Ядерный автомобильный двигатель

Изобретение относится к области машиностроения, более конкретно - к новому типу автомобильного двигателя. Технический результат изобретения - замена в двигателе энергоносителя в виде нефтепродуктов на энергоноситель в виде изотопов легких элементов при сохранении основной структуры современного автомобиля. Ядерный автомобильный двигатель состоит из следующих частей: цилиндра, поршня, кривошипно-шатунного механизма, механизма синхронизации работы двигателя, ленты с коническими мишенями и бобинами, направляющих валиков, контакта включения лазера и источников электропитания. Для согласования работы частей двигателя применяется механизм синхронизации, включающий передачу из перпендикулярных шестерен, связанную с коленчатым валом, шток и червячную передачу, передвигающую каждую коническую мишень в положение напротив центра поршня. Ведущая шестерня перпендикулярных шестерен имеет через определенные интервалы участки с отсутствием зубцов, вследствие чего на этом участке ведомая шестерня не поворачивается, а лента, на которой укреплены конусы, останавливается. При прохождении указанного участка лазер генерирует импульс излучения, который, падая на коническую мишень, инициирует в вершине конуса сгусток плазмы, вылетающий из нее и падающий на поршень. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемый ядерный автомобильный двигатель ЯАД относится к области машиностроения, более конкретно - к новому типу автомобильного двигателя.

Основная цель ЯАД - заменить энергоноситель современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания ДВС, применяющий нефтепродукты, на энергоноситель в виде изотопов легких элементов, выделяющих внутриядерную энергию в результате термоядерного синтеза небольшой массы этих элементов. При этой замене сохраняется основная структура современного автомобиля. Необходимость указанной замены энергоносителя обусловлена полной выработкой ряда нефтяных месторождений через несколько десятков лет и стремлением ликвидировать загрязнение окружающей среды отработанными газами.

Предлагаемый ЯАД должен быть по массе и габаритам не больше ДВС и быть экологически безопасным.

Таким образом, прототипом ЯАД является современный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, поршень, кривошипно-шатунный механизм, механизм приготовления и поджига энергоносителя, системы охлаждения и смазки и др.

В ЯАД в качестве энергоносителя применяется изотоп гелия - газообразный гелий-3. Выделение внутриядерной энергии происходит в результате ядерной реакции синтеза:

Данная реакция осуществляется в вершине твердотельного конуса (коническая мишень) под воздействием импульса лазерного излучения. Коническая мишень заполняется гелием-3 при изготовлении и устанавливается в результате передвижения ее в положение напротив центра поршня. Указанное излучение, падая на основание конуса, вызывает испарение гелия, создание ударных волн, которые, отражаясь от стенок конуса, сжимают гелий-3 в вершине конуса и увеличивают температуру в нем до термоядерной 10⁷ К.

За время действия лазерного импульса происходит инерциальный термоядерный синтез в режиме "лазерной искры" в малом объеме гелия-3 в вершине конуса. Для возбуждения режима "лазерной искры" требуется значительно меньше энергии лазера, чем для возбуждения режима зажигания сферической мишени.

Таким образом, в вершине конуса образуется под действием "лазерной искры" сжатая плазма, которая прожигает вершину оболочки конуса, вылетает в виде сгустка наружу и падает на поршень. Образование сгустка плазмы и вылет его из вершины конуса подтверждено экспериментально и рассмотрено в ряде научных публикаций. Например, в статье "Импульсное сжатие и нагрев газа в конической мишени". Труды Института общей физики РАН №36, Москва, Наука, 1992 (стр. 19, 41). В режиме "лазерной искры" скорость вылета сгустка плазмы 10⁷ см/с, температура сгустка 10³°С.

В ЯАД вылетевший с большой скоростью сгусток плазмы ударяется о верхнюю плоскость поршня и заставляет ее передвигаться. В ЯАД конические мишени укрепляются на эластичной перфорированной ленте, передвигаемой синхронно с поворотом коленчатого вала (см. ниже).

Конструкция ядерного автомобильного двигателя приведена на чертеже, на котором части ЯАД обозначены в соответствии с нижеследующим перечнем.

Ядерный автомобильный двигатель состоит из следующих частей:

1. Цилиндр.

2. Поршень.

3. Кривошипно-шатунный механизм.

4. Коленчатый вал.

5. Механизм синхронизации работы двигателя.

6. Лента с коническими мишенями и бобинами.

7. Направляющие валики.

8. Лазерное устройство.

9. Контакт включения лазера.

10. Источники электропитания.

Части 1-4 служат, как и в любом автомобильном двигателе, для преобразования прямолинейного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. В ЯАД прямолинейное движение поршня происходит под действием сгустка плазмы с температурой 10³°С. Поэтому верхнее основание поршня покрыто пластинкой из тугоплавкого материала.

Механизм синхронизации работы двигателя 5 служит для согласования вылета сгустка плазмы с установкой очередного конуса ленты напротив центра основания поршня и нахождением поршня в верхнем положении. Указанный механизм состоит из передачи перпендикулярных шестерен 5.1, штока 5.2, червячной передачи 5.3, которая передвигает ленту на фиксированный шаг.

Рассмотрим цикл работы механизма синхронизации. Ведущая шестерня пары 5.1 имеет через определенный интервал участки с отсутствием зубцов, вследствие чего на этих участках ведомая шестерня пары 5.1 не поворачивается. К моменту начала отсутствия сцепления лента передвигается в положение, когда очередной конус располагается напротив центра поршня. При прохождении каждого из указанных участков срабатывает контакт включения лазера 9, укрепленный на штоке 5.2. При этом лазер генерирует импульс колебаний и создает лазерный луч, который падает на основание конуса и инициирует сгусток плазмы, вылетающий в направлении поршня. После прохождения указанного участка ведущая шестерня пары 5.1 вновь входит в зацепление с ведомой, и передвигается лента. Каждый раз в момент остановки ленты поршень находится в верхнем положении. Таким образом, указанные участки задают циклы работы двигателя.

Лента с коническими мишенями 6 служит для крепления конусов и установки очередного конуса напротив центра поршня. Лента по краям перфорирована и передвигается при вращении шестерни червячной передачи. Лента из легкого металла эластична и свертывается в бобины (ведущая и ведомая бобина). Передвижение ленты подобно передвижению фотопленки в фотоаппарате. По использованию всех конусов ленты бобины заменяются вручную на новые. Дальность пробега автомобиля без замены бобин зависит от количества конусов в ленте и, следовательно, от диаметра бобин. При применяемых в настоящее время размерах автомобиля бобины рассчитываются на пробег в 1000 км. Ширина ленты 36 мм, толщина ленты 2 мм. Размеры конуса: диаметр основания 3 мм, угол при вершине конуса - 60° . Ядерное вещество - гелий-3 содержится в полимерном конусе, который вклеивается в конус материала ленты.

Направляющие валики 7 служат для фиксации направления движения ленты. Они по краям содержат зубцы, которые входят в перфорационные отверстия ленты, и поворачиваются при движении ленты.

Лазерное устройство 8 служит для создания импульса излучения, который после концентрации фокусирующей линзой и отражения от зеркала, расположенного под углом 45° к оси цилиндра, падает на основание очередного конуса ленты. В качестве лазерного устройства в ЯАД применяется решетка импульсных полупроводниковых инжекционных лазеров как имеющая малые габариты и сравнительно большой КПД. Накачка лазеров решетки производится импульсом тока параллельно для всех лазеров.

Для возбуждения режима "лазерной искры" в конической мишени требуется энергия в импульсе порядка 40 кДж. В настоящее время отечественной промышленностью (завод "Восход", г. Калуга) выпускаются импульсные полупроводниковые лазеры с непрерывной (средней) мощностью 100 Вт (с охлаждением). Импульсный режим: длительность импульса - 1 мс, частота повторения импульсов - до 100 Гц (период 0,01 с). Отсюда мощность в импульсе равна 100-0,01/10³=1000 Вт, энергия в импульсе 1000/10³=10⁶ Дж.

Контакт включения лазера 9 служит для создания импульса напряжения, подаваемого на блок накачки лазеров в момент остановки штока 5.2. Этот контакт укреплен на штоке 5.2 и представляет собой электромеханический механизм. Начальный импульс включения лазера при запуске двигателя подается с помощью кнопки на передней панели автомобиля.

Источники электропитания 10 обеспечивают электроэнергией лазерное устройство и представляют собой малогабаритные кадмий-литиевые или литиево-сульфидные элементы с напряжением 1,5 В.

Двигатель имеет систему охлаждения и смазки подобно двигателям внутреннего сгорания. Так как в ЯАД происходят микровзрывы, то ЯАД устанавливается на амортизаторах.

Выше был рассмотрен одноцилиндровый двигатель.

Для увеличения мощности двигателя количество цилиндров может быть увеличено до 4-6.

В автомобиле с ЯАД все передачи от коленчатого вала к ведущим колесам, рулевое и тормозное управление и др. не изменяются по сравнению с автомобилем с ДВС. Лазерное устройство устанавливается на месте карбюратора и других устраняемых частей. Поэтому основная структура (архитектура) современного автомобиля сохраняется.

Регулировка скорости автомобиля в автомобиле с ЯАД более быстрая и глубокая по сравнению с автомобилем с ДВС, так как в автомобиле с ЯАД она производится, кроме коробки передач, изменением частоты и мощности лазерных импульсов в некоторых пределах и, следовательно, частоты и скорости сгустков плазмы, падающих на цилиндр. Изменение мощности лазерных импульсов осуществляется сравнительно легко изменением тока накачки лазера.

Рассмотрим работу ядерного автомобильного двигателя в динамике. Включение двигателя производится нажатием кнопки на передней панели автомобиля. При этом подается импульс напряжения на блок накачки лазерного устройства и совершается первый цикл работы двигателя. В результате этого цикла устанавливается ближайший конус ленты напротив центра поршня, цилиндр приближается к верхнему положению, срабатывает контакт включения лазера на следующий цикл. При этом на блок накачки лазерного устройства подается импульс напряжения. Блок накачки создает импульс тока, который протекает через все лазеры решетки. При накачке лазерное устройство генерирует импульс излучения с длиной волны 0,8-1,0 мкм. Это излучение с помощью фокусирующей линзы концентрируется в лазерный луч с пятном диаметром 1-2 мм на основании очередного конуса ленты. При этом лазерный луч с помощью зеркальной пластинки, установленной под углом 45° к оси цилиндра, изменяет свое направление и падает на основание конуса. При падении лазерного луча испаряется гелий-3, образуются ударные волны, которые, отражаясь от стенок конуса, сходятся в вершине, нагревают и сжимают в ней гелий-3. В вершине конуса повышается температура до 10⁷ К, и происходит термоядерный синтез в режиме "лазерной искры". При этом образуется сгусток плазмы, который прожигает оболочку конуса, вылетает наружу и падает на верхнюю плоскость поршня. Вследствие этого поршень передвигается в прямолинейном направлении. Это передвижение поршня с помощью кривошипнно-шатунного механизма преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Указанное вращение через шестерни 5.1, шток 5.2, червячную передачу 5.3 заставляет передвигаться ленту с конусами. При этом поршень, пройдя нижнее положение по инерции, поднимается в верхнее положение, выталкивая из цилиндра через отверстие продукты прошедшей термоядерной реакции. Как только ведущая шестерня пары 5.1 повернется на участок с отсутствием зубцов, останавливаются ведомая шестерня 5.1, шток 5.2, передача 5.3 и останавливается лента. При остановке штока срабатывает контакт включения лазера на следующий цикл и совершается следующий цикл аналогично предыдущему.

Основное достоинство ядерного автомобильного двигателя - это применение нового энергоносителя - газа гелия-3 вместо энергоносителей на нефтепродуктах экологически безопасным образом при сохранении структуры современного автомобиля. Следует отметить, что изотоп гелий-3 в натуральном виде мало распространен в природе. Но его можно выделить из смеси изотопов гелий-4 и гелий-3, добываемых в ряде газоконденсатных месторождений России, с помощью масс-спектрометрических методов. Кроме того, гелий-3 в большом проценте содержится в лунной пыли.

Организация ее добычи на Луне и доставки на Землю в количестве, достаточном для обеспечения существующего автомобильного парка, вполне выполнима средствами отечественной космической техники.

В качестве энергоносителя в ЯАД может быть применена и смесь дейтерия с тритием, но при этом возникают трудности с обеспечением экологической безопасности процесса в связи с образованием нейтронов в результате термоядерной реакции.

Предлагаемый ЯАД позволяет создать значительно более мощные автомобили и со значительно более быстрой и глубокой регулировкой скорости движения автомобиля.

1. Ядерный автомобильный двигатель, содержащий цилиндр, поршень, кривошипно-шатунный механизм и другие части, отличающийся тем, что он снабжен конической мишенью, заполненной энергоносителем в виде изотопов легких элементов при ее изготовлении и устанавливаемой в результате перемещения в положение напротив центра поршня, с возможностью падения на верхнюю плоскость поршня сгустка плазмы, вылетающей из вершины конуса при воздействии импульсом лазерного излучения на основание конуса мишени.

2. Ядерный автомобильный двигатель по п.1, отличающийся тем, что для перемещения мишени использован механизм, включающий передачу перпендикулярных шестерен, связанную с коленчатым валом, шток и червячную передачу, причем ведущая шестерня передачи перпендикулярных шестерен имеет через определенные интервалы участки без зубьев для задания цикла работы автомобиля.