Группа исследователей из института Технических наук университета Ухани, Китай, разработала и продемонстрировала первый в своем роде прототип микроволнового плазменного ускорителя, способного работать в условиях земной атмосферы. И даже в его нынешнем «лабораторном виде» этот ускоритель уже способен производить тягу с эффективностью, сопоставимой с эффективностью турбореактивных двигателей, устанавливаемых на современных авиалайнерах.
Подобные плазменные ускорители, известные еще под названием ионные или плазменно-ионнные двигатели, уже достаточно давно используются в космической технике, ускоряя космические аппараты за счет электрической энергии, получаемой от солнечных лучей. Однако, такие двигатели совершенно не работают в условиях земной атмосферы, во-первых, они вырабатывают крайне малую тягу, и во-вторых, ускоренные ионы ксенона очень быстро теряют энергию из-за столкновений с молекулами воздуха.
В конструкции нового микроволнового плазменного ускорителя используется только электрическая энергия и воздух, тем не менее, он, этот ускоритель, вырабатывает столь значительную тягу, что его уже можно рассматривать в качестве перспективного кандидата на должность двигателя будущего электрического самолета. Это устройство работает, ионизируя воздух, нагнетаемый компрессором, и превращая этот воздух в низкотемпературную плазму, выходящую из сопла под достаточно большим давлением.
Ключевым моментом всего этого является волновод, через который поток микроволнового излучения, вырабатываемый магнетроном частотой 2.45 ГГц и мощностью в 1.1 кВт, подводится к трубе, в которой формируется поток плазмы. За счет особой формы этого волновода поток микроволнового излучения «сжимается» по высоте в два раза, что приводит к увеличению напряженности электрического поля. И именно это позволяет передать воздуху как можно больше энергии в виде тепла, что создает достаточно высокое давление плазмы.
Во время экспериментов исследователи заметили, что высота «плазменного пламени», при условии стабильного потока воздуха, увеличивается при увеличении мощности СВЧ-излучения, вырабатываемого магнетроном. К сожалению, высота плазменного столба была единственной возможностью косвенного измерения создаваемого в трубе давления, ведь любое измерительное устройство было бы моментально разрушено воздействием потока плазмы, температура которой равна приблизительно тысяче градусов.
Для измерения силы тяги, создаваемой микроволновым плазменным ускорителем, исследователи использовали большой полый металлический шар, вес которого можно было изменять, добавляя дополнительные или удаляя стальные дробинки из его полости. Экспериментальным путем исследователи подбирали вес шара так, что он находился в приподнятом состоянии. Тогда его вес был равен сумме тяги, создаваемой плазмой, плюс тяга потока воздуха, создаваемого компрессором.
Изменяя мощность магнетрона и силу потока воздуха, исследователи нашли, что зависимость силы тяги имеет четкую линейную зависимость от мощности СВЧ-излучения и от величины потока воздуха. При подводимой мощности в 400 Вт и потоке воздуха в 1.45 кубических метра в час, плазменный двигатель вырабатывал силу тяги в 11 Ньютонов, обеспечивая показатель в 28 Н/кВт.
Для сравнения, в электрическом экспериментальном самолете Airbus E-Fan используются два электрических двигателя, мощностью в 30 кВт каждый, которые суммарно вырабатывают тягу в 1500 Ньютонов. Это подразумевает эффективность в 25 Н/кВт, что меньше эффективности лабораторного воздушно-плазменного двигателя.
Следующими шагами, которые намерены сделать китайские исследователи, станут попытки увеличения эффективность их микроволнового плазменного ускорителя и поиски более надежной и более точной замены методу измерения силы тяги при помощи металлического шара.
Однако, с этим новым микроволновым плазменным ускорителем, как и в случае с любой другой «бочкой меда», имеется своя «ложка дегтя», связанная с реалиями современных практических технологий. Для создания полноразмерного двигателя, способного конкурировать с существующими авиационными двигателями, потребуется увеличить поток плазмы на его выходе в 15 тысяч раз. Минимум во столько же должна увеличиться и подаваемая мощность СВЧ-излучения, однако, запихнуть в летательный аппарат батареи, способные обеспечить такую мощность, не предоставляется возможным на сегодняшний день. Да и батареи являются далеко не идеальным вариантом, количество заключенной в них энергии в 43 раз ниже количества энергии, заключенной в авиационном топливе такого же веса.
Тем не менее, новый микроволновый плазменный ускоритель имеет новые и интересные принципы работы и конструкцию. И если проблема масштабирования его конструкции будет решена успешно, то в будущем, когда появятся какие-то новые компактные и мощные источники энергии, этот ускоритель вполне сможет стать тем, что сделает авиацию полностью экологически чистым видом транспорта.
Источник:
