Китайские инженеры собрали демонстрационный образец плазменного воздушно-реактивного двигателя для атмосферных полетов. В нем воздух раскаляется при помощи микроволн и выбрасывается, создавая тягу. Такая схема обладает высокой тягой на квадратный метр по сравнению с другими плазменными воздушно-реактивными двигателями, что делает ее предпочтительной для электросамолетов. Статья опубликована в журнале AIP Advances.

Реактивный двигатель использует закон сохранения импульса: выбрасывает массу назад, отчего сам ускоряется вперед. Традиционный воздушно-реактивный двигатель сжигает топливо в кислороде воздуха под большим давлением. В ходе сгорания топливо-воздушная смесь приобретает температуру больше тысячи градусов, отчего в ней растет давление, которое выталкивает продукты сгорания из двигателя.

Для реактивного двигателя электросамолета необходимо придумать другую схему, поскольку в нем не используется горючее топливо, и один из вариантов — плазменный двигатель, где рабочее тело ускоряется не в результате сгорания, а из-за давления плазмы, получаемой при помощи электричества. Несколькими годами ранее в Германии уже создавали атмосферный плазменный двигатель. В нем воздух ионизируется электрическим разрядом в сотни вольт, после чего в состоянии плазмы выбрасывается из него электромагнитным полем. Такая конструкция дает маленькую удельную тягу на площадь сечения, то есть при большой тяге двигатель будет неприемлемо громоздким.

Группа китайских инженеров под руководством Даня Е (Dan Ye) из Уханьского университета предложила нагревать воздух микроволнами. Они собрали следующую конструкцию. В кварцевую трубку компрессор нагнетает воздух. К ней подсоединен волновод, на другом конце которого располагается магнетрон, испускающий радиоволны частотой 2,24 гигагерц. В трубке микроволны нагревают воздух, он превращается в плазму с высоким давлением, после чего она выбрасывается и создает тягу. Поскольку в процессе выделяется много паразитного тепла, вся установка в сборе охлаждается водяным контуром.

Схема экспериментальной установки
Схема экспериментальной установки

Тяга, длина плазменного факела и его температура прямо пропорциональны потребляемой электрической мощности. При мощности в один киловатт тяга была равна 28 ньютонов.

Длина факела в зависимости от мощности
Длина факела в зависимости от мощности

Учитывая диаметр трубки, это дает удельную тягу 24 килоньютонов на квадратный метр сечения двигателя. Это сопоставимо с керосиновыми, например современный двигатель Pratt & Whitney F100 имеет диаметр 88 сантиметров и тягу 64 килоньютона, что равно примерно 23 килоньютонам на метр. Тягу и эффективность нового двигателя можно в дальнейшем улучшить за счет увеличения температуры выходящей плазмы, но для этого необходимо использовать термостойкие материалы.