О нетепловой реактивной силе, возникающей при электрическом разряде в системе эмитирующих электродов Текст научной статьи по специальности «Физика»

нетепловои реактивнои силе, возникающей при электрическом разряде в системе эмитирующих

электродов.

Г. С. Лукьянчиков fsergeichev@ran.gpi.ru ) Научно-технологический центр ПЛАЗМАИОФАН, Вавилова 38,

ВВЕДЕНИЕ

Одним из методов получения реактивной тяги в космическом вакууме является использование ионного двигателя [1-4]. Отталкивание ионов от аппарата здесь происходит в ограниченном объеме, в электрическом поле локализованном между электродами и фактически экранированном от окружающего пространства. Цель данной работы обратить внимание на то, что взаимное отталкивание ионов и аппарата возможно и с иными, предельно простыми электродными системами, с не локализованным, а распределенным по всему пространству полем. Системы такого рода состоят из удаленных друг от друга раз-нополярных электродов, каждый из которых является независимым эмиттером ионов. Такие системы с эмиттирующими, разнесенными электродами ниже будем называть ЭРЭ системами, а электрический разряд, протекающий при эмиссии разнополярных ионов с их электродов, ЭРЭ разрядом. ЭРЭ системы позволяют размещать электроды вне основной части аппарата, как угодно далеко разносить электроды друг от друга, что позволяет задавать электродам сколь угодно большие размеры и потенциалы. Это должно привести к гораздо большей реактивной силе нежели та, что реально может обеспечить система с локализованным полем. При всем этом ЭРЭ системы обладают способностью формировать реактивную силу не только в вакууме, но и в вязкой среде. Возможно, что изучение ЭРЭ разряда и ЭРЭ систем откроет путь к созданию транспортных средств с новыми полезными качествами. Под ионами здесь будем понимать, как атомные и молекулярные ионы, так и пылинки, капельки и прочие макрочастицы с электрическим зарядом.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ЭРЭ СИСТЕМЫ.

Механизм формирования реактивной силы можно уяснить на примере работы простейшей ЭРЭ системы состоящей из двух сферических электродов 1 и 2, обладающих одинаковыми радиусами г0, несущих равные по

жительный заряд, электрод 2 - отрицательный. Заряженные частицы эмиттирован-ные каждым из электродов из зоны с размером Л движутся к другому электроду внутри силовой трубки. Верхняя и нижняя дуги - верхняя и нижняя границы силовой трубки. Волнистые стрелки - примерная траектория частиц в вакууме и в среде при сильном токе, когда частицы увлекают вещество среды и увлекаются им сами,3,4- оболочки из вещества с высокой пробивной прочностью, толщиной-Ь

абсолютной величине заряды О и -О , находящихся в вязкой среде, где скорость заряженных частиц V , напряженность электрического поля Е и подвижность частиц ц связаны соотношением

V = ц Е ( 1 )

Пусть с поверхности электродов, где напряженность электрического поля равна Е 0 ,эмиттируются равные токи из зон равных друг другу по размерам и по форме и являющихся участками поверхности электродов вырезаемыми на них одной и той же трубкой силовых линий электрического поля. Пусть, для простоты, подвижности частиц эмитируемых электродами 1 и 2 равны по абсолютной величине ц . Такая ЭРЭ система с размером эмитирующих зон И показана на рисунке 1. Источник электродвижущей силы, положительным полюсом соединенный с электродом 1, а отрицательным с электродом 2 и поддерживающий неизменными заряды электродов О и -О на рисунке не представлен. Пусть эмитируемые токи столь малы, а поле электродов столь велико, что :

1-продольное, вдоль трубки поле электродов Е| и поле пространственного заряда ЕЧ| в любой точке трубки удовлетворяют условию ЕЧ| << Е| ,

2- Диффузионное смещение частицы за время ее движения от силовой линии проходящей через точку ее эмиссии, - I удовлетворяет условию:! << И.

3 - поперечное поле пространственного заряда мало и потому основная часть частиц не выходит за границы трубки;

4-скорость вещества среды увлекаемого заряженными частицами vs<< V. При выполнении этих условий частицы , в соответствии с ( 1 ), будут двигаться в границах силовой трубки в виде двух встречных, разноименно заряженных потоков. Из-за рекомбинации каждый из потоков, по мере удаления от своего эмиттера, будет ослабевать. К сечению трубки, равноудаленному от электродов потоки подойдут в равной степени ослабленными и суммарная плотность их электрических зарядов здесь будет равна нулю. А по каждую сторону от этого сечения численно будет преобладать плотность частиц того потока, который проделал меньший путь от своего эмиттера . Значит каждая из половин объема силовой трубки обладает зарядом той же полярности, что и полярность электрода прилегающего к ней. Участки силовой трубки заряженные положительно и отрицательно имеют одинаковые объемы, несут равные заряды и относительно каждого из электродов расположены так, что та часть трубки которая несет тот заряд от которого данный электрод отталкивается находится близко к нему, а та часть, к которой он притягивается далеко. Это и приводит к тому, что в целом оба электрода отталкиваются от объема занимаемого трубкой.

Обозначим составляющие силы кулоновского воздействия на электрод 1 со стороны всего заряда трубки в направлении осей х и у как Р1Х и Р1У , а те же составляющие силы приложенные к электроду 2, как Р2Х и Р2У .

Поскольку в направлении оси х электроды находятся по разные стороны, а в направлении у по одну сторону от отталкивающей их трубки, то составляющие сил Р1Х и Р2Х ,в силу симметрии равные друг другу, направлены в противоположные стороны, а равные друг другу силы Р1У и Р2У направлены в одну сторону; Р1Х = - Р2Х, Р1У = Р2у. К платформе на которой крепятся электроды 1 и 2 силы Р1Х и Р2Х приложены в разных направлениях и создают в ней лишь механическое напряжение растяжения. В отличие от этого, силы Р1У и Р2у действуют в одном направлении и если платформа не закреплена, приведут ее в движение.

При увеличении эмиттированного тока увлечение вещества среды движущимися заряженными частицами приведет к тому, что их траектория выйдет за пределы силовой трубки. Примерные траектории частиц для этого режима показаны на рисунке 1 волнистыми стрелками.

Заметим , что качественно примерно такими же будут траектории эмитированных частиц и в вакууме, поскольку в этом случае половину своей энергии частицы получат на расстоянии и г0 от места эмиссии, в области пространства, где электрическое поле близко радиальному. Очевидно, что в обоих этих случаях сохранится эффект преобладания в пространстве прилегающем к электроду частиц одноименной с ним полярности, а значит сохранится и эффект отталкивания электродной системы в целом от эмитированного облака заряженных частиц .

КРИТИЧЕСКИЙ ТОК, МАКСИМАЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ. Можно оценить величину максимально возможного давления на поверхность эмитирующих зон, со стороны пространственного заряда при заданном значении Е0.. Действительно, по-

ле пространственного заряда у поверхности эмиттера противоположно полю электрода и препятствует выходу частиц из эмиттера. Поэтому эмиттируемый при ЭРЭ разряде ток не может превысить некоторый критический ток, при котором поле его пространственного заряда сравнивается у поверхности эмиттера с полем электрода Е0. В этом случае поверхность эмиттера будет испытывать максимально возможное для данного значения Е0 давление. Будем считать, что поле пространствен-ного заряда критического тока направленное к электроду и равное Е0 оказывает на него такое же давление рт какое оказывало бы на электриче-ски заряженную плоскость, пораждающую такое же по величине поле Е0 ,

Рт = 2 6 60 ' Е02 . ( 2 ). Где 6-относительная диэлектрическая проницаемость среды, б0 = 8,8510-12.

Большее давление чем рт и соответственно больший ток, нежели критический, при данном значении Е0 в ЭРЭ разряде получены быть не могут. Вакууму и средам с разными значениями ц одному и тому же значению Е0 будут соответствовать одинаковые давления рт но разные величины критического тока. Самым большим критический ток будет в вакууме. В средах критический ток будет тем меньше, чем меньше ц. В пределе, при ц = 0, критический ток равен нулю.

Для примера оценим давление рт в воздухе при нормальных условиях ( 6 = 1), при пороговой для наступления электрического пробоя напряженности и 3' 106 (В/м). Из ( 2 ) получим рт = 160 (Н/м ).

ДОСТИЖЕНИЕ БОЛЬШЕГО ДАВЛЕНИЯ. Некоторое ус-

ложнение электродов позволяет сохранять работоспособность ЭРЭ систем при напряжен-ностях Е0 больших, чем напряженность электрического поля Е к1 при превышении которой происходит электрический пробой в среде. Пусть вся поверхность электрода за исключением эмитирующей зоны покрыта оболочкой толщиной Ь ( Рис. 1), состоящей из вещества пробивная напряженность которого Ек2 > Е к1 .

Электрический пробой не произойдет в веществе изолирующей оболочки если Е 0 < Е к2 . Если же для сферического электрода окруженного сферической оболочкой соблюдено условие

Е 0 < Е к1 (Г0 + Ь )2/ Г02 , то пробой не произойдет и во внешней среде прилегающей к оболочке.

Электрического пробоя можно избежать и в пространстве прилегающем к эмитирующей зоне, если согласовать во времени темп повышения Е0 и темп нарастания величин эмитированных токов. Действительно, обратим внимание на то, что в пространстве над эмитирующей поверхностью направления электрических полей электродов Е0 и пространственного заряда Еч противоположны. Из этого следует, что если синхронизовать изменение величины поля Е0 и интенсивность эмиссии заряженных частиц, так чтобы выполнялось условие Е0 - Еч < Ек1, то электрического пробоя в пространстве над эмиттером не произойдет ни при каком, сколь угодно большом Е0 .

Таким образом, оболочка из вещества с высокой электрической прочностью и согласование темпа повышения Е0 и силы эмитированного тока позволяет иметь Е0 > Ек1.

Так, например, если электрод окружен тонкой газонепроницаемой, электроизолирующей оболочкой, такой, что Ь/г0 и 1, заполненной газом СР3 ЗР5 , обладающим в 3,05 раз большей электрической прочностью нежели воздух, значение Е0 , в сравнении с приведенным выше примером, может быть повышено в 3 раза, а давление рт в 9 раз.

ПРЕИМУЩЕСТВА, ПОЛУЧАЕМЫЕ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭРЭ РАЗРЯДА ДЛЯ СОЗДАНИЯ РЕАКТИВНОЙ СИЛЫ.

В большинстве транспортных средств, перемещающихся не по земле, используются два метода получения реактивной силы - направленный вы-брос разогретого газа или использование воздушных или гребных винтов. Первый метод, как и метод применения ЭРЭ разряда, универсален, он пригоден для использования и в вакууме и в средах, но, в отличие от применения ЭРЭ разряда, обладает тем недостатком, что при его исполь-зовании бесполезно теряется часть энергии,- теряется та тепловая энергия, что содержится в горячей выбрасываемой массе.

В эффективности использования энергии ЭРЭ разряд может выиграть и в сравнении со вторым методом, который применим лишь в случае достаточ-но плотных сред. Дрейфуя под действием электрического поля, эмиттиро-ванные частицы, как и гребные лопасти увлекают вещество среды. Однако, специфика эмиттированных частиц состоит в том, что из-за их малости их силовое взаимодействие со средой может происходить без образования в ней вихрей, которые при работе обычных винтов уносят до половины всей энергии затрачиваемой на формирование реактивной силы.

Например, если частицы являются сферами радиуса г, то для их безвихревого движения нужно, чтобы относительно среды обладающей вязкостью п и плотностью р они двигались с такой скоростью V, чтобы число Рейнольдса

Ре = V ' г ' р / п ( 3 )

было много меньше 1. Напомним, что эмиттироваться электродами могут не только атомные и молекулярные ионы но и электрически заряженные капельки жидкости, пылинки и т. п..

Если Ре << 1 и на частицу с зарядом е действует сила е Е , то справедлива формула Стокса

V = е' Е / 6' п ' п г ( 4 ).

Подставив ( 4 ) в ( 3 ) и потребовав Ре << 1, получим условие безвихревого движения частицы .

е Е<< 6 л'п / р ( 5 ).

Так для воздуха в нормальных условиях п = 1,710-5(кг/мс), р =1(кг/м3), а масимально допустимое поле Ек1 и 3106(В/м). Подставив эти значения

в ( 5 ) найдем величину заряда е , когда при любом поле меньше пробойного вихрей в воздухе, находящемся в нормальных условиях, не будет.

е << 1,710-15 (Кл) ( 6 ).

В ЭРЭ системах возможно использование иных по форме электродов, а не только шарообразных, как это рассматривалось выше. Так электроды могут быть выполнены в ?

3 О

виде протяженных, параллельных цилиндров. В качественном отношении, картины электрического поля и траекторий частиц в поперечном сечении таких ЭРЭ систем, будут близки соответствующим картинам ЭРЭ систем со сферическими электродами ( рисунок 1). Близкими картинами в поперечных сечениях обладают и ЭРЭ системы с тороидальными, соосными электродами, лежащими в одной или параллельных плоскостях, при соблюдении условия, что кратчайшее расстояние между торами много меньше их больших радиусов. Такие электродные системы так же могут быть использованы для формирования реактивной силы, поскольку факторы приводящие к появлению реактивной силы в ЭРЭ системе с сферическими электродами здесь присутствуют в той же мере.

Наиболее простой ЭРЭ системой, обеспечивающей максимальный размер эмитирующих, зон представляется электродная система состоящая из соосных колец опоясывающих аппарат снаружи (рисунок 2, слева). Близок этому и вариант, когда лишь один электрод опоясывает аппарат кольцом, а второй электрод (или электроды) расположен на оси этого кольца ( рисунок 2 справа ).

Из изложенного вытекает возможная универсальность, "вездеходность" аппаратов с ЭРЭ системами которые, по-видимому, смогут работать и в вакууме и в средах и, кроме того, в обоих этих случаях могут оказаться более энергоэкономичными нежели используемые устройства, к тому же отсутствие частей движущихся относительно друг друга, а также подверженных действию высоких температур и давлений может сделать аппараты с ЭРЭ системами и более надежными в сравнении с существующими аппаратами.

ПРОБЛЕМЫ ТРЕБУЮЩИЕ РЕШЕНИЯ Рисунок 2. Упрощенные схемы транспортных аппаратов с ЭРЭ системами. Слева схема аппарата, где ЭРЭ система состоит из двух соосных колец3 оЪоясы-вающих корпус аппарата 1.

1

3

2

Справа, аппарат, где один кольцевой электрод - 3 опоясывает корпус аппарата -1, а два шарообразных электрода - 2, находятся на на оси электрода 3 . Эти электроды могут быть объединены с корпусом 1 в единое целое.

Несмотря на достоинства аппаратов с ЭРЭ системами, вывод об их перспективности и реализуемости может быть сделан лишь после проведения серьезных как экспериментальных, так и теоретических исследований ЭРЭ разряда. В экспериментальной сфере, основной, видится проблема создания эмиттеров заряженных частиц способных работать в плотных средах.

Представляется 3 возможных направления в создании таких эмиттеров. В полости внутри электрода ЭРЭ системы можно расположить высоковольтный электрод. Из него могут выбрасываться макрочастицы, которые попав в полость, окажутся носителями заряда того знака, что и заряд внутреннего электрода. Возможен и другой вариант, когда в полости зажигается коронный разряд [ 5 ]. В обоих случаях заряженные частицы могут поступать в свободное пространство через отверстия соединяющие его с поло стью. Наконец, возможно использование эмиссии ионов щелочных металлов с нагреваемой поверхности [ 6 ].

В теоретических исследованиях основными являются задачи определения коэффициента полезного действия системы, величины критических токов, нахождение соотношений между силой эмитируемых токов и силой действующей при этом на электроды разных типов, выявления оптимальных форм электродов. Представляется, что решение этих задач для ЭРЭ систем является делом значительно более трудным, чем решение аналогичных задач для уже существующих устройств в которых также задействованы потоки заряженных частиц [10].Так более сложными являются граничные условия, которые задают разнесенные в свободном пространстве электроды в сравнении с тем, что имеет место в существующих устройствах, где частицы движутся в камерах простой геометрической формы [10]. Если же ЭРЭ разряд протекает не в вакууме, а в среде, то задача усложняется еще сильнее необходимостью учета движения вещества среды увлекаемого дрейфующими в электрическом поле частицами и, в свою очередь, увлекающего их. Кроме того, при большом эмиттируемом токе, когда поле пространственного заряда у поверхности электрода становится соизмеримым с полем самого электрода, нельзя считать распределение заряда по поверхности электродов и поле создаваемое им известным и не зависящим от зарядов находящихся вне электродов, как полагалось в данной работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Решение названных и множества других важных проблем, не упомянутых здесь выглядит возможным лишь в том случае, если к ЭРЭ разряду окажется привлеченным внимание исследователей. Это внимание представляется тем более оправданным, что использование ЭРЭ разряда в качестве средства формирования движущей силы транспортных аппаратов является всего лишь одной из возможных областей его применения. Автор надеется, что

данная публикация будет способствовать началу работ по исследованию ЭРЭ разряда. ?

Автор сердечно благодарит А. А. Рухадзе и участников руководимого им семинара за плодотворные обсуждения, Сергейчева К. Ф. и Коссого И. А. за решающую поддержку оказанную во время и в нужной форме, а также Батанова Г. М. и Сахарова А. С. сделавших полезные замечания.

Литература

[ 1 ] Дементьев Г. П., Захаров А. Г., Казаров Ю. К. Физико- технические основы создания и применения космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1987.

[ 2 ] Гришин С. Д., Захаров Ю. А., Оделевский В. К. Проектирование космических аппаратов с двигателями малой тяги. - М.: Машиностроние1990. [ 3 ] Crofton Mark W. // Spacecraft and Rockets, 1996, v 33, № 5, pp. 739-747. [ 4 ] Herman Albert L. // Launchspace, 1998, v3, № 1, pp. 28-29.

[ 5 ] Thomson J. J., Thompson G. P. Conduction of Electricity Through Gases, New York, Dover Publ., 1969.

[ 6 ] Баткин В. И., Савченко О. Я. // ЖТФ, 2002, т 72, № 5, с 91-95.

[ 7 ] Рухадзе А. А., Богданкевич Л. С., Росинский С. Е., Рухлин В. Г.

Физика сильноточных релятивистских электронных пучков. - М.: Атомиздат, 1990.