WikiDer > Магнитная насадка

А магнитное сопло сходится-расходящийся магнитное поле который направляет, расширяет и ускоряет плазма струя в вакуум с целью космический двигатель.^[1] Магнитное поле в магнитном сопле играет ту же роль, что и сходящиеся-расходящиеся твердые стенки в сопло де Лаваля, при этом горячий нейтральный газ расширяется первым дозвуковой а потом сверхзвуковой увеличить толкать. Как и сопло де Лаваля, магнитное сопло преобразует внутренняя энергия плазмы в направленные кинетическая энергия, но операция основана на взаимодействии приложенного магнитного поля с электрические заряды в плазме, а не на давление силы, действующие на твердые стены.^[2] Основное преимущество магнитной насадки перед сплошной в том, что она может работать бесконтактно, т.е. предотвращение контакта материала с горячей плазмой, что привело бы к неэффективности системы и сокращению срока службы сопла. Дополнительные преимущества включают возможность изменения силы и геометрии приложенного магнитного поля в полете, что позволяет соплу адаптироваться к различным требованиям к движению и космические миссии. Магнитные форсунки являются основной ступенью ускорения нескольких устройств следующего поколения. плазменные двигатели в настоящее время в стадии разработки, например геликонный плазменный двигатель, то электронно-циклотронный резонанс плазменный двигатель, ВАСИМР, а магнитоплазменный двигатель малой тяги с приложенным полем. Магнитные сопла также находят еще одну область применения в передовых производство плазмы процессов, и их физика связана с физикой нескольких магнитное удержание плазма слияние устройств.

Основная работа магнитной насадки

Расширение плазмы в магнитном сопле по своей природе более сложное, чем расширение газа в твердом сопле, и является результатом нескольких взаимосвязанных явлений, которые в конечном итоге зависят от большой разницы масс между электроны и ионы и электрический и магнитный взаимодействия между ними и прикладным полем.

Если сила приложенного магнитного поля достаточна, он намагничивает свет электроны в плазме, поэтому описывают геликоидальный движение вокруг магнитных линий. На практике это достигается с помощью магнитных полей в диапазоне нескольких сотен Гаусс. В руководящий центр каждого электрона вынужден двигаться по одной магнитной трубке.^[2] Этот магнитное удержание предотвращает неконтролируемое расширение электронов в радиальном направлении и направляет их в осевом направлении вниз по потоку. Тяжелее ионы обычно не намагничены или намагничены лишь частично, но вынуждены расширяться вместе с электронами благодаря электрическое поле который настроен в плазме для поддержания квазинейтральность.^[3] В результате возникающего электрического поля ионы ускоряются вниз по потоку, в то время как все электроны, кроме более энергичных, удерживаются вверх по потоку. Таким образом, электрическое поле помогает преобразовать внутреннюю энергию электрона в направленную кинетическую энергию иона.

В установившемся режиме истощенная плазменная струя в целом обесточена, то есть полный ионный ток и электронный ток в каждой секции равны. Это условие предотвращает непрерывный электрический заряд космического корабля, на котором установлено магнитное сопло, что могло бы произойти, если бы количество ионов и электронов, испускаемых в единицу времени, различалось.

Электронное давление, удерживаемое магнитным полем, вызывает диамагнитный дрейф, которое пропорционально давлению электронов и обратно пропорционально напряженности магнитного поля. Вместе с ${ displaystyle E times B}$ дрейф, диамагнитный дрейф отвечает за формирование азимутальный электрический ток ${ displaystyle j _ { theta}}$ в плазменной области. Этот азимутальный электрический ток генерирует индуцированное магнитное поле который противостоит приложенному, создавая отталкивающий магнитная сила ${ displaystyle propto j _ { theta} B}$ который толкает плазму вниз по потоку. В реакция эта сила ощущается на магнитном генераторе магнитного сопла и называется магнитная тяга.^[3] Это главное механизм создания тяги в магнитной насадке.

Плазменный отрыв

Замкнутый характер магнитных линий означает, что, если плазма не отделяется от ведущего магнитного поля ниже по потоку, она будет разворачиваться вдоль силовых линий обратно к двигателю малой тяги. Это нарушит двигательную функцию магнитного сопла, так как возвращающаяся плазма нейтрализует тягу и может поставить под угрозу целостность космического корабля и плазменного двигателя. плазменный отрыв поэтому необходим механизм для правильной работы магнитного сопла.^[4]

По мере расширения плазмы в расходящейся стороне магнитного сопла ионы постепенно ускоряются до гиперзвуковой скоростей благодаря роли внутреннего электрического поля в плазме. В конце концов, немагнитные массивные ионы становятся достаточно быстрыми, чтобы слабые электрические и магнитные силы в области ниже по потоку становились недостаточными для отклонения траекторий ионов, за исключением чрезвычайно высоких магнитных сил. Как естественное следствие, начинает происходить отрыв плазмы.^[5] и количество плазмы массовый расход которая фактически отклоняется вдоль магнитного поля и поворачивается назад для поддержания квазинейтральных условий в плазме, пренебрежимо мало. Следовательно, магнитное сопло способно доставлять отдельные плазменные струи, используемые для движения.

Разделение ионов за счет их инерции приводит к образованию локальных продольных электрических токов, которые, однако, не нарушают глобального обесточивания струи. Влияние индуцированного плазмой магнитного поля, которое может деформировать магнитное сопло ниже по потоку, и образование ненейтральных областей может дополнительно снизить потери плазмы на обратный ход.^[6]

Движущая сила

Характеристики магнитного сопла с точки зрения его удельный импульс, сгенерированный толкать и в целом эффективность зависит от плазменного двигателя, к которому он подключен. Магнитное сопло следует рассматривать как тягу. увеличение устройство, роль которого заключается в преобразовании тепловой энергии плазмы в направленную кинетическую энергию, как обсуждалось выше. Следовательно, тяга и удельный импульс сильно зависят от электронная температура плазмы внутри источника плазмы. Для создания эффективного плазменного двигателя требуется высокая температура электронов (т.е. горячая плазма).

Эффективность магнитного сопла следует обсуждать с точки зрения расходимости или радиальных потерь. Как побочный продукт расширения в расширяющемся магнитном сопле, часть кинетической энергии ионов направляется в радиальном и азимутальном направлениях. Эта энергия бесполезна для создания тяги и поэтому учитывается как потери. Эффективное магнитное сопло достаточно длинное, чтобы свести к минимуму потери энергии в радиальном и азимутальном направлениях.^[3] Кроме того, слишком слабое магнитное поле не сможет удерживать плазму в радиальном направлении и направлять ее в осевом направлении, что приводит к большим радиальным потерям.

Другими показателями качества системы являются электрическая мощность, масса и объем необходимого генератора магнитного поля (магнитные катушки и / или постоянные магниты). Для космических силовых установок желательны низкое потребление электроэнергии, масса и объем.

Рекомендации