющего магнитного возбуждения МГДГ и

- силового контакта для включения выхода МГДГ на нагрузку.

На фиг.1 изображена схема расположения на КЛА составных частей предлагаемого МГДГ.

На фиг.2 изображен вид с боку на предлагаемый МГДГ, расположенный в вырезе КЛА, а также схема подключения МГДГ к аккумулятору и нагрузке.

На фиг.3 изображен вид с верху на предлагаемый МГДГ, где видны только его электроды, а катушка обозначена пунктиром, т.к. она находится под обшивкой КЛА.

На фиг.4 изображена электрическая схема включения катушек электромагнита начального от аккумулятора и рабочего магнитного возбуждения от выхода МГДГ.

На фиг.5 изображены приближенные эпюры тока I_a аккумулятора и магнитной индукции В_мгдг, создаваемой катушками МГДГ.

На фиг.1 обозначены:

1 - космический летательный аппарат (КЛА), входящий в атмосферу с высокой скоростью;

2 - катушка электромагнита начального магнитного возбуждения;

3, 4 - электроды включения электромагнита начального магнитного возбуждения;

4, 5 - выходные токосъемные рабочие электроды МГДГ;

6 - обшивка космического летательного аппарата;

7 - аккумулятор, предназначенный для начального возбуждения МГДГ и накопления от него энергии на интервале времени наличия плазмы.

На фиг.2 обозначены:

1 - космический летательный аппарат, входящий в атмосферу с высокой скоростью;

2 - катушка (одна или несколько) электромагнита магнитного возбуждения;

3, 4 - электроды включения электромагнита начального магнитного возбуждения;

4, 5 - выходные токосъемные рабочие электроды МГДГ;

6 - обшивка космического летательного аппарата;

7 - аккумулятор;

8 - нагрузка МГДГ;

В_мгдг - вектор магнитной индукции МГДГ;

Vпл - вектор скорости движения вектора магнитной индукции В_мгдг относительно плазмы;

Е - вектор ЭДС между рабочими электродами 4 и 5.

На фиг.3 обозначены:

1 - космический летательный аппарат, входящий в атмосферу с высокой скоростью;

2 - катушка электромагнита магнитного возбуждения;

3, 4 - электроды включения электромагнита начального магнитного возбуждения;

4, 5 - выходные токосъемные рабочие электроды МГДГ;

6 - обшивка космического летательного аппарата;

В_мгдг - вектор магнитной индукции МГДГ;

Vпл - вектор скорости движения вектора магнитной индукции В_мгдг относительно плазмы;

Е - вектор ЭДС между рабочими электродами 4 и 5.

На фиг.4 обозначены:

2 - катушка электромагнита магнитного возбуждения;

3, 9 - электроды включения электромагнита начального магнитного возбуждения;

7 - аккумулятор;

8 - нагрузка МГДГ.

9, 10, 11, 12 - токосъемные рабочие электроды МГДГ, которые выполнены секционированными для снижения влияния эффекта Холла.

На фиг.5 обозначены:

t - ось времени;

t₀ - момент времени, когда ЭДС от МГДГ равна ЭДС аккумулятора;

В_мгдг- приближенная эпюра изменения во времени магнитной индукции (пунктирная линия), создаваемой катушками МГДГ;

I_а - приближенная эпюра изменения во времени t тока аккумулятора.

Работает магнитогидродинамический генератор следующим образом.

При нахождении КЛА выше атмосферы (в безвоздушном пространстве) МГДГ не действует. Но при вхождении КЛА в атмосферу с высокой скоростью, в результате трения атмосферы об обшивку 6, на поверхности обшивки образуется высокотемпературная и поэтому электропроводящая плазма (фиг.1 и фиг.2), которая замыкает электроды 3 и 4 (фиг.3). В результате этого через катушку 2 начинает протекать ток I_а от аккумулятора 7 и в ней возникает начальное магнитное поле с индукцией В_мгдг (фиг.2 и фиг.3), которое движется относительно плазмы со скоростью v_пл под прямым углом и поэтому генерирует в катушке 2 через токосъемные рабочие электроды 4 и 5 электрический ток.

Протекание тока через аккумулятор поясняется сплошной кривой I_а, изображенной на фиг.5. Из этой кривой I_a видно, что в начале, при малой мощности плазмы, аккумулятор разряжается (отрицательная часть кривой I_а), но при увеличении мощности плазмы и увеличении индукции В_мгдг ЭДС на электродах 4 и 5 (фиг.3) возрастает и с момента t_o (фиг.5) превосходит ЭДС аккумулятора 7 и он начинает заряжаться от МГДГ (положительная часть кривой I_a).

Закономерность протекания тока через катушку 2 полностью совпадает с закономерностью изменения ее индукции В_мгдг (фиг.5).

Поскольку катушка 2 (фиг.1 и фиг.3) включена с положительной обратной связью по магнитному полю, то величина индукции В_мгдг этого поля усиливается (фиг.5) до величины, определяемой мощностью потока плазмы. Мощность потока плазмы определяется числом ионов, протекающих в секунду между электродами МГДГ. При исчезновении плазмы исчезает и поле с индукцией В_мгдг.

В варианте исполнения МГДГ с аккумулятором и несколькими катушками (фиг.4) его работа в основном аналогична работе МГДГ с аккумулятором и одной катушкой (фиг.3). Отличие состоит в том, что дополнительные катушки 2, подключенные к выходу МГДГ через токосъемные рабочие электроды 11 и 12, не участвуют в зарядке аккумулятора, а также в том, что электроды 11 и 12 секционированы и этим снижают отрицательное влияние эффекта Холла [2] на работу МГДГ.

Литература

1. Специальные электрические машины. Ред. А.И. Бертинов. М.: Энергоиздат, 1982, с. 444.

2. Специальные электрические машины. Ред. А.И. Бертинов. М.: Энергоиздат, 1982, с. 508...512.

3. А.А. Иваненко, А.А. Якушев. Источник рабочего тела МГД-генератора. Патент RU 2141160 С1, МПК Н 02 К 44/08, 10.11.1999 г.

4. А.В. Писакин и др. Самовозбуждающийся МГД-генратор. Заявка RU 93034806 А, МПК Н 02 К 44/08, 27.12.1995 г. (Прототип).

Формула изобретения

Магнитогидродинамический генератор, включающий в себя источник начального магнитного возбуждения, источник рабочего магнитного возбуждения, питаемый с положительной обратной связью от выхода магнитогидродинамического генератора, источник высокоскоростной плазмы и токосъемные электроды, отличающийся тем, что источником высокоскоростной плазмы магнитогидродинамического генератора является слой атмосферы, преобразованный в плазму при соприкосновении с обшивкой космического летательного аппарата, входящего в атмосферу с высокой скоростью, а источник начального магнитного возбуждения выполнен в виде катушки электромагнита, питаемой от аккумулятора через электроды, замыкаемые электропроводящей плазмой при ее наличии.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5