Электричество из взрыва: экспериментальный проект Института механики Академии наук КНР

Китайские научные организации продолжают исследования в области энергетики и предлагают новые концепции разного рода. Так, недавно стало известно о разработке и успешном испытании экспериментальной генераторной установки, способной получать электрический импульс из энергии взрыва и сжатого газа. В ходе лабораторных тестов подтверждена работоспособность этого устройства и показаны достаточно высокие характеристики. Не исключается, что это направление получит развитие, в результате чего появятся установки, пригодные к полноценной эксплуатации в разных сферах.

Успешные эксперименты

Разработкой новой генераторной установки занимаются ученые из пекинского Института механики Академии наук КНР во главе Чжан Сяоюанем. К настоящему времени они сформировали оригинальную концепцию и определили облик такого устройства. Также изготовлена опытная техника, применяемая в испытаниях. Результаты мероприятий были раскрыты в статье для Китайского журнала теоретической и прикладной механики, вышедшей в середине января.Экспериментальная установка создавалась на основе опыта ранее проведенных исследований. В ней используются некоторые готовые компоненты, а также присутствуют специально разработанные узлы. Изделие является стационарным и применяется только в лабораторных условиях.В рамках испытаний удалось подтвердить принципиальную работоспособность установки. Кроме того, по мере продолжения проекта, определялись характеристики изделия и возможность их повышения. Как сообщается, в последних испытаниях установка выдала в 10 раз больше энергии, чем на старте экспериментов.Авторы проекта планируют продолжать исследования и отрабатывать концепцию и способы ее реализации. В перспективе они хотят создать аналогичные генераторные установки, пригодные для внедрения на практике. Предполагается, что такие системы могут найти применение в самых разных сферах, где требуется краткий электрический импульс большой мощности.

Буксируемый боевой лазер разработки КНР, 2021 г. Компактный "взрывной" генератор может использоваться и на такой технике. Кадр из репортажа т/к CCTV7

Установки такого рода пригодны для использования в различных научных экспериментах, например по ядерному синтезу. Малогабаритный источник питания может применяться для подачи сигналов бедствия. Иностранная пресса, обратившая внимание на отчет о проведенных экспериментах, также указывает на принципиальную возможность военного применения новой разработки. В частности, такой генератор может обеспечивать энергией боевые лазеры.Институт механики опубликовал изображение экспериментальной установки и раскрыл основные принципы ее работы. Также названы параметры, полученные в наиболее успешных испытаниях. Принципы действия достаточно просты, но для их реализации потребовались компоненты с особыми характеристиками прочности и специфическими функциями.На официальном фото показана установка, включающая несколько компонентов. В одну линию размещены цилиндрическая трубчатая камера для осуществления взрыва и последующих процессов (обозначена на фото как «shock tube»), т.н. магнитогидродинамический генератор (magnet) и вакуумная камера (vacuum tank). К устройствам подключены измерительные приборы. Генератор соединен с тестовой нагрузкой. По понятным причинам, установка отличается специфическим видом, указывающим на ее экспериментальный характер.В камеру «шоковой трубы» закачивается рабочее тело в виде инертного газа аргона. Также в трубу помещается источник энергии – в экспериментах для этого использовалась взрывоопасная смесь водорода и кислорода, т.н. гремучий газ. В вакуумной камере напротив создается разряжение, за счет которого увеличивается разность давлений в контурах установки.Для выработки электрического импульса установка поджигает взрывоопасную газовую смесь. Продукты горения гремучего газа создают в камере большое давление, передают аргону тепловую энергию и заставляют его перетекать в другие объемы установки. Под воздействием температуры, давления и конфигурации внутренних каналов труб инертный газ развивает гиперзвуковую скорость, а также разогревается до состояния плазмы.

Опытный образец

Боевой лазер, вид сверху. Кадр из репортажа т/к CCTV7

Аргоновая плазма поступает в магнитогидродинамический генератор, который отбирает у нее излишнюю энергию. Полученная энергия преобразуется в электрический ток и подается на измерительные приборы и тестовую нагрузку. Аргон, вернувшийся в нормальное газообразное состояние, завершает свой путь в одной из камер установки.Одной из главных задач проекта был поиск оптимальных конфигураций внутренних объемов, источников энергии, рабочего тела и т.д. Правильное сочетание всех компонентов и решений позволяло увеличить выход энергии, принимаемой от плазмы. Как сообщается, эти задачи в целом удалось решить.Экспериментальная установка в последней конфигурации придает аргону скорость порядка 14 М. При такой скорости течения 1 л газа способен создавать импульс электроэнергии мощностью 212 кВт. Впрочем, выработка электричества продолжается лишь долю секунды – пока плазма проходит через генератор и отдает ему свою энергию.

Для разных задач

Проект Института механики Академии наук КНР представляет большой интерес, как минимум, с точки зрения науки и техники. Предложен и успешно реализован – хотя и в лабораторных условиях – любопытный принцип получения мощного электрического импульса. Проведение испытаний и получение значительного прироста характеристик указывают на определенный потенциал этой разработки. Кроме того, уже можно искать сферы ее применения, пусть даже и на теоретическом уровне.Разработчики предлагают использовать перспективную установку и ее будущие аналоги в научных целях – там, где требуются большие энергии в минимальное время. В такой роли генератор нового типа может заменить системы распространенных типов. При этом возможен выигрыш в размерах, массе и стоимости эксплуатации установок. Кроме того, явным преимуществом является максимально быстрая подготовка к выработке нового импульса без необходимости длительного накопления энергии.Все сильные стороны новой энергоустановки могут быть реализованы и в военной сфере. Как отмечает иностранная пресса, ее можно использовать в составе боевых лазерных комплексов или иного вооружения на новых принципах. Вполне возможно, что такая возможность применения новой технологии уже, как минимум, изучается военными специалистами.

Предположительно, опытная рельсовая пушка на китайском десантном корабле, 2018 г. Фото Arstechnica.net

Показанный лабораторный образец имеет ограниченные габариты, и нельзя исключать, что в дальнейшем их дополнительно уменьшат. Это позволит монтировать установку на мобильных платформах. Показанная мощность более 200 кВт более чем достаточна для энергоснабжения лазеров, электромагнитных пушек, рельсотронов и т.д. с получением высоких боевых характеристик.Установка должна иметь преимущества экономического характера. Она использует доступное топливо и рабочее тело, что снижает возможную стоимость эксплуатации. При этом каждый импульс и «выстрел» за его счет получается достаточно дешевым.Возможна дальнейшая оптимизация конструкции и ее характеристик с учетом различных требований. Так, современные боевые лазеры, показывающие хорошие боевые качества, имеют мощность от 10-50 кВт. Это позволяет сократить потребную мощность генератора, а вместе с тем уменьшить и облегчить его и снизить стоимость эксплуатации.Следует напомнить, что Китай активно занимается разработкой боевых лазерных комплексов и другого вооружения на новых принципах. Некоторые изделия такого рода уже официально демонстрировались публике. Дальнейшее развитие этого направления прямо связано с освоением новых технологий и зависит от успеха этого процесса. В частности, требуются новые системы энергоснабжения. Как именно решается этот вопрос, неизвестно. Но применение в такой сфере могут найти самые разные разработки, в т.ч. новая технология от Института механики.

Технологии двойного назначения

Как сообщается, к настоящему времени экспериментальная генераторная установка Института механики дошла до испытаний и подтверждает расчетные характеристики. В будущем ее могут усовершенствовать, оптимизировав конструкцию или повысив основные параметры. Кроме того, следует ожидать процесс адаптации конструкции к практическому использованию.По словам разработчиков, необычный генератор должен будет использоваться в научной и гражданской сферах. При этом новая технология может и должна найти применение в области перспективных вооружений. Вполне возможно, что ее уже адаптируют для использования в боевых комплексах разного рода – но информация такого рода пока не подлежит публикации.