Что стоит за кувшинообразной формой аппарата?

Кувшин – очень распространённая форма сосуда, прежде всего, для длительного или кратковременного хранения зерна и жидкостей: воды, молока, вин и т.п. Форма не только эстетична на глаз, но удобна и в бытовом использовании. А в Азербайджане – чайные стаканчики (армудэ) из ходового подарочного набора – тоже имеют форму кувшинчика: оказывается, при такой форме температура чая за время питья остается постоянной по всей глубине сосуда.

Но, мы ищем с вами использование этой формы в качестве источника вихря, кое-что нашлось и у В.С.Гребенникова. В своей книге он даёт этот рисунок и пишет: “Эти крохотные - высотой меньше трёх миллиметров - яички хищного травяного клопика редувия обнаружены биолокатором. Столь мощное поле – вероятно, защитное - излучалось системой микростерженьков на крышках. Не сгодится ли этот опыт людям? А из яиц вышли вот такие детишки...”

Думается, что это излучение создавалось ещё и с участием самой кувшинообразной формы. Но, всё же это не летательный аппарат, а только средство вихревой защиты!

Но аппарат Инанны – кувшинообразной формы. И движитель там – явно вихревой. Но, почему выбрана именно форма кувшина, в не воронки? Ведь воронка – это наиболее близкая к вихрю форма полости!

И, тем не менее, - выбран кувшин.

Что же касается формы аппарата Бабы-Яги, то сколь не замечателен её рисунок, размещённый рядом с эпиграфом к статье, но всё же, думается, он – недостоверен. Не может находиться “пилот” внутри вихревой полости, или закрывая вихревой выход. Метла – это верный признак стока вихревого движителя. Поэтому Баба-Яга должна изображаться сидящей верхом НА ступе, а не внутри её.

Но, времени с тех пор набежало немало, будем же и мы снисходительны к современным художникам. И не будет ошибкой предположить, что в древности Баба-Яга летала на ступе кувшинообразной формы, примерно такой, на какой изображена любвеобильная Инанна с высоко поднятой юбкой.

В противном, это уже будет не ступа, а округлая летающая платформа с бочкообразными бортами-клёпкой. Этот аппарат нам уже известен, поэтому –интереса не вызывает.

Но, если с формой аппарата Бабы-Яги нет определённой ясности, то изображение ЛА Инанны – исторический факт.

И нам ничего не остается делать, как только следовать этому факту.

Тогда, нужно делать вывод: кувшинообразный корпус ЛА – это либо формирователь, либо резонатор вихревого устройства, либо выполняет обе функции сразу.

Для реализации этого предварительного вывода необходимо “вписать” вихрь в выбранную форму.

Здесь ясно, что вихрь своим “глазом” должен смотреть в горлышко формы, но где по высоте кувшина должна находиться его подошва?

После некоторого осмысления проблемы понятно, что от вихревого устройства этой формы необходимо получить как можно большую мощность при меньших размерах. А это значит, что геометрические размеры вихря должны быть возможно наибольшими, отсюда – подошва вихря должна располагаться в плоскости сечения наибольшей площади – точно в центре сферической части формы.

Вихрь имеет 3 основных геометрических размера:  D – диаметр основания (подошвы), R₀ – радиус образующей и  Δ – радиус “глаза” (о геометрии вихря см. “Вихрь – оружие богов”).

Положение вихря в кувшине

На рисунке – окружность 1 имеет диаметр  D.  Это размер сферической части формы. Тем же размером, под некоторым углом осей, проводим касательно к окружности 1 две симметрично расположенные окружности 2 – они определяют форму сужения сосуда 3. Зная, что вихрь должен вписаться в ¼  окружности 1, радиусом  R₀ проводим две окружности 4 с тем, чтобы около осей  X и Y был обеспечен зазор Δ.

Но вихрь, только за счёт кувшинообразной конфигурации корпуса, - не сформировать. И вихрь – он живой, и он – вращается. Где найти аналог?

Да, конечно, аналог есть - это когда-то очень секретное, но теперь широко известное устройство – магнетрон.

Магнетрон

Магнетрон используется в радиолокационных станциях в качестве мощного генератора колебаний сверхвысоких частот в импульсном или непрерывном режиме. Магнетрон – электровакуумный прибор, в котором электронный поток движется в постоянном электрическом и постоянном магнитном полях, причем направление движения электронов и векторов полей взаимоперпендикулярны.

Он состоит из цилиндрического катода 6 с нитью накала 7, установленных в центре коаксиально расположенного анодного блока 3 с резонаторами 2.

         Схема магнетрона:

1 - щель резонатора; 2 - резонатор; 3 - анодный блок (постоянный магнит); 4 - коаксиальный фидер; 5 - петля связи; 6 - катод; 7 - проводники накала.

 Принцип действия магнетрона можно пояснить следующим образом. Электроны, эмиттируемые в пространство взаимодействия, под действием анодного напряжения, магнитного поля и СВЧ-напряжения резонаторов группируются в плотные пространственные сгустки - спицы, вращающиеся вокруг катода. При этом, в резонаторах возникают СВЧ-колебания, частота которых определяется геометрическими размерами этих резонаторов.

Высокочастотная энергия из прибора выводится, как правило, с помощью петли связи 5, помещённой в периферийную часть одного из резонаторов анодного блока.

Как сформировать вихрь в кувшине?

К схеме магнетрона мы вернемся ещё не раз, а пока сделаем следующий шаг в познаниях – в формировании вихря в приборе участвует полость постоянного магнита. Нет нужды обращать внимание на множественные резонаторные полости магнетрона – у нас один вихрь, и полость должна быть одна. Но у магнетрона все полости – цилиндрической формы, такую же форму имеют и его вихри в пределах корпуса прибора: малые (резонаторные) и общий.

Нам же нужна иная форма – идеального вихря, а это значит, что магнитная полость корпуса ЛА должна формировать магнитное поле соответствующей конфигурации. А это, в свою очередь, вынуждает делать форму магнитной полости отличной от цилиндра.

Другое рассуждение: магнитное поле нужно создавать за счёт внешнего магнитного источника, магнитным полем Земли - здесь не обойтись, слишком мало его значение для единичного вихря большого диаметра.

Наложение магнитного поля полости на вихрь 

На очередном рисунке показано: часть формы 1 выполнена из магнитотвердого материала (толстая черная кривая 2). В этом случае наружная поверхность 4, образованная множеством внутренних магнитных силовых линий магнитной полости, почти точно повторит наружные контуры вихря 3.

Понятно, что просто показать это на рисунке, а как на практике?

Лучше всего провести предварительное моделирование с использованием специального программного обеспечения. Неплохо создать и модель с электромагнитным полем постоянного тока для получения требуемых характеристик магнитной полости: магнитных параметров в совокупности с её геометрическими характеристиками. Так что, поле деятельности конструктора – довольно обширно.

Как выбрать подходящий магнитный материал?

На сегодняшний день существует много материалов, используемых при изготовлении постоянных магнитов, и при выборе конкретного материала перед конструктором встают четыре основные вопроса:

·         - какие магнитные свойства материала необходимы?  

·         - какие требования предъявляются к физическим свойствам материала?  

·         - какие температуры предстоит выдержать магниту?  

·         - какие требования предъявляются к стоимости магнита?

Вот неполный перечень современных магнитных материалов: альнико, ферриты (керамика), самарий кобальт, неодим железо бор, железо-хром-кобальт, а также материалы в виде смеси магнитного порошка и какой либо связующей компоненты. В качестве связующего материала могут выступать каучук, пластик и материалы на базе эпоксидной смолы.

Для магнитов из сплава альнико – существует определённая трудность использования в составе изделия. Альнико очень жесткий и хрупкий материал. Он может быть обработан только полированием, шлифованием или электроэрозионной обработкой. Имеет низкую коэрцитивную силу, изменяющуюся в пределах 0.64-1.

Ферритовый магнит (керамика) - самый дешёвый магнитный материал. У него умеренно высокие значения коэрцитивной силы (от 2,500 до 4,000 G). Температурный коэффициент ферритовых материалов в 10 раз менее стабилен, чем альнико (-0.02 (%/⁰С)). Высокая химическая устойчивость к окислению.

Магниты самарий кобальт (SmCo). Достоинства магнитов SmCo включают в себя высокие остаточную намагниченность Br (до 11.5 кГ), коэрцитивную силу Hci (от 5.5 до 25 кЭ), высокую температуру Кюри. Недостатками магнитов SmCo являются их высокая стоимость и хрупкость.

Магниты неодим железо бор (NdFeB). Магниты NdFeB имеют меньшую температурную стабильность, чем магниты SmCo – их температурный коэффициент магнитной индукции изменяется от 0.07 до 0.13 (%/⁰С) (сравните с 0.035 (%/⁰С) у SmCo). Вследствие этого при температурах более 180⁰С магниты SmCo могут создавать большие значения магнитного поля, чем магниты NdFeB.

Материал NdFeB очень сильно подвержен коррозии, поэтому его покрывают цинком, никелем, медью или комбинацией этих материалов, но окраска, покрытие добавляют лишний слой между магнитом и другими частями изделия. Как правило, толщина покрытия никелем не превышает 15-20 мкм.

Магнитопласты - полимерные магниты Магнитопласты изготавливаются посредством смешения магнитного порошка и какой-либо связующей компоненты. Магнитные порошки в настоящее время изготавливаются из  бариевого или стронциевого ферритов, сплавов на основе  редкоземельных элементов (неодим-железо-бор,  самарий-кобальт, самарий-железо), альнико; используются  также смеси этих материалов. В качестве связующего вещества могут применяться каучук, акрил, полиамид, термопластик, пластик, винил, эпоксидная смола, PPS и др.

Магнитопласты обладают физическими свойствами, типичными для связующего материала. Каучуковый магнитопласт гибкий, не крошится и не ломается. Для обеспечения  герметичности материала, когда внутрь материала могут   проникать вода и воздух,  воздействуя на   магнитные свойства материала, требуется защитное покрытие.

Один из недостатков магнитопластов - верхний температурный предел использования, диктуемый температурным состоянием связующего материала. Эта величина обычно составляет от 80⁰С до 220⁰С.

Термоэластичные магнитопласты имеют более низкий предел использования по температуре - около 80⁰С.

Возможность создания магнитов самой сложной формы и высокой намагниченности, а также хорошие механические свойства – основные конкурентные преимущества магнитопластов.

Так что же все-таки выбрать?

Так как основными проблемами являются прочность и форма магнита, встроенного в корпус сложной формы, а рабочие температуры не высоки, то в качестве материала более всего подходят магнитопласты из порошков с высокой химической стойкостью.

Как сформировать вихрь в кувшине? (продолжение)

Вспоминая магнетрон, понимаем, что мало сформировать первичное постоянное магнитное поле. Для получения вихря требуется ещё и электрическое поле. Магнетрон – вакуумный прибор, там для создания потока электронов можно приложить на анод и катод высокое постоянное напряжение.

Здесь это – не пройдёт, наш аппарат работает в открытой воздушной среде. Поэтому, лучше всего для создания электрического поля применить электрический разряд. Это просто и экономично. Кроме того, попутно решаются две необходимые задачи: настройка частоты вращения вихря на параметры резонатора и ионизация рабочей среды. Автоматическая настройка частоты происходит путём использования конкретной гармоники из искрового сигнала “белого шума”.

Конструктивное решение таково: в нижней части магнита изолированно от него устанавливается кольцевой электрод 1, а на основание 3 кувшина – другой цилиндрический электрод 2.

Создание электрического поля  

На электроды подаётся электрический высоковольтный импульс 4 напряжения: верхний электрод – клемма положительной полярности, нижний – отрицательной. Происходит пробой межискрового воздушного промежутка. Место установки электродов определяется 2-мя факторами: здесь - перпендикулярности направления тока пробоя к магнитным силовым линиям и, как будет показано далее, - согласным направлением постоянного и индуцированного магнитных полей.

Начало дорожки пробоя (от электрода 1 к электроду 2) лежит в поле постоянного магнита, поэтому индукционный ток будет иметь, в первом приближении, форму вращающегося кольцевого проводника 5. С учетом намагниченности кувшина (направление показано вверху рисунка) движение положительных ионов воздуха будет соответствовать графическому изображению (жёлтая полоса): справа – от нас, слева  - к нам.

Движение ионов по кольцевому воздушному проводнику вызовет появление торообразного магнитного поля 1. Тор в своем вращении как бы выворачивается снизу через своё отверстие вверх. Его вращение, как упоминалось, направлено согласно действию постоянного магнитного поля формы. Оба поля: тора 1 и магнита 2, взаимодействуя между собой, “подгребают” ионы из нижней, а затем и верхней полусфер формы, направляя их к выходу – к “глазу” вихря.

Образование вихря

При этом ионизированные частицы начинают двигаться не по кольцевой, а по спиральной траектории, опираясь на суммарное магнитное поле 1+2. Образуется мощный вихревой поток равномерно распределенных по поверхности вихря ионных нитей тока, направление вращения которых показано поз.5. рисунка. Доказано, что в этом случае шаг витков этих нитей носит экспоненциальный характер, увеличивающийся от подошвы к “глазу” вихря.

Итак, мы запустили движитель ягалёта, аппарат способен создавать полётную тягу. Для того, чтобы двигаться дальше, не наделав грубых ошибок, самый раз подвести некоторые промежуточные итоги.

Предварительный анализ схемы ЛА

1.    Главный вывод, пожалуй, который необходимо сделать – кувшинообразная форма корпуса аппарата позволяет создать вихревой движитель.

2.    Определяющая особенность движителя – наличие нелинейной магнитной полости его корпуса.

3.    Кувшинообразный корпус ЛА является одновременно формирователем и резонатором вихревого устройства.

В качестве формирователя используется:

·         постоянное магнитное поле полости кувшина. Конфигурация этого поля определяется геометрическими и магнитными характеристиками этой полости;

·         импульсное электрическое поле, создаваемое электрическим разрядом между определённым образом расположенными электродами;

·         вторичное (индуктивное) магнитное поле, являющееся результатом взаимодействия искрового разряда и постоянного магнитного поля полости.

Настройка движителя на определённую частоту вращения вихря (функция резонатора) осуществляется выбором геометрических размеров кувшина.

4.    Ионизация внешняя, производится от электроискрового источника, способного осуществить пробой воздушного промежутка заданной длины. Устройство ионизации предполагает наличие в комплекте ЛА источника постоянного тока, либо требуется нестандартный способ получения высоковольтного напряжения.

5.    Вопросы управления движителем и ЛА в целом – не рассматривались, но, исходя из способа ионизации, можно сделать вывод о возможности управления полной тягой через воздействие на:

·        мощность электроискрового разряда;

·        частоту подачи напряжения пробоя.

6.    Не рассматривался вопрос об использовании магнитного поля Земли (МПЗ) для повышения энергетических характеристик вихря и возможного применения в цепях управления движителем и ЛА в целом.

7.    Кроме необходимости иметь собственный источник постоянного тока, просматриваются и другие недостатки:

а) не используется энергия внешней среды, поставляемая вихрем, для:

·         повышения энергетических характеристик движителя;

·         осуществления ионизации;

·         энергообеспечения аппарата,

б) не определён способ компенсации момента трения вихря о стенки кувшина, в результате чего возможно появление несбалансированного вращения ЛА вокруг оси и в направлении вращения вихря.

Произведённый краткий анализ результатов проработки вопроса, несмотря на положительный итог возможности создания подобного аппарата в целом, показал наличие кардинальных недостатков. Предварительное конструктивное решение оказалось сырым, требующим серьёзной доработки.

Далее...