Распределённые матрицы функциональных наноэлементов

       Силовая система на основе инжекционных нанодвижителей (ИНД), распределенных по площади поверхности МБЛА с тягой до 10 г/см², выполняемых средствами нанотехнологии. Отдельный ИНД состоит из двух параллельных нанопроводников, расположенных на расстоянии нанозазора величиной  между ними (рис.47.1—рис.47.6). При приложении разности потенциалов между наноэлектродами  между ними – в нанозазоре, создаётся электрическое поле напряжённостью:

.                                                        (5.3.14)

       Параллельные нанопроводники формируются на структуре, которая создаёт встроенное постоянное или переменное магнитное поле. Вектор напряжённости встроенного магнитного поля   перпендикулярен вектору напряжённости электрического поля между наноэлектродами . Для создания постоянного встроенного магнитного поля достаточно использовать магнитные плёнки, покрывающие корпус МБЛА и служащие подложками для формирования ИНД. Для создания переменного магнитного поля необходимо формировать матрицы плоских соленоидов, образующих с наноэлектродами замкнутые контуры. Рабочим телом ИНД, при отбрасывании которого создаётся реактивная тяга, являются поляризованные до состояния диполей молекулы окружающего воздуха: N ₂, O ₂, CO, CO ₂, O ₃, H ₂ O и прочие примеси, содержащиеся в атмосфере. Молекулы, попавшие в систему взаимоперпендикулярных векторов напряжённости электрического  и магнитного  полей поляризуются (электрическим полем) и образуют электрический ток поляризации . Ток поляризации молекул атмосферного воздуха   течёт между параллельными наноэлектродами ИНД. Вектор плотности тока  параллелен вектору электрического поля  и перпендикулярен вектору магнитного поля . Тогда нанозазор между наноэлектродами величиной  становиться проводником с током , на который в соответствии с законом Ампера действует сила Ампера. Сила Ампера является векторным произведением векторов плотности тока  и магнитной индукции , коэффициентом пропорциональности является длина проводника, по которому течёт ток, в случае ИНД – величина межэлектродного нанозазора  

.                                                    (5.3.15)

       Сила тяги ИНД  перпендикулярна и вектору  и вектору , и определяется правилом «левой руки». Изменение полярности разности потенциалов между наноэлектродами приведёт к смене направления вектора плотности тока  и соответственно к реверсивному изменению направления вектора тяги ИНД

.                                                    (5.3.16)

       Механическую работу ИНД можно оценить по формуле

,                    (5.3.17)

где  – длина наноэлектродов,  – площадь отдельного ИНД. Суммарная механическая работа распределённой по площади МБЛА системы ИНД будет определяться суммой механических работ всех ИНД с учётом ориентации направлений векторов сил тяги всех ИНД в 3D пространстве. Масса распределённой системы ИНД является частью массы корпуса МБЛА. Поэтому такой тяжёлой части ЛА как двигатель обычного типа, масса которого составляет более половины массы всего ЛА, в схеме МБЛА с распределённой системой ИНД – нет. Вследствие этого можно многократно увеличить массу полезной нагрузки МБЛА. 

        

Рис.47.1. ИНД на постоянных полях. Направление электрических и магнитных сил, воздействующих на рабочее тело.	Рис.47.1. ИНД. Направление электрических и магнитных сил, воздействующих на рабочее тело.
Рис.47.1. ИНД. Направление электрических и магнитных сил, воздействующих на рабочее тело.	Рис.47.2. ИНД на переменных полях. Направление электрических и магнитных сил, воздействующих на рабочее тело.
Рис.47.3. Базовый элемент распределённой системы ИНД щелевого типа.	Рис.47.4. Базовый элемент распределённой системы ИНД стержневого типа.
Рис.47.5. Волновое изменение магнитного и электрического поля в распределённой матричной структуре ИНД.	Рис.47.6. Самоочищение поверхности с распределёнными ИНД.

           

       Так как рабочим телом ИНД является внешняя среда – главное чтобы она вообще была. Очевидно, что чем меньше плотность внешней среды, тем меньше КПД у системы распределённых реактивных двигателей на базе 2D/3D матриц ИНД. В открытом космосе такая реактивная система у СМКА не будет работать пол причине отсутствия внешнего рабочего тела.

       Наоборот, в воде, особенно в морской солёной воде, распределённая реактивная система на базе 2D/3D матриц ИНД, будет работать лучше, чем в атмосфере. Для надводных судов, подводных лодок (ПЛ), МБПЛ и всего плавающего флота на воде и под водой системы распределённых по поверхности ниже ватерлинии реактивных двигателей на базе 2D/3D матриц ИНД будут привлекательной и энергетически выгодной альтернативой гребному винту. Крайне выгодно то, что живучесть распределённых систем на порядки выше живучести сосредоточенной системы из точечных двигателей или движителей. Работоспособность распределённой системы на базе ИНД, вероятно, сохранится даже при утрате 50—85%% ячеек ИНД.

Новый подход позволит реализовать режим зависания – полёта МБЛА с нулевой скоростью в поле сил тяготения, ветра и, противостоящей им, силы управляемой тяги. Распределённые массивы ИНД, маршевых и ориентации, позволят, при соответствующем динамичном адаптивном распределённом управлении, создавать управляемый вектор тяги. С учётом свойства реверса ИНД, можно будет управлять вектором тяги по всем 6-ти пространственным направлениям (вверх—вниз, влево—вправо, вперёд—назад) одновременно или в необходимой комбинации. Свойство реверса позволит практически мгновенно менять направление движения, в том числе, на противоположное. Такая сверхманевренность недоступна ЛА построенным по схеме планера или вертолёта.  

Распределённое расположение нанодвижителей, маршевых и ориентации, позволит резко повысить надёжность МБЛА. Распределение ИНД по всей возможной поверхности МБЛА приводит к эффекту многократного резервирования. Выход из строя части ИНД или градиентных концентраторов приведёт только к некоторому ухудшению полётных качеств МБЛА, мгновенной катастрофы не произойдёт. У МБЛА, построенных по традиционной для ЛА схеме планера или вертолёта надёжность гораздо ниже: стоит выйти из строя двигателю или расколоться крылу – мгновенная потеря всех функций. МБЛА на основе распределённой системы ИНД будёт долго сохранять общую работоспособность по мере утраты работоспособности отдельных градиентных концентраторов и нанодвижителей.

Итак, основные преимущества распределённой реактивной системы на базе 2D/3D матриц ИНД для МБЛА, МБЛА и т.п., под контролем встроенной системы управления на основе наносхем на ШКТ (QCA):

1. Сверхманевренность – за счёт управляемого вектора тяги, вплоть до практически мгновенной смены курса на противоположный (реверса) и зависания на месте. 

2. Сверхнадежность (сверхживучесть) – за счёт сверхмногократного резервирования (дублирования) распределённой системы ИНД, встроенной системы управления на основе наносхем на ШКТ (QCA).

 

D /3 D матрицы наноразмерных магнитно-газо-динамических и магнито-гидро-динамических (МГД) генераторов электроэнергии

       На рис.48 и рис.49 представлен эскиз инжекционного магнито-газо-динамического наногенератора (ИМГДНГ) – генератора электрической энергии на основе движения в магнитном поле под воздействием внешней силы (ветра) электропроводного газа – дипольных молекул атмосферного воздуха (O₂, O₃, N₂, CO, CO₂, H₂O, …) [91]. Известно, что как мотор-генератор в соответствии с принципом обратимости электромагнитных устройств, при сообщении их частям механической энергии они могут преобразовывать её в электрическую энергию. Это относится и к описанным выше ИНД. При инжекции дипольных молекул из потока газа или жидкости (атмосфера, водная среда – ветер с дождём) на концах молекул, которые пересекают силовые линии магнитных полей, индуцируются противоположные по знаку электрические заряды. При расположении концов молекул на туннельно прозрачном расстоянии от нанопроводников эти индуцированные заряды стекают на нанопроводники. На нанопроводниках создаётся разность потенциалов.

       При подключении к схеме с ИМГДНГ электрической нагрузки можно произвести отбор электрической энергии (рис.49). Таким образом, инжекционный нанодвижитель при инверсной схеме работы становится инжекционным магнито-газо-динамическим наногенератором. ИМГДНГ это ИНД наоборот. Удельный съём энергии с 2D/3D матриц ИМГДНГ будет составлять ориентировочно – 1 Вт/гр×см³.

       2D/3D матрицы ИМГДНГ могут работать как твёрдотельные генераторы электроэнергии на основе преобразовании механической энергии ветра. ИМГДНГ – твёрдотельные ветряки без движущихся частей с потенциальным КПДà100%. Можно использовать для электрогенерации в ИМГДНГ движение не только газовой атмосферной среды, но и жидкой водной – электростанции на механической энергии приливов и отливов, механическую энергию волн водоёмов. Жидкая среда более плотная, чем газовая, поэтому КПД для ИМГДНГ в жидкой среде будет больше. 

 

Рис.48. Эскиз ячейки ИМГДНГ.

Рис.49. Эскиз ИМГДНГ со сплошными электродами и векторами скорости, напряжённости магнитного поля и плотности индуцированного тока с подключенной электрической нагрузкой R.

 

       Итак, введём математический аппарат для расчётов в нанокомпиляторе (САПР НЭ). На концах проводника длиною , движущегося в магнитном поле  со скоростью  возникает разделение электрических зарядов, создающее разность потенциалов

.                                                           (5.3.18)

Соответствующая величина ЭДС – индукция равна

.                                                             (5.3.19)

При замыкании концов проводника, электродов ИМГДНГ, во внешнюю нагрузку потечёт электрический ток. Плотность тока в движущемся проводнике определяется законом Ома:

.                                  (5.3.20)

Введём обозначение:

                                              (5.3.21)

и векторно перемножим (5.3.20) на . Так как  то

.                                              (5.3.22)

Поэтому

.                                   (5.3.23)

Подставив (5.3.23) в (5.3.20) получим:

 

,                                         (5.3.24)

где параметр Холла:

.                                                         (5.3.25)

Уравнение (5.3.24) показывает, что:

· в направлении поля магнитное поле уменьшает плотность тока в  раз,

· в направлении перпендикулярном векторам  и магнитное поле увеличивает плотность тока в  раз.

 

       Проекции уравнения (5.3.24) на оси координат (рис.49) дают соответствующие величины проекции вектора плотности тока:

,                                           (5.3.26)

,                                           (5.3.27)

.                                                        (5.3.28)

       В канале ИМГДНГ со сплошными электродами (рис.49) при условии однородного магнитного поля по высоте канала:

                                            (5.3.29)

получаем:

,                                              (5.3.30)

.                                              (5.3.31)