Кулев Глеб, к.т.н.
Краткое содержание
Год тому назад вышла статья «Прорывная концепция реактивного двигателя». Ознакомиться с этой статьей можно здесь. Эта статья знакомит вас с результатами испытания трех модификаций реактивных двигателей на новых принципах (НП), и их анализ. Схема работы, применяемая в этом типе двигателя, ранее не использовалась и обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с существующей схемой работы, применяемой сейчас в ракетных двигателях.
Существующая схема, используемая в ракетных двигателях, имеет ряд недостатков и ограничений, связанных с термодинамикой. В этой статье подробно рассказано о НП двигателе, о физике его работы с точки зрения уже существующих и уже применяемых подобных технологий, а также подробно описана физическая схема его работы. Рассмотрены области применения НП двигателя.
Про энергию

Вначале следует поговорить об энергии как таковой. Что вообще происходит в энергетической сфере в мире на данный момент. Естественно, этот вопрос напрямую связан с эффективностью работы реактивных двигателей. Две интересные формулы (рисунок 1).
Формула 1. Это одно из самых глубоких открытий в физике, согласно которому энергия равна массе вещества, умноженная на квадрат скорости света (принцип эквивалентности массы и энергии).
Формула 2. Это та же самая энергия, только полученная при сжигании вещества. Энергия равна массе вещества, умноженная на удельную теплоту сгорания используемого вещества.
Все расчеты были сделаны данным давно. Согласно формуле 1 нам нужно всего 4 килограмма вещества, чтобы полностью удовлетворить все энергетические потребности жителей Земли в течение года. Во втором случае, согласно формуле 2, мы сможем проехать на машине 50 километров. Ну, это просто какое-то недоразумение. Оказывается, мы просто не знаем, как правильно использовать материю.
Я могу представить ваше негодование по отношению ко мне, когда вы читаете этот текст. Что он пишет? Это совершенно разные формулы, и они используются в разных областях.
Я согласен! Но! Так не должно быть. Материя есть материя как в первом, так и во втором случае. Мы замкнулись на формуле 2, установили для себя ограничения, при этом исключив возможность приблизиться к формуле 1 с точки зрения большей эффективности, относительно простым способом: с применением уже достаточно давно исследованных и применяемых на практике физических явлений и технологий.
Сократить разрыв между этими двумя формулами можно, создав особые условия для увеличения количества ионизированных частиц в веществе и правильно применив их в ходе химической реакции горения.
Кстати, с точки зрения современной физики это единственный правильный способ сократить энергетический разрыв между этими двумя формулами.
Итак, как повысить эффективность тепловых машин? Для этого нам нужно научиться использовать ионизированные свойства вещества. Ионизированные свойства вещества проявляются при горении любого углеводородного топлива. Наиболее распространенная реакция ионизации — это реакция хемоионизации, образование иона в результате реакции атома или молекулы газовой фазы с атомом, или молекулой в возбужденном состоянии, при этом также могут образовываться новые химические связи. Этот процесс очень распространен в природе, поскольку считается основной исходной реакцией в пламени.

Наиболее распространенная формула реакции хемоионизация показана на рисунке 2. Эта реакция присутствует в любом углеводородном пламени и может объяснить отклонение ионов от термодинамического равновесия.
Горение углеводородов сопровождается ионизацией пламени, что приводит к высокой концентрации заряженных частиц в пламени. Этот факт легко проверить. Я уже рассказывал вам об этом раньше, посмотрите на эксперимент со свечой в электростатическом поле (предыдущая статья). Процесс хемоионизация был детально изучен и подтвержден большим количеством научных работ.
Но! Есть одна проблема, серьезная проблема. Мы до сих пор почти никак не используем это интересное свойство вещества, а сами ионизированные частицы просто вылетают в окружающую среду без какой-либо пользы при горении углеводородов в существующих тепловых машинах. Мы просто не знаем, как правильно использовать углеводородное сырье, и не используем весь потенциал, скрытый в нем. Это неправильно и неэффективно.
Рассмотрим процесс хемоионизации.В результате реакции хемоионизации образуются положительно заряженный ион и отрицательно заряженный электрон. Чтобы использовать эти частицы, нам нужно разделить их и придать им упорядоченное движение для получения электромагнитного поля. Возникающее в результате этого электромагнитное поле будет влиять на процесс горения углеводородов, повышая температуру их горения и, как следствие, количество получаемой энергии.

Как достичь этой цели? Масса положительно заряженного иона в 1800 раз превышает массу отрицательно заряженного электрона. Устройства для эффективного разделения частиц с разной молекулярной массой существуют уже давно и называются газовыми центрифугами. Я приведу пример такого устройства, уже используемого на практике:
Газовая центрифуга (см. рис. 3-1) предназначена для разделения изотопов урана 235 и урана 238. Рабочим веществом является газообразное вещество гексафторид урана. Разделение изотопов происходит, когда это вещество вращается со скоростью 1500 оборотов в секунду, с высокой эффективностью.
В двигателе на основе НП разделение заряженных частиц происходит аналогичным образом (за счет центробежной силы), только при значительно более высоких скоростях (более 2000 оборотов в секунду). Этот процесс в NP-двигателе легко контролировать и регулировать.
В результате разделения заряженных частиц в НП двигателе возникает электромагнитное поле (из-за появления разности потенциалов между заряженными частицами), которое влияет на процесс горения в камере сгорания, повышая ее температуру.
Подобный процесс нагрева газов в электромагнитном поле до высоких температур (до 40 миллионов градусов) уже существует и используется в устройствах термоядерного синтеза типа токамак (см. рис. 3-2).
Нужно отметить, что ионизационные процессы уже используются на практике в МГД-генераторах (магнитогидродинамический генератор). Однако есть некоторые отличия между МГД и НП двигателем. Основное различие между этими устройствами заключается в способе разделения заряженных частиц. В НР двигателе разделение происходит за счет центробежной силы, а в МГД - за счет внешнего магнитного поля. В целом оба принципа работы этих двух устройств можно описать, используя магнитную гидродинамику и, как следствие, оба метода используют одни и те же формулы.
Коротко о МГД-генераторе.
МГД-генератор непосредственно преобразует тепловую и кинетическую энергию электропроводящей среды (рабочего тела) в электрическую энергию постоянного (или переменного) тока. Принцип действия МГД основан на законе электромагнитной индукции Фарадея. Разработано и применяется множество вариантов МГД-генераторов. Существуют МГД-установки, которые позволяют повысить КПД обычных тепловых электростанций с 40% до 65%. МГД-генератор не содержит движущихся частей. Теоретически он позволяет генерировать большие мощности в тысячи мегаватт. Почему эти генераторы не используются повсеместно на практике? Основная проблема этого устройства заключается в том, как получить дешевую плазму (низкотемпературную плазму с достаточно высоким содержанием ионизированных частиц). Если эта проблема будет решена и при использовании сверхпроводящих магнитов, то откроется широкая перспектива повышения эффективности генерации (сейчас она составляет около 25%).

Типовая схема работы МГД генератора совместно с тепловой электрической станцией смотри рисунок 4. Очень важно отметить, что в данной схеме энергия, получаемая от МГД генератора и Тепловой электростанции, суммируются путём сложения этих двух генераций. Пожалуйста, обратите на это внимание! Благодаря этому удается увеличить общий КПД этой системы.

Формула, описывающая мощность Р (Вт=Дж/с) генерируемой энергии для МГД-генератора и НП двигатель, одинакова и показана на рисунке 5. Мощность (Р) определяется произведением квадрата индукции магнитного поля (B), электропроводности (G - величина, обратная сопротивлению), квадрата скорости движения плазмы (V) в канале (для МГД) или в камере сгорания (для НП) и коэффициента преобразования энергии (k). Для эффективной работы МГД очень важно иметь высокую скорость плазмы, что сделать непросто. В НП цикле она уже изначально имеет высокую скорость с возможностью ее дальнейшего увеличения.
Также отметим, что вектор индукции (B) в МГД направлен поперек канала плазменного потока, а в НП двигателе он расположен вдоль плазменного потока, что способствует увеличению его скорости.
Из формулы можно сделать еще один вывод:
Для НП двигателя, согласно формуле, его мощность зависит главным образом от скорости движения плазмы в камере сгорания и магнитной индукции (квадратичная зависимость). Оба они усиливаются по мере увеличения давления в камере сгорания. Чем выше скорость вращения плазменной струи в камере сгорания НП двигателя, тем выше скорость вращения положительно заряженных ионов, тем сильнее электромагнитное поле и, как следствие, тем выше вектор магнитной индукции. Кстати, это объясняет квадратичную, а не линейную зависимость дроссельных характеристик НП двигателя. Об этом я писал ранее (предыдущая статья), как и об электрической схеме НП двигателя. В целом НП цикл (двигатель) выглядит предпочтительнее МГД схемы, из-за возможности получения стабильной плазмы (без использования дополнительных ионизирующих присадок) с более логичной физической схемой работы.
Возможно ли использовать НП цикл для прямой выработки электроэнергии? Да. Ток будет постоянным.
НП двигатель: для чего это нужно?
Ранее я достаточно подробно объяснил, как можно сделать реактивный двигатель на новых принципах работы (НП двигатель). Однако следует более системно раскрыть принципы его работы с учетом сказанного ранее. Вообще какое-либо продвижение в науке на данный момент возможно только при условии комбинации существующих физических законов.
Давайте поговорим для чего нужен реактивный НП двигатель.
Первый реактивный двигатель появился ровно сто лет назад и разработал его Роберт Годдард (американский ученый). С тех пор двигатели на этом принципе прошли большой путь и достигли предела своей эффективности. У них оптимальная конструкция, они эффективны насколько это возможно, имеют относительно не большой вес и достаточно надежны, что делает возможным для нас присутствие человека в космосе.
Однако эти двигатели имеют одно существенное ограничение, накладываемое термодинамикой и связанное с их эффективностью. Мерой эффективности реактивного двигателя является удельный импульс и измеряется он в секундах. Сейчас существует два основных типа ракетных двигателей: химические (жидкостный, твердотельный) и электрические ракетные двигатели (ионный, плазменный). Первые обладают большой тягой (возможны сотни тонн тяги) и невысоким удельным импульсом (до 460 секунд), вторые высоким удельным импульсом (более 1000 секунд) и низкой тягой (обычно менее 1 Ньютона). Представляется интересным объединение этих двух типов ракетных двигателей в один гибридный вариант (НП двигатель). Целью при этом является объединение лучших характеристик: высокой тяги (более 10 тонн тяги) и не менее высокого удельного импульса (более 1000 секунд).
Определенное количество специалистов скажет (уже писали в комментариях к предыдущей статье), что это невозможно, что вы нарушаете законы термодинамики и, следовательно, это вечный двигатель (одна из его разновидностей). Невозможно получить больше энергии из формулы 2, рисунок 1!
Это ограничение, навязанное нам нашими же стереотипами, которые мы сами для себя придумали и, как следствие, это тормозит для нас освоение космического пространства. Вспомните! Материя есть материя. В предыдущей части я привел вам пример интересного цикла МГД+ тепловая машина. На этом примере я рассказал вам о том, что с помощью этого устройства мы уже реально получаем дополнительную энергию (плюс 25% и более) при использовании ионизационных свойств углеводородов. Причем это происходит без привлечения какой-либо дополнительной внешней энергии. Производство электроэнергии на тепловой станции или реактивный двигатель — это все тепловые машины. Только в первом случае можно поднять КПД, а во втором ни в коем случае нельзя (вечный двигатель). В физике так не бывает. Если для одного типа тепловых машин это работает, то это работает и для всех остальных тепловых машин. Конструкторские и технологические решения, естественно, могут быть разными, а вот физические принципы одинаковые. Остальные стереотипы обсудим дальше с точки зрения существующей физики. В общем, мы с вами можем добиться гораздо большего, стоит только этого захотеть и начать работу.
Процессы в камере сгорания и сопле
Ещё один стереотип, связанный с термодинамикой. Скорость истечения реактивной струи через диффузор не может быть выше (в критическом сечении сопла Лаваля) локальной скорости звука, которая в свою очередь зависит от корня квадратного температуры в камере сгорания. Это фатальное ограничение. Для того, чтобы поднять эффективность работы реактивного двигателя, необходимо поднять температуру (причем существенно) в камере сгорания. Сделать это непросто, несмотря на все старания конструкторов, это ограничено температурой горения компонентов топлива и конструкцией камеры сгорания, её способностью выдержать термическое воздействие. Для противодействия термическому воздействию используют разнообразные способы: один из эффективных способов — это снижение количества окислителя в топливной смеси, что снижает температуру горения. Естественно, это ограничение снижает эффективность работы реактивного двигателя.
Если мы возьмем ионные или плазменные двигатели, то скорость истечения реактивной струи ничем не ограничена, даже при использовании сопла. То есть, если у нас газ в плазменном состоянии, то все ограничения, связанные с максимальной скоростью реактивной струи в критическом сечении сопла, исчезают.
Почему в первом случае невозможно увеличить скорость истечения реактивной струи через диффузор, а во втором случае её можно сделать практически любой?
Это связано с тем, что применение термодинамики имеет ряд ограничений. Одно из основных ограничений заложено в понятие идеальный газ. В идеальном газе должны отсутствовать силы гравитационного воздействия между молекулами, образующими газ, а механическое взаимодействие молекул должно быть ограничено лишь упругим соударением. При этом объем газа должен иметь скорость близкую к нулевой. В современных реактивных двигателях именно такие газовые процессы и происходят в камере сгорания.
Однако в камере сгорания NP двигателя газ подвергается гравитационному воздействию между молекулами (аналог- центробежная сила), а также газ имеет высокую скорость ламинарного, а не турбулентного движения. Под воздействием этих сил и при протекании реакций хемоионизации (образование значимого количества положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов) образуется электромагнитное поле и, как следствие, устойчивая плазменная структура (схема работы НП двигателя несколько сложнее, обсудим это позже). Поменяв параметры движения газа в камере сгорания, можно устранить одно из основных ограничений, накладываемых термодинамикой на сопло реактивного двигателя. Тут все просто: если вас не устраивают характеристики вашего двигателя, просто перейдите в другую часть физики, изменив конструкцию камеры сгорания. В данном случае перейдем из термодинамики в магнитную гидродинамику и физику плазмы. Как следствие в NP двигателе ограничений по скорости истечения реактивной струи нет. Обсудим детали этого события.

Образование устойчивой плазменной структуры в НП двигателе существенно улучшает характеристики реактивного двигателя. Как это проявляется?
В процессе работы НП двигателя происходит образование плазменной структуры и магнитно-плазменное слипание реактивной струи, как следствие, исчезают все ограничения в критическом сечении сопла на скорость истечения реактивной струи, а также отпадает необходимость в сверхзвуковой части сопла.
Нужно понимать, что скорость реактивной струи у НП двигателя значительно выше, чем у двигателя со стандартной схемой работы при одинаковом расходе топлива. А сама скорость реактивной струи будет зависеть от температуры в камере сгорания и вектора магнитной индукции, то есть от физических процессов, происходящих в камере сгорания реактивного двигателя. Но это обсудим позже.
Интересно сравнить эти два цикла (существующий- рисунок 6-1, и НП- рисунок 6-2) в процессе работы реактивного двигателя в реальном времени. Это удалось сделать во время испытаний гибридного двигателя РД1. Характеристики испытания и анимация схемы работы РД1 (рисунок 6). Двигатель РД1 работает по гибридной схеме: с 1 по 5 секунды по стандартной схеме работы, с 6 по 10 по НП схеме. Что происходит? С 5 по 6 секунды резко увеличивается скорость реактивной струи и, как следствие, тяга двигателя (стала в 3.6 раза больше). Реактивная струя стала в два с половиной раза короче, ярче и плотнее. При этом секундный массовый расход газовой струи изменился только в 1.17 раза. Ограничение скорости газов в критическом сечении было преодолено. Скорость реактивной струи скачкообразно увеличилась с 512 m/s до 1593 m/s, преодолев при этом локальную скорость звука в 900 m/s. По результатам испытаний можно сделать вывод, что цикл на новых принципах эффективнее, по сравнению с существующей схемой (более подробно про это, смотри предыдущую статью).
Этот эксперимент опровергает существующее представление в данной области (термодинамики), суть которого заключается в том, что при одинаковом количестве топлива в камере сгорания невозможно резко изменить скорость истечения реактивной струи без использования дополнительной внешней энергии. Однако, как видите, это не соответствует действительности.
Рассмотрим некоторые важные аспекты работы НП двигателя.
Камера сгорания

Процессы, протекающие в камере сгорания реактивного двигателя с существующей схемой и в НП двигателе принципиально отличаются.
Поговорим о температурном поле в камере сгорания НП двигателя.
Сначала существующая схема работы. В этом типе камеры сгорания температурное поле равномерно распределено по всему её объему. Это обуславливается дефлаграционным процессом горения, характерным для этого типа двигателя. На стенки камеры сгорания при этом возможно температурное воздействие до 3500 K, что требует применения от конструктов ряда защитных технологий, обеспечивающих возможность ее стабильной работы. Схематично эта схема показана в разрезе (вид сбоку), смотри рисунок 7-2.
Однако температурное поле в камере сгорания НП двигателя принципиально отличается от стандартной схемы. Схематично это представлено в разрезе (вид сбоку), смотри рисунок 7-3. За счет тангенциальной подачи топливной смеси температурное поле в камере сгорания у НП двигателя не равномерно и существенно меняется в зависимости от её расположения. Обсудим, что происходит.
В научной литературе подобный процесс описан достаточно хорошо. И он очень интересен! Подробно это отражено в следующий монографии [Swirl flows: A. K. Gupta, D. G. Linley…]. Распределение температурного поля, согласно этой монографии, представлены на картинке 7-1. Из этой картинки следует, что температура равномерно увеличивается от стенки камеры сгорания и до её центральной части (максимальная температура в проекции сопла НП двигателя). В монографии все температуры даны в градусах Цельсия, как следствие, все дальнейшие расчеты тоже. Для вашего удобства эти результаты представлены в Кельвинах. На схеме температурного поля можно увидеть, что температура меняется (1200:85=14) в 14 раз! В центральной части камеры сгорания 1473 K, у стенок 358 K. Что важно!
Для эффективной работы НП двигателя максимальная температура должна быть в центральной части камеры сгорания, в проекции критического сечения сопла. Действие равно противодействию (третий закон Ньютона).
Согласно этой монографии [Swirl flows], можно рассчитать максимально возможную температуру в камере сгорания NP двигателя. Предположим, что температура у стенки камеры сгорания, как у двигателей с существующей схемой работы 3500 K. Тогда температура в центре камеры сгорания, с учетом ранее сказанного, будет (3227•14=45178) 45500 K. Сейчас данная температура для существующих реактивных двигателей не более, чем мечта, однако, для НП двигателя с большей степенью вероятности это может станет реальностью.
От себя добавлю, что за время длительного цикла испытаний НП двигателя, даже при максимальных режимах работы двигателя, повреждений камеры сгорания обнаружено не было.
Сопло и реактивная струя

При исследовании процессов, происходящих в камере сгорания и сопле НП двигателя, необходимо понимать, что существуют относительно похожие вихревые физические явления. Физика этих процессов хорошо изучена. Например, это достаточно подробно исследовано в монографии [Swirl flows: A. K. Gupta, D. G. Linley…]. Может показаться, что эти явления первоначально очень похожи. Например, это тангенциальная подача топлива и движение газов в кольцевой камере. Однако физика происходящих процессов у них разная.
На рисунке 8-1 представлен вихревой поток с низкой степенью закрутки, на рисунке 8-2 - вихревой поток с высокой степенью закрутки. Эти две схемы достаточно подробно и достоверно описывают процессы, протекающие при этом. Обратите внимание, что действующий вектор реактивной струи, и в первом и во втором случае, направлен не вдоль оси симметрии устройства. А для вихревого потока с высокой степенью закрутки это приводит к возникновению противотока реактивной струи. С аналогичными проблемами можно столкнуться и при работе реактивного двигателя с существующей схемой работы при критических режимах его работы (превышение локальной скорости звука в сопловой части реактивного двигателя). Для вихревого потока характерно также возникновение дрейфа реактивной струи, рисунок 8-3. В монографии четко описаны параметры, когда возникает дрейф (он возникает с определенного момента превышения скорости газовой струи и ряда параметров в реактивной струе), однако физические причины этого явления не названы. Подобные проблемы с дрейфом реактивной струи происходили и при испытании НП двигателя РД2. Решение этой проблемы подробно описано в моей предыдущей работе, смотри разделы испытание РД2 и РД3.
Чтобы понять, что происходит в НП двигателе в сопле, было проведено дополнительное исследование процесса движения реактивной струи.
В целом было поведено более 30 испытаний, при этом использовались разные виды сопел и разные размеры критических сечений. Чтобы понять, как двигается реактивная струя в сопле, использовались различные методики, все они показали одинаковый результат. Один из них представлен на рисунке 8-4, где хорошо видно, как двигается реактивная струя. При испытаниях использовался тип двигателей РД1, РД2. На фотографии 8-5 представлен один из моментов этих испытаний НП двигателя.
Выводы, сделанные на основании испытаний НП двигателя:
-
Реактивная струя при выходе из сопла всегда направленна вдоль оси симметрии.
-
Сама реактивная струя монолитна и не имеет никаких завихрений.
-
При выходе из сопла проявится дрейф реактивной струи, связанный с её электрическими свойствами.
В целом стоит отметить, что реактивная струя в НП двигателе максимально эффективна, это хорошо видно на рисунке 8-5. В заключение нужно сказать, что в НП двигателе и в камерах сгорания с вихревыми потоками физика явлений разная, несмотря на некоторую схожесть процессов в камере сгорания.
Формула работы НП двигателя
Современный реактивный двигатель стандартной конструкции использует только один вид энергии: химическую энергию ракетного топлива. Однако важно понимать, что, помимо химической энергии, существуют и другие виды энергии. Например: электромагнитная, тепловая, атомная, гравитационная, потенциальная, кинетическая и другие виды (не путать с четырьмя фундаментальными взаимодействиями).
Достижение прогресса в ракетных технологиях невозможно без использования комбинации этих энергий. Естественно, это касается и других энергетических устройств. Наука о том, как комбинировать эти энергии, позволит нам резко повысить эффективность практически любых энергетических устройств, используемых человечеством. Возникает вопрос: не противоречит ли комбинация энергий закону сохранения энергии? Нет! Пример этому - уже используемая комбинация, МГД+ тепловая станция для выработки электроэнергии. При комбинации этих энергий образуются новые, более высокие энергетические уровни. В качестве начального энергетического уровня можно назвать химическую энергию (E=mq), а в качестве высшего уровня - энергию термоядерного синтеза и знаменитую формулу (E= MC2).
В стандартной схеме ракетного двигателя используется энергия горения химического топлива. При горении топлива в камере сгорания получается газ высокого давлении (потенциальная энергия), затем эта энергия в сопловой части преобразуется в кинетическую энергию реактивной струи. Мощность, производимая в камере сгорания таким двигателем, представляет собой P=qm(s). Мощность равна произведению удельной теплоты сгорания и секундного расхода массы топлива.

В НП двигателе эта составляющая тоже есть. Смотри рисунок 9 и правую часть формулы (+qm(s)). Благодаря этой формуле и технологии НП двигателя, запускается сложный физический процесс, связанный с комбинацией физических энергий, смотри рисунок 9 и левую часть формулы. Ранее я уже подробно разобрал левую часть формулы. На основании этой формулы можно сделать вывод, как происходит комбинация энергии в НП двигателе. Левая часть формулы дает основной прирост энергии в работе НП двигателя. В качестве подтверждения этого можно привести пример испытания двигателя с гибридной схемой работы РД1. При переходе со стандартной схемы работы на НП схему, происходит резкое увеличение всех характеристик реактивного двигателя.
На рисунке 9 представлена полная формула мощности (работа двигателя, совершаемая в единицу времени) для НП двигателя.
Физическая схема работы НП двигателя

Консолидированная схема, с учетом физических процессов, при работе НП двигателя (рисунок 10).
При тангенциальной подаче газовой смеси в камеру сгорания происходит её горение. Сама газовая смесь и газ, получаемый в результате реакции горения, начинают вращаться с большой скоростью вдоль стенок камеры сгорания при воздействии центробежной силы (ЦС). В процессе горения происходят процессы ионизации (в основном хемоионизации), то есть образование большого количества заряженных частиц ионов и электронов. Движение любой заряженной частицы создает вокруг себя электромагнитное поле. Движение значимого количества этих частиц, при их ламинарном движении вокруг стенок камеры сгорания, с большой скоростью образует электромагнитное поле. Разделение заряженных частиц происходит, благодаря разной массе ионов и электронов (ионы в 1800 раз тяжелее электронов). При этом нужно понимать, что положительно заряженные ионы подвергаются существенному воздействию ЦС, что приводит к их вращению в камере сгорания по большему радиусу, а электроны остаются в её центральной части. Создается разность потенциалов между зарядами и, как следствие, электромагнитное поле. По мере увеличения давления подачи топливной смеси, возрастает скорость движения частиц в камере сгорания. Во время испытания двигателя тип РД3 была достигнута скорость в камере сгорания- 350 m/s. ЦС, воздействующая на частицы топлива, при этом составляла более 100 тонн на квадратный сантиметр.
Понятно, что в таких условиях, помимо процессов хемоионизации, существенную роль начинает играть комбинация двух факторов: скорость и ЦС, что приводит к дальнейшему повышению количества ионизированных частиц. В таких условиях нейтральные частицы начинают взаимодействовать между собой и, как следствие, терять свое электронное поле. Количество ионизированных частиц резко увеличится. Стоит отметить, что произведенные расчеты, на основании уже проведенных испытаний, показывают, что вполне достижима скорость в камере сгорания более одного километра в секунду, а это уже характеристика детонационного горения. Понятно, что соразмерно возрастает и ЦС. Соответственно, количество заряженных частиц резко увеличится, что, опять же, приводит к усилению электромагнитного поля и, как следствие, увеличению температуры в камере сгорания.
На основании этого, а также по результатам уже проведенных испытаний лабораторных моделей НП двигателя (испытано три модели РД1, РД2, РД3), можно выделить четыре основных фактора, повышающих эффективность его работы, по сравнению с обычной схемой реактивного двигателя. Рассмотрим их:
Фактор 1. В физике существует понятие общей энергии системы, которая может состоять из суммы потенциальной и кинетической энергий. В камере сгорания НП двигателя общая энергия системы представляет собой сумму потенциальной и кинетической энергии. Появление кинетической энергии в камере сгорания обусловлено движением газов с большой скоростью (кинетическая энергия равна произведению квадрата скорости движения газов на массу этого газа, делённые на два), а потенциальная энергия (энергия, полученная при горении топлива) остается неизменной, как и в стандартной схеме реактивного двигателя.
В камере сгорания двигателя со стандартной схемой работы общая энергия системы состоит только из потенциальной энергии (движение газов в камере сгорания практически равно нулю).
Фактор увеличения кинетической энергии у НП двигателя становится более существенным при скоростях в камере сгорания, близких к скорости газов в один километр в секунду и более.
Фактор 2. Электромагнитное поле. Его действие проявляется сразу при пуске двигателя, даже при минимальных значениях давления в камере сгорания. Само это воздействие на продукты горения в камере сгорания проявляется в виде увеличения температуры в камере сгорания (подобные процессы нагрева плазмы электромагнитным полем используются в реакторах типа Токамак). Смотри на картинку 10-1 красная зона. Фактически в центральной части камеры сгорания образуется сто процентная плазменная структура с температурой, как на поверхности Солнца. Подобный подход получения дополнительной энергии уже используется при повышении КПД в схеме МГД генератор+ тепловая электрическая станция. Только в НП двигателе эта дополнительная энергия используется не на выработку электроэнергии, а на разогрев плазмы в центральной части камеры сгорания НП двигателя.
Почему это важно? В НП двигателе увеличение температуры в центральной части камеры сгорания приводит к увеличению эффективности его работы. По мере увеличения давления в камере сгорания и, как следствие, увеличения массы топлива, электромагнитное поле усиливается с квадратичной зависимостью по формуле (рисунок 9).
Фактор 3. Вектор электромагнитной индукции. При возникновении электромагнитного поля, как следствие, всегда появляется вектор электромагнитной индукции (B), действующий в направлении истечения реактивной струи (определяется по правилу правой руки, или по правилу буравчика). Вектор электромагнитной индукции является основной силовой характеристикой поля. Смотри рисунок 10-2 синяя зона. Вектор электромагнитной индукции воздействует на заряженные частицы. Большое количество свободных электронов в центральной части двигателя попадает под его воздействие и начинает разгоняться в сторону сопла, захватывая при этом соседние атомы с образованием ионного ветра. Этот процесс происходит не только к камере сгорания, но и в самой реактивной струе за пределами двигателя. Это связано с тем, что электрические свойства сохраняются в реактивной струе на всем протяжении её действия (дрейф реактивной струи, характеристика плазмы). Благодаря этому, реактивная струя не имеет скачков уплотнения, а её разгон происходит практически до её конца.
Фактор 4. Реактивная плазменная струя. Также следует учитывать, что реактивная струя подвергается магнитно плазменному слипанию, а сама она имеет остаточное давление (P- смотри картинку 10) даже за пределами двигателя, что повышает её эффективность. Соответственно, сам двигатель не требует сверхзвуковой части сопла в своей конструкции. А сама реактивная струя одинакова эффективна, как в космическом пространстве, так и у поверхности планеты.
Все описанные выше процессы усиливаются по мере повышения давления подачи топливной смеси в камеру сгорания НП двигателя по квадратичной зависимости (смотри формулу, приведенную ранее, рисунок 9), и физически это ограничено только конструкцией камеры сгорания и сопловой частью (что, естественно, невозможно для двигателя с обычной схемой работы - проблема 500 секунд).
Также стоит понимать, что перечисленные выше четыре фактора следует рассматривать как единый, неразрывный, комплексный физический процесс.
Перечисленные выше физические процессы позволяют создать реактивный двигатель, сочетающий в себе лучшие характеристики существующей схемы двигателя (высокие тяговые характеристики) и ионного двигателя (высокий удельный импульс).
Процессы, протекающие в НП двигателе очень сложны. Для лучшего понимания эта схема несколько упрощена, однако описывает основные принципы его работы.
Где можно применить схему НП двигателя
На основании вышеизложенного рассмотрим применение НП метода на практике.
1. Реактивные двигатели.
а) Жидкостный реактивный двигатель (ЖРД) на НП обладает значительными преимуществами перед существующими типами реактивных двигателей. Конструкция этого двигателя компактна и принципиально отличается от обычного ЖРД двигателя. Внедрение этого двигателя возможно в течение относительно небольшого промежутка времени. Этот двигатель позволит отказаться от конструкции многоступенчатой ракеты и сделает космические аппараты на сто процентов многоразовыми, что существенно упростит освоение космического пространства. А сами полеты в космическом пространстве будут не сложнее полетов на самолете.

На рисунке 11 представлен внешний вид камеры сгорания: Существующая схема ЖРД (слева) и НП (справа). Стоит отметить, что будет правильнее назвать реактором камеру НП двигателя, поскольку в ней происходят сложные физические процессы.
б) Твердотопливный ракетный двигатель (ТРД). В 70 годы в Советском Союзе были созданы компактные и мощные источники электрической энергии (10 МВт и более) для геофизических исследований на базе пороховых МГД генераторов. Для этой цели были разработаны специальные плазменные пороха и сами устройства типа: Памир-1, Урал и Хибины. Испытания этих устройств показали их высокую эффективность. Для генерации такой мощности использовался специальный заряд массой 100 килограммов (время работы до 10 секунд). С учетом сказанного представляется интересным провести исследования по адаптации этой технологии для создания ТРД на принципах НП двигателя. То есть генерируемую электрическую мощность преобразовать в реактивную струю повышенной эффективности. Создание такого двигателя позволило бы создать ТРД на НП с уникальными характеристиками.
2. Тепловые двигатели. Использование ионизационных свойств углеводородного топлива при его сжигании позволит значительно повысить эффективность работы тепловых машин. Развитие этой технологий увеличивает эффективность применения углеводородного топлива. При этом следует учитывать, что тепловые машины на НП принципе будут более экологически чистыми, что сейчас немаловажно. Кому это интересно? Всем тем, кто производит и использует эти машины, а также компаниям, производящим углеводородное топливо.
3. Ядерный синтез. Существующие установки синтеза используют разнообразные технологии (Токамак, Стелларатор или лазерный термоядерный синтез) для получения плазмы и ее удержания, с нагревом плазмы до сверх высоких температур и большим внешним энергопотреблением. Сами установки очень большие, сложные и, как следствие, дорогие. А возможность их практического применения с целью получения энергии пока не доказана, ведутся работы.
В качестве решения этой проблемы предлагается использовать НП цикл.
В физике ядерный синтез углерода не отвергается и считается возможным. А сам этот элемент недорогой и распространен повсеместно.
У вас возникнет закономерный вопрос, что для этого необходимы температуры в сотни миллионов градусов, причем без гарантии, что что-нибудь получится. И я с вами согласен, однако, на мой взгляд, вариант со сверхвысокими температурами уже исчерпал себя, процессы синтеза очень сложны, и решить их таким образом, видимо, не получится. На мой взгляд, необходима комбинация уже существующих физических процессов и НП цикла. Стоит понимать, что реакция синтеза имеет вероятностный характер, то есть необходимо создавать максимальное количество элементов, повышающих вероятность этого события.
Почему это возможно? Температура горения пары Метан-Кислород порядка 3000 К. За счет дополнительного разогрева в электромагнитном поле при НП цикле появится возможность поднять эту температуру до 6000 К и более. С помощью дополнительного разогрева во внешнем электромагнитном поле (я писал о такой конструктивной возможности НП двигателя в предыдущей статье) эту температуру можно поднять до 40 000 К. При этой температуре плазма в камере сгорания будут двигаться ламинарно со скоростью более 4 км/сек, при воздействии центробежной силы более 50 тысяч тонн на квадратный сантиметр (аналог гравитационного воздействия). Напомню, что создать подобные условия в уже существующих установках ядерного синтеза невозможно.
Также предлагаемый НП цикл, по сравнению с существующими установками, позволяет применять уже существующие технологии для резкого снижения температуры синтеза и повышения её вероятности до приемлемых значений. Перечислим их:
1. Туннельный эффект (переодически возникающая возможность преодолеть Кулоновский барьер при недостатке кинетической энергии).
2.Электростатическое отталкивание ядер можно существенно уменьшить, уравновесив отрицательным зарядом электронов, которые на определенном уровне находятся в общем пространстве НП реактора.
3.Так же следует учитывать в данном типе реактора резонансные частоты и, как следствие, использовать резонансный туннельный переход.
Комбинация этих факторов, при использовании НП цикла, позволит значительно снизить температуру в реакторе до приемлемых значений и получить значимую частоту реакций ядерного синтеза.
Отметим ещё некоторые положительные моменты. Получаемые изотопы в результате синтеза углерода не радиоактивны и, следовательно, сама реакция безопасна. А само получение энергии на базе НП цикла будет несложным и эффективным. Конструкция этого НП реактора будет компактной и практически не требует внешнего энергопотребления. Создание этого устройства потребует серьезных исследований в этой области.
В завершение следует сказать, что эту технологию можно будет использовать для создания ещё более эффективных реактивных двигателей (уже на принципах ядерной технологии).
Заключение и некоторые выводы
В последнее время космические компании обновили линейку своих ракетных двигателей, сто процентная многоразовость конструкции двухступенчатых ракет практически достигнута. Зачем тратить время и деньги на что-то принципиально новое? Если все уже придумано и в ближайшем будущем начнет работать.
Объясню. Тут есть одна фатальная проблема. Проблема заключается в том, что КПД существующего жидкостного реактивного двигателя ничтожен, менее одного процента.
Возьмем в качестве топливной пары водород-кислород (наиболее эффективная топливная пара). КПД такого двигателя равен отношению кинетической энергии к выделившемуся теплу. Выделившееся тепло рассчитаем по формуле E=mq (рисунок 1-2), кинетическая энергия E=mV2/2 (стандартная формула). Удельная теплота сгорания водорода L=120 Мдж/кг, скорость истечения газов V=4.5 км/сек. Если это посчитать, то вы получите КПД=0.9%. В реальный жизни он еще ниже. Это происходит из-за того, что невозможно в краткий миг преобразовать такое количество потенциальной энергии с помощью существующего соплового устройства реактивного двигателя в кинетическую энергию, и более 99% энергии мы просто теряем. Это подсказка для специалистов и их бесконечных размышлениях о вечном двигателе. А на самом деле, как видите, до вечного двигателя тут до неприличия далеко.
В случае, например, ионных двигателей этот КПД может быть уже более 30%. В этом двигателе процессы горения отсутствуют, а разгон реактивной струи происходит за счет электромагнитного поля. Однако тяга таких двигателей обычно менее 1 Ньютона.
Вообще, любая трансформация энергии с помощью электромагнитного поля чрезвычайно эффективна. Например, КПД электродвигателя уже более 90%.
Ровно поэтому нам и необходимо использовать электрические свойства материи при горении углеводородов.
Еще один пример: из реактивной авиации. Современный двухконтурный гражданский реактивный двигатель имеет эффективность до 14000 секунд, а один из лучших-ракетный двигатель типа RS25 имеет эффективность не более 460 секунд (вакуумная версия). Авиационный двигатель более чем в 30 раз эффективнее ракетного. Даже с учетом работы авиационного двигателя в атмосфере Земли это слишком, слишком много.
Наши системы по доставке грузов на орбиту должны быть существенно эффективнее, быть достаточно компактными, иметь только одну ступень, а их надежность должна быть не ниже авиационной техники.
К сожалению, сегодняшние возможности при разработке ракетных двигателей (из-за ограничений накладываемых термодинамикой и стереотипов человеческого
Однако, физика сильно продвинулась в области получения энергии (формула E=MC2). По этой формуле мы уже умеем использовать материю для получения энергии, причем эффективно. Также мы уже умеем повышать КПД тепловых машин для выработки электроэнергии, используя цикл МГД+ тепловая машина, причем существенно. В этом методе энергия, полученная по разной технологии, суммируется, повышая тем самым общий КПД.
Нам необходимо просто поменять наше отношение к материи и понять, что в ней скрыт огромный потенциал для получения дополнительной энергии, с возможностью её использования.
Внедрение НП двигателя решит проблему быстрейшего освоения космического пространства и ближайших планет. О принципах работы НП двигателя я вам уже достаточно подробно рассказал в этих двух статьях, следует добавить, что эту технологию необходимо использовать не только для космических систем, но и для любых тепловых машин с целью повышения эффективности их работы. В первую очередь это касается углеводородного сырья при его использовании в тепловых машинах.
Данная работа проводится за счет собственных средств и по личной инициативе. Я умышленно не патентую эту технологию с целью равной доступности её для всех, кто заинтересован в ней. Вы можете использовать её без ограничений. Однако вы должны понимать, что её использование потребует от вас значительных усилий и средств, а сама конструкция НП двигателя, описанная в предыдущей статье предназначена только для проверки технологии в лабораторных условиях. Естественно, конструкция НП двигателя для реального применения будет принципиально другой.
Автор: glebkulev