способ получения электроэнергии на борту гиперзвуковых самолетов с помощью магнитогидродинамического генератора энергии

Формула изобретения

Способ получения энергии на борту гиперзвуковых самолетов с помощью магнитогидродинамического генератора энергии, включающий торможение набегающего потока воздуха, воздействие на него в канале генератора поперечным магнитным полем и формирование неоднородного газоплазменного потока, несущего токовые слои, отличающийся тем, что для создания устойчивых токовых слоев используют импульсные пучки электронов высокой энергии, включаемые синхронно сдвижением токовых слоев по МГД-каналу.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области транспортных энергетических установок, используемых в авиации и космонавтике.

Известен способ преобразования кинетической энергии сверхзвукового потока воздуха в канале МГД-генератора, в котором для создания электропроводности в потоке используются пучки электронов высокой энергии [1] Электроные пучки, являющиеся внешним источником ионизации газа в МГД-генератора, поддерживают несамостоятельный разряд во всем объеме канала. Высокоэнергетичные электроны непрерывно инжектируются электронными пушками вдоль направления магнитного поля. При энергии электронов 50 кэВ каждый электрон из пучка будет генерировать до 1500 вторичных электронов, которые будут создавать неравновесную электропроводность в потоке холодного воздуха.

Недостатком данного способа является то, что в холодном воздухе ионизуются молекулы, обратный же процесс происходит в двойных столкновениях диссоциативной рекомбинации или в процессе "прилипания" электрона к молекуле кислорода. Процессы рекомбинации в холодном воздухе идут настолько быстро, что приходится для поддержания разряда затрачивать значительную часть генерируемой энергии (более 10%), но даже в этом случае уровень предполагаемой электропроводности не превысит =1 Ом^-1 м^-1. Удельная электрическая мощность, генерируемая в МГД-генераторе, определяется соотношением

W=(1-K)Ku²B²,

где - электропроводность рабочей среды; К - коэффициент нагрузки (значение К=0,5 обеспечивает максимальное значение W); u - скорость потока в МГД-канале; В - индукция магнитного поля. Для достижения приемлемого уровня электрической мощности необходимо создавать в объеме канала магнитное поле с индукцией В= 710 Тл. Такое поле может быть создано только сверхпроводящим магнитом, обмотки которого охлаждаются жидким гелием, находящимся в дюаре с охлаждаемой жидким азотом внешней стенкой. Весогабаритные параметры такой магнитной системы совершено не подходят к условиям летательного аппарата. Лучшие весогабаритные характеристики для аэрокосмического применения будут иметь постоянные магниты. Однако постоянные магниты, выполненные из редкоземельных материалов с максимальной коэрцитивной силой, ограничены значением индукции магнитного поля на уровне 1 Тл, что заставляет искать другие способы создания электропроводности в канале.

Известен способ получения электроэнергии на борту гиперзвуковых летательных аппаратов, использующий МГД-генератор с неоднородным газоплазменным потоком воздуха [2]. В этом способе предполагается использование магнитогидродинамического эффекта Т-слоя для создания в потоке воздуха самоподдерживающихся плазменных слоев, которые по существу будут являться электрическими дугами с термически равновесной плазмой. Температура такой плазмы стабилизируется на уровне 12000 К, и соответствующая электропроводность в дуговых слоях будет достигать порядка 1000 Ом^-1м^-1. Инициирование Т-слоев в МГД-канале предполагает использование импульсной системы сильноточного разряда, которая при периодическом разряде в поток формирует в нем температурное плазменное возмущение, из которого в канале с поперечным магнитным полем формируются Т-слои. Высокая электропроводность Т-слоев позволяет организовать эффективный генераторный процесс, в котором при магнитном поле 0,3 Т до 20% кинетической энергии набегающего потока преобразуется в электроэнергию.

Недостатком этого способа является чрезмерно высокая электропроводность равновесной плазмы Т-слоя. Из-за очень сильного гидромагнитного взаимодействия самоподдерживающийся токовый слой (Т-слой) формируется как нелинейная структура перегревной неустойчивости в форме тонкой токовой пелены с толщиной порядка 3-5 см, которая с неизбежностью, как показали результаты численного моделирования, будет разрушена развитием гидродинамических неустойчивостей на границе раздела.

В основу изобретения положена задача понижения электропроводности в плазменных токовых слоях, что приводит к снижению выделения тепловой энергии в плазме и, соответственно, к подавлению явления перегревной неустойчивости, формирующей структуру тонкой токовой пелены.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения электроэнергии на борту гиперзвуковых самолетов с помощью МГД-генератора энергии, включающем торможение набегающего потока воздуха, воздействие на него в канале генератора поперечным магнитным полем и формирование неоднородного газоплазменного потока, несущего токовые слои, согласно изобретению для создания устойчивых токовых слоев используют импульсные пучки электронов высокой энергии, включаемые синхронно с движением токовых слоев по МГД-каналу.

Переход от равновесных Т-слоев к неравновесным токовым слоям, поддерживаемых внешней ионизацией за счет электронных пучков, позволяет исключить упомянутые выше проблемы. При температуре плазмы в токовых слоях 3000-4000 К в них из-за термической диссоциации молекул образуется достаточное количество атомов, которые ионизуются высокоэнергетичными электронами из электронных пучков. Рекомбинация атомарных ионов будет происходить в процессе трехчастичного столкновения, вероятность которого значительно меньше, чем для процессов в молекулярной плазме. В результате замедления процесса рекомбинации для поддержания высокой степени ионизации и, соответственно, высокой электропроводности (порядка 100 Ом^-1м^-1) потребуется значительно меньшая мощность, питающая электронные пушки (примерно 1% от мощности МГД-генератора). В то же время снижение электропроводности по сравнению с Т-слоями позволяет избежать явления перегревной неустойчивости и в результате токовые слои сохраняют толщину, заданную при инициировании начального возмущения (порядка 15-20 см). Численное моделирование показало, что при магнитном поле в МГД-канале В=0,8 Тл достигается высокая степень преобразования энергии (порядка 15%). При этом неравновесные токовые слои сохраняют устойчивость по отношению к гидродинамической неустойчивости.

Таким образом, импульсное воздействие на рабочую среду электронными пучками, образующими из точек инжекции последовательную цепь вдоль всего МГД-канала, включение которых происходит последовательно для каждого пучка в момент прихода плазменного слоя в точку инжекции и выключение в момент выхода слоя из зоны его действия, т.е. синхронизировано с движением плазменных слоев по МГД-каналу, позволяет поддерживать в слоях несамостоятельный электрический разряд при достаточно высоком МГД взаимодействии и низком уровне затрат энергии на инжектирование пучков.

На чертеже показана схема для осуществления данного способа. Тракт МГД-генератора представляет собой прямоточный канал, состоящий из входного устройства 1, секции инициирования 2, в которой периодически формируются плазменные сгустки 3 при периодическом сильноточном разряде высоковольтного импульсного источника 4, рабочего участка МГД-канала 5, в объеме которого постоянными магнитами создано поперечное к потоку магнитное поле 6, диффузора 7, которым заканчивается тракт МГД-генератора. При этом электроды 8 рабочего участка МГД-канала подключены через согласующее устройство 9 к нагрузке 10, а в поток рабочего тела инжектируются электронные пучки 11, в зону действия которых включены секция инициирования плазменных слоев и рабочий участок МГД-канала.

Способ осуществляется следующим образом.

Набегающий поток воздуха тормозится во входном устройстве 1, проходя через систему косых скачков. В узкой части канала (секция инициирования 2) осуществляется периодическая импульсная инжекция первого электронного пучка из системы 11, который формирует в потоке воздуха начальное возмущение электропроводности. В этот электропроводный сгусток разряжается импульсная высоковольтная разрядная система 4, которая сильноточным диффузным разрядом формирует в потоке высокотемпературный слой неравновесной плазмы 3. Электропроводность плазменного слоя за счет внешних источников ионизации (электронных пучков) поддерживается на уровне, превышающем равновесный. Далее этот слой газовым потоком вносится в рабочий участок МГД-канала 5, в объеме которого постоянным магнитом создано поперечное к потоку магнитное поле 6. Здесь под воздействием электрического поля, созданного движением электропроводных слоев в поперечном магнитном поле, в плазменных слоях зажигается несамостоятельный разряд. Ток разряда взаимодействует с магнитным полем, в результате чего в слоях возникает тормозящая электродинамическая сила, которая тормозит весь поток газа и таким образом преобразует кинетическую энергию потока в электроэнергию. Для поддержания несамостоятельного разряда в плазменных слоях используется импульсное воздействие на рабочую среду электронными пучками 11, образующими из точек инжекции последовательную цепь вдоль всего МГД-канала. Включение пучков происходит последовательно для каждого пучка в момент прихода плазменного слоя в точку инжекции и выключение в момент выхода слоя из зоны его действия, т.е. синхронизировано с движением плазменных слоев по МГД-каналу. Ток от всех токовых слоев собирает специальная система 9, которая согласует сопротивление плазмы и сопротивление нагрузки 10. После прохождения рабочего участка МГД-канала поток воздуха выносит плазменные сгустки в диффузор 7, где плазма рекомбинирует, а температурные неоднородности исчезают, перемешиваясь на выходе из диффузора с основным потоком воздуха, обтекающим самолет.

Источники информации

1. Macheret S.O., Shneider M.N., Miles R.B., "MHD Power Generation and Control of Hypersonic Flows Ionized by Electron Beams", Proc. the 2nd Workshop on Magneto-Plasma Aerodynamics in Aerospace Applications, Moscow, April, 2000, pp. 86-93.

2. Slavin V. S. , Danilov V.V., Kraev M.V., "T-layer MHD in Aerospace Applications", Proc. the Workshop on "Perspectives of MHD and Plasma Technologies in Aerospace Applications", Moscow, March, 1999, pp. 31-43.