СПОСОБ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЯГИ
METHOD OF GENERATING ELECTRODYNAMIC THRUST

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроэнергетическим и электродинамическим установкам, и может быть использовано для придания движения аэрокосмическим аппаратам, а также наземным, водным и подводным транспортным средствам.
Наиболее близким по физической сущности является способ, реализованный в «Электродинамическом движителе» (патент RU 2453972, H02K 51/00), сущность которого заключается в том, что электрической дугой в ортогональном полю дуги анодном поле электронной пушки ионизируют рабочее вещество, образуя из него электронные пучки, которые по двухполупериодной схеме преобразуют в переменный ток в обмотках индуктора, создающий вектор индукции в ферромагнитном магнитопроводе и вектор тока в якоре, расположенном в зазоре магнитопровода индуктора и жестко соединенном с корпусом транспортного средства.
Взаимодействие вектора индукции с вектором тока создает тяговое усилие [электродинамический вектор импульса силы F·t=mΔυ (Л.А. Сена. Единицы физических величин и их размерности, - М., Наука, 1977. с.119)], движущее транспортное средство в направлении этого вектора, вызывая каждым импульсом F·t соответствующее изменение скорости Δυ=F·t/m, где m - масса транспортного средства.
Недостатком прототипа является то, что в тяговое усилие преобразуется только часть (порядка 1/3) энергии электронных пучков в виде тока электропроводимости (в тяговое усилие можно преобразовать конвекционные токи и токи смещения электронных пучков).
Согласно теории электромагнитного поля (К. Шимони. Теоретическая электротехника. - М.: Мир, 1964, с. 42…50) электромагнитные процессы электронного пучка можно описать с помощью уравнений Максвелла - Лоренца:
где Н - вектор напряженности магнитного поля;
ПР
J=Eγ - вектор плотности тока проводимости,
Е - вектор напряженности электрического поля,
γ - удельная электропроводимость электрической цепи;
K
J=ρυ - вектор плотности конвекционного тока,
ρ - объемная плотность зарядов в электронном пучке,
υ - вектор скорости зарядов в электронном пучке;
<mrow><msub><mi>J</mi><mrow><mi>C</mi><mi>M</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>ε</mi><mo>∂</mo><mi>E</mi><mo>/</mo><mo>∂</mo><mi>t</mi><mo>=</mo><msub><mi>ω</mi><mi>ρ</mi></msub><mi>ε</mi><mi>E</mi></mrow>
- вектор плотности токов смещения,
ρ
µ - магнитная и ε - диэлектрическая проницаемость среды электронного пучка, ω - рабочая циклическая частота.
Кроме того, воздушный зазор в магнитопроводе индуктора создает большие потери энергии электромагнитного поля, что снижает значение создаваемого тягового усилия и КПД.
Задачей изобретения является повышение КПД и увеличение тягового усилия за счет использования конвекционных токов и токов смещения электронных пучков, а также за счет устранения зазора в магнитопроводе индуктора.
Поставленная задача решается тем, что электрической дугой в ортогональном полю дуги анодном поле электронной пушки ионизируют рабочее вещество, образуя из него электронные пучки, которые по двухполупериодной схеме преобразуют в переменный ток проводимости, направляемый в обмотку индуктора, в ферромагнитном магнитопроводе которого возбуждается переменное магнитное поле с соответствующим вектором индукции, создающим вектор тока, взаимодействие которых создает электродинамический вектор импульса силы, движущий транспортное средство, согласно изобретению дополнительно превращают в переменный ток с помощью индукционного преобразования -конвекционные токи и емкостного преобразования - токи смещения, выделяемые из электронных пучков и обеспечивают взаимодействие вектора магнитной индукции замкнутого магнитопровода с ортогональным ему вектором тока, протекающего между электродами, охватывающими внешнюю и внутреннюю поверхности замкнутого магнитопровода.
На чертеже представлена функциональная схема устройства, с помощью которого может быть реализован заявляемый способ создания электродинамической тяги.
ЭД
ЭД
В
a
p
5-7
1
2
3
a
ЭД
р1
р2
1
2
р
Данное устройство содержит: электродуговой плазмотрон 1, заполненный рабочим веществом (разряженным газом) с анодом A и катодом К электрической дуги; электронные пушки 2 с аксиальными выходными анодами А, на которые подают противофазные напряжения U циклической рабочей частоты ω; индукционные преобразователи 4, выполненные на ферромагнитном тороидальном магнитопроводе, охватывающем электронный пучок 3; рабочие электроды 5 с рабочей полостью (РП) 6, выполненные из материала проводника первого рода, поэтому на поверхности рабочей полости 6 образуется двойной электрический слой; металлические обкладки 7, изолированные диэлектриком 8 от рабочих электродов 5, образующие конденсаторы C, соединенные последовательно с электрической емкостью двойного электрического слоя рабочих полостей 6; электроды торможения 9; индуктивные обмотки L, L, L, L первичной цепи силового трансформатора - преобразователя (СТП), выполненного на электропроводящем ферромагнитном замкнутом (без зазора) магнитопроводе (МП) 11, жестко соединенном с корпусом «К» транспортного средства, причем СТП выполнен симметричным относительно средней точки 10, соединенной с катодом К плазмотрона 1 и корпусом устройства; конденсаторы С, С, создающие резонанс с соответствующими обмотками индуктивностей L, L; вторичную цепь 12 и токовую обмотку 16 силового трансформатора - преобразователя СТП; сеть 13 потребителей электроэнергии (бортовую сеть мобильного аппарата) с циклической рабочей частотой ω, имеющую регулируемый преобразователь напряжения (РПН) электрической дуги (ЭД); металлические электроды - обкладки 14 и 15, расположенные на внутренней и наружной сторонах замкнутого МП 11; и фазоинвертор тока 17, имеющий режимы работы: «вперед», «реверс», «нейтраль».
ЭД
ЭД
В
Работает данное устройство следующим образом. С помощью электрической дуги ионизируют рабочее вещество (разряженный газ) между анодом A и катодом К плазмотрона 1 в ортогонально направленном полю дуги анодном поле A электронной пушки 2.
ЭД
ЭД
В
ЭД
ЭД
В
a
B
Каждый ионизированный атом рабочего вещества дает два противоположно заряженных иона, электрон с зарядом «-е» и катион с зарядом «+е», которые движутся в противоположные стороны, катион - к катоду К, электрон - к аноду А. Под действием поля аксиального выходного анода А электронной пушки 2, создающего напряженность поля в 10-15 раз большую, чем напряженность поля электрической дуги, электроны выходят из области дуги между А и К и устремляются к выходному аноду А, проходя через аксиальное отверстие выходного анода, получая потенциал U анода А и соответствующую скорость:
<mrow><msub><mi>ϑ</mi><mrow><mi>e</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mrow><mrow><mrow><mn>2</mn><mi>e</mi><msub><mi>U</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mo>/</mo><mi>m</mi></mrow></mrow><mi>e</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mrow>
,
e
где m - масса электрона.
p
ЭД
Электроны объединяются в электронный пучок 3, модулированный рабочей частотой ω. В это время катионы ионизированного рабочего вещества, обладающие массой на 4-5 порядков больше, чем электроны, практически не изменяя своей траектории движения, приходят на катод К, заряжая его положительно.
<mrow><msub><mi>S</mi><mi>И</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>I</mi><mi>K</mi><mn>2</mn></msubsup><msub><mi>ω</mi><mi>p</mi></msub><msub><mi>L</mi><mi>И</mi></msub><mo>;</mo><mtext> </mtext><msub><mi>B</mi><mrow><mi>М</mi><mi>П</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>М</mi><mi>П</mi></mrow></msub><msub><mi>I</mi><mi>К</mi></msub><msub><mi>W</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><msub><mi>ω</mi><mi>р</mi></msub><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
При прохождении электронного пучка 3 через индукционный преобразователь 4 конвекционный ток электронного пучка преобразуется в индукцию в магнитопроводе 11 и электрическую мощность, которые можно определить из зависимостей:
.
И
1
р1
где L - эквивалентная индуктивность преобразователя 4, соединенного с индуктивной обмоткой L через конденсатор C;
K
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>K</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>J</mi><mi>K</mi></msub><mi>π</mi><msubsup><mi>r</mi><mi>П</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
I - конвекционный ток, который равен
;
K
J - плотность конвекционного тока;
П
r - радиус электронного пучка;
МП
µ - магнитная проницаемость МП 11;
1
1
1
W и l, - число витков и длина магнитного контура индуктивной обмотки L;
И
K
К - коэффициент преобразования конвекционного тока I в индукционном преобразователе 4.
1
p1
р
МП1
Эта мощность через обмотку L, настроенную с конденсатором С в резонанс на рабочую частоту ω, преобразуется в индукцию В и передается силовым трансформатором - преобразователем, выполненным на МП 11, в токовую обмотку 16, во вторичную обмотку 12 и в бортовую сеть 13.
вх
вых
сж
<mrow><msubsup><mi>К</mi><mrow><mi>с</mi><mi>ж</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>ρ</mi><mn>2</mn></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msubsup><mi>I</mi><mi>К</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msubsup><mi>J</mi><mi>К</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>,</mo></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Чем больше отбирается мощности из электронного пучка, тем сильнее тормозятся электроны, снижая свою скорость, пучок расширяется, уменьшается плотность заряда в пучке и его энергия. Для увеличения плотности заряда в пучке 3 его сжимают в рабочей полости 6 за счет сходящейся конусности по ходу пучка и электрического поля двойного электрического слоя на поверхности РП 6. Отношение диаметра входного отверстия рабочей полости 6 к выходному диаметру характеризует коэффициент сжатия пучка (d/d=К), который определяет во сколько раз увеличивается плотность заряда в пучке и сила конвекционного тока. Энергия и мощность, соответственно, растут пропорционально квадрату коэффициента сжатия (
), так как они пропорциональны квадратам плотности заряда, конвекционного тока, плотности конвекционного тока
.
2
В
a
a
a
La
La
L2
2
В
Затем полем двойного электрического слоя в цилиндрической части РП 6 удерживают электронный пучок 3 в сжатом состоянии, сохраняя его потенциальную энергию и мощность, при торможении пучка 3 тормозящим полем электрода торможения 9. На электроды торможения 9 подают напряжение с части обмотки L, на анод A - со всей обмотки L, поэтому напряжение на электроде 9 меньше, чем U, так как U=U, a U и U в первом приближении одинаковы. В электрод торможения 9 входят передние электроны пучка, образуя ток проводимости электромагнитной цепи индуктивной обмотки L, вдавливаемые задними электронами пучка 3, имеющими большую скорость, создаваемую выходным анодом А электронной пушки 2.
<mrow><msub><mi>W</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>m</mi><mi>e</mi></msub><mrow><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ϑ</mi><mrow><mi>е</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>ϑ</mi><mrow><mi>е</mi><mi>Т</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>T</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>m</mi><mi>e</mi></msub><mrow><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ϑ</mi><mrow><mi>е</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>ϑ</mi><mrow><mi>е</mi><mi>Т</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><msub><mi>ω</mi><mi>p</mi></msub><mi>t</mi></mrow></msup></mrow><mo>/</mo><mrow><mn>2</mn><mi>e</mi></mrow></mrow></mrow>
За счет торможения электронного пучка 3 у него отбирается кинетическая энергия
, которая превращается в напряжение на электроде торможения 9
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>L</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mi>T</mi></msub><msub><mi>I</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>U</mi><mi>Т</mi><mn>2</mn></msubsup><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Р</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mtext>B</mtext><mrow><mtext>МП2</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mtext>μ</mtext><mrow><mtext>МП</mtext></mrow></msub><msub><mtext>I</mtext><mrow><mtext>ПР</mtext></mrow></msub><msub><mtext>W</mtext><mtext>2</mtext></msub><mo>⋅</mo><mtext>exp</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mrow><mtext>jω</mtext></mrow><mtext>ρ</mtext></msub><mtext>t</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mrow><mtext>/l</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msub></mrow>
2
l2
и в соответствующую мощность
, отбираемую из электронного пучка в виде тока проводимости в первичной электрической цепи индуктивной обмотки L, создающего в МП 11 индукцию
, и мощность S, трансформируемую в обмотку 16 и сеть потребителей электроэнергии 13.
<mrow><msub><mi>ϑ</mi><mrow><mi>е</mi><mi>Т</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mi>Т</mi></msub><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Р</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>g</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>b</mi><mi>L</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>b</mi><mi>C</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></mrow></msup></mrow>
Здесь:
- скорость электронов, входящих в электрод торможения 9, создающих силу тока проводимости
, в электрической цепи, обладающей электропроводимостью
,
2
где g - активная электропроводимость цепи обмотки индуктивности L;
2
2
2
W и l - число витков и длина магнитного контура обмотки индуктивности L;
L
p
2
b=1/ωL - индуктивная проводимость;
C
p
p2
2
P2
р
b=ωC - емкостная проводимость электрической цепи индуктивной обмотки L совместно с конденсатором С, настроенных в резонанс на рабочей частоте ω.
2
МП2
Регулированием напряжения на обмотке индуктивности L можно устанавливать степень торможения электронного пучка 3 и количество отбираемой из него энергии (мощности), создаваемой индукции В и передаваемой электроэнергии в бортовую сеть 13.
5-7
5-7
5-7
5-7
ДЭС
5-6
Рабочие электроды 5 и металлические обкладки 7, изолированные между собой диэлектриком 8, являются конденсаторами C, получающими заряд сжимаемых пучков 3 через емкость «двойного электрического слоя», т.к. C соединен последовательно с электрической емкостью «двойного электрического слоя» на поверхности рабочей полости 6. При последовательном соединении электрических емкостей их заряды одинаковы. Поэтому напряжение U на конденсаторе C будет в C/C раз больше напряжения «двойного электрического слоя» в рабочей полости 6, что составляет 3-4 порядка.
5-7
ДЭС
5-7
ДЭС
ДЭС
5-7
U=q/C=U·C/C.
3
5-7
p
3
р
5-7
-1
Это напряжение подают на обмотку индуктивности L силового трансформатора-преобразователя, выполненного на МП 11, работающую совместно с конденсатором C в режиме резонанса напряжений, ωL=(ωC).
3
МП3
Мощность, передаваемая через этот конденсатор в электрическую цепь L силового трансформатора-преобразователя, преобразуется в индукцию В в МП 11 и трансформируется в бортовую сеть 13.
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>L</mi><mn>3</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>U</mi><mrow><mn>5</mn><mo>−</mo><mn>7</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>ω</mi><mi>P</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>5</mn><mo>−</mo><mn>7</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mn>5</mn><mo>−</mo><mn>7</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>/</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>P</mi></msub><msub><mi>L</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>B</mi><mrow><mi>М</mi><mi>П</mi><mn>3</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>М</mi><mi>П</mi></mrow></msub><msub><mi>I</mi><mrow><mi>С</mi><mi>М</mi></mrow></msub><msub><mi>W</mi><mn>3</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>exp</mi><mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><msub><mi>ω</mi><mi>ρ</mi></msub><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>/</mo><mrow><msub><mi>l</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mrow></mrow>
;
;
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>С</mi><mi>М</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mn>5</mn><mo>−</mo><mn>7</mn></mrow></msub><msub><mi>ω</mi><mi>p</mi></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>5</mn><mo>−</mo><mn>7</mn></mrow></msub></mrow>
- сила тока смещения;
3
3
3
W и l - число витков и длина магнитного контура индуктивности L.
a
B
МП1
МП2
МП3
МП123
При смене полярности полуволны напряжения U, на выходном аноде А электронной пушки 2, под действием положительной полуволны напряжения, образуется электронный пучок, из которого получают электрическую мощность и создают индукцию В+В+B=В и электродинамическую тягу в другом плече симметричной электрической цепи СТП, выполненного на МП 11.
Происходит двухполупериодное преобразование конвекционного тока, тока смещения, тока проводимости в индукцию, электродинамическую тягу и электрическую мощность рабочей частоты бортовой сети 13.
ЭД
МП123
Совершив работу в электрической цепи СТП, электроны приходят на катод электрической дуги К, где рекомбинируют катионы в атомы и молекулы рабочей среды, вновь подвергаемой ионизации электрической дугой, для очередного цикла создания индукции B, электродинамической тяги, получения электроэнергии и ее трансформации в бортовую сеть 13.
МП123
14-15
МП123
Вектор индукции В в токовой обмотке 16 наводит ЭДС индукции, под действием которой между электродами-обкладками 14 и 15 идет электрический ток I в МП 11, ортогональный вектору индукции В.
МП123
14-15
T
T
<mrow><mi>F</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>B</mi><mrow><mi>М</mi><mi>П</mi><mn>123</mn></mrow></msub><mo>×</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mn>14</mn><mo>−</mo><mn>15</mn></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mi>B</mi><mrow><mi>М</mi><mi>П</mi><mn>123</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mi>V</mi><mi>h</mi><msub><mi>ω</mi><mi>р</mi></msub><mi>γ</mi><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><mn>2</mn><msub><mi>ω</mi><mi>р</mi></msub><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>m</mi><mi>Т</mi></msub><msub><mi>υ</mi><mi>Т</mi></msub></mrow>
Взаимодействие ортогональных векторов В и тока I в МП 11 создает электродинамический вектор импульса силы
, движущий транспортное средство с соответствующим приращением скорости Δυ=F·t/m,
где V- объем магнитопровода 11, V=s l,
s - площадь сечения МП 11,
l - длина МП;
h - расстояние между электродами-обкладками 14 и 15;
γ - удельная электропроводимость МП 11;
T
m - масса транспортного средства [см. Л.А. Сена: Единицы физических величин и их размерности. - М.: Наука. 1977, с.119].
t
14-15
15-14
t
t
При установке фазоинвертора тока 17 в режим работы «вперед» создается импульс силы F, движущей объект вперед головной частью. При установке в фазоинверторе 17 режима «реверс» вектор тока I в МП 11 изменяет направление на противоположное I и соответственно изменяет направление на противоположное электродинамический вектор импульса силы F, а двигающееся вперед транспортное средство будет снижать скорость до нуля и начнет перемещаться назад. При режиме фазоинвертера 17 «нейтраль» вектор тока в МП 11 между электродами-обкладками 14, 15 и, соответственно, вектор F будут равны нулю. Вся электроэнергия, получаемая из электронного пучка 3, трансформируется в бортовую сеть 13 и может использоваться для электропитания других систем мобильного аппарата.
р
Таким образом, по предлагаемому способу создания электродинамической тяги осуществляют двухполупериодное преобразование энергии электронного пучка 3 в индукцию в МП 11, в импульс силы (количество движения) и электрическую мощность конвекционных токов, токов смещения, токов проводимости, трансформируемую на рабочей частоте ω в бортовую сеть 13.
Применение индукционного и емкостного преобразования совместно с преобразованием энергии электронного пучка 3 в токи проводимости существенно повышает коэффициент использования энергии (мощности) электронного пучка 3, увеличивая количество создаваемой мощности получаемой электроэнергии. Кроме того, замкнутый магнитопровод устраняет потери, присущие прототипу, поэтому возрастает КПД предлагаемого способа, увеличивается тяговое усилие.