«Пистолет» в руках человека — это плазменная горелка — новый, невиданный ранее источник тепла. Струйки плазмы — «небесный огонь», он легко сжигает метеориты, превращает в пар самые тугоплавкие вещества Вселенной. Температура такой струйки достигает 20 00 °C и выше [28].
В течение многих десятилетий ученые пытались найти такой необычный источник тепла. Еще недавно они считали, что ни при каких химических реакциях нельзя достичь температур выше 470 °C. И они были правы: химическое взаимодействие атомов не позволяет получить такие температуры.
Между тем нужда в источнике тепла с более высокой температурой с каждым годом становилась острее. Необходимо было изучить на земле процессы сгорания тугоплавких веществ, чтобы можно было создать аппарат, способный выдержать сверхвысокий нагрев при возвращении из космоса.
И вот на помощь исследователям пришла плазма. Первым генератором плазменной струи, или, как говорят, плазматроном, была… обычная сварочная дуга. Попытку создать плазматрон предпринял еще в 1920 году немецкий физик Гердьен. Он, конечно, не думал тогда о проблеме возвращения из космоса, а просто стремился создать прибор, позволяющий получить высокую температуру. Но его попытка была безуспешной.
Чтобы разобраться в работе генератора плазмы, рассмотрим процесс образования тепла в обычной электрической дуге. При включении постоянного напряжения в зазоре между электродами появляются электроны. Под действием электрического потенциала они вырываются из катода и движутся к аноду. На своем пути электроны сталкиваются с атомами и молекулами газов, входящих в состав воздуха. Некоторые из атомов и молекул при столкновениях разрушаются, теряя часть электронов. Газы ионизируются.
Образовавшаяся в первый момент струйка электронов быстро увеличивается. Вследствие ударов электронов анод сильно разогревается и сам начинает испускать положительно заряженные частицы молекул — ионы. Под действием напряжения они устремляются к катоду — навстречу электронам. Этот поток «выбитых» из анода ионов образует электрическую дугу.
В смеси электронов и ионов — электрически заряженных частиц — наблюдается сложное взаимодействие между механическими и электромагнитными силами. Оно изучается новой наукой — магнитогазодинамикой. Именно эта молодая наука и указала пути увеличения температуры электрической дуги.
Оказывается, для повышения температуры дуги нужны более частые соударения электронов с атомами и ионами. А для этого плазму надо как-то сжать, увеличить ее внутреннее давление. Чтобы добиться этого, электрическую дугу помещают в небольшую цилиндрическую камеру (рис. 12) из металла или кварца — плазматрон. Одно днище камеры-с отверстием в центре — служит катодом, а в противоположное, точно против отверстия, вставляется стержень-анод.
Для охлаждения стенок плазматрона вокруг дуги непрерывно с большой скоростью вращается оболочка из воды или жидкого газа. Она уменьшает ионизацию газов вдали от центра камеры и защищает ее стенки от перегрева. Поток ионов и электронов концентрируется магнитным полем в центральной, более горячей части камеры. В этом узком «коридоре» температура плазмы сильно увеличивается. Одновременно здесь растет и давление. Почему это происходит? Ученые давно установили, что два параллельных проводника, через которые течет электрический ток в одном направлении, притягиваются друг к другу. Заряженные частицы плазмы, летящие параллельными траекториями через узкое отверстие в катоде, подобно проводникам тока, также притягиваются и создают плотный жгут ионизированного газа, вырывающегося из сопла с огромной скоростью.
Работающий, генератор плазмы показан на рис. 13.
Пучок плазмы светится настолько ярко, что на него трудно смотреть даже сквозь темные очки электросварщика. Еще более поразительный световой эффект можно наблюдать при полете метеора в атмосфере Земли. За метеором образуется след из светящейся плазмы с температурой до 30 00 °C.
Плазматрон не может пока работать продолжительное время, так как от высокой температуры могут разрушиться некоторые детали плазматрона. Но время существования струи плазмы с температурой свыше 20 00 °C вполне достаточно для проведения важных опытов. Используя плазматрон, можно изучать условия входа в атмосферу моделей будущих межпланетных кораблей. С этой целью струю плазмы поместили в аэродинамическую трубу [28]. Извергающаяся из генератора струя, проходя через специальный диффузор, сильно увеличивает свою скорость. Она разгоняется под действием магнитных полей до скорости в 10–20 раз выше скорости звука.
Чтобы получить такую скорость, в трубе создают высокий вакуум. Для этого в конце ее непрерывно работают мощные вакуумные насосы. При помощи магнитных полей оказалось возможным сообщать потоку плазмы космические скорости.
Считается [28], что температуру плазмы можно довести до 100 00 °C и выше. Для такого повышения температуры необходимо огромное количество энергии, так как потребляемая плазматроном энергия возрастает быстрее, чем температура. Это объясняется тем, что при температуре 100 000ш С и выше около девяти десятых энергии плазмы мгновенно излучается. Поэтому, чем выше температура, тем меньше время существования плазмы.
Плазматроны находятся еще в начальной стадии своего развития. Однако уже в ближайшее время будут построены генераторы плазмы с более высокими техническими показателями… Быстро увеличиваются размеры и мощность плазматронов. Так, в лаборатории Чикагского университета в 1956 году построен аппарат, луч которого имеет диаметр 6,5 мм. Он потребляет всего 70 киловатт энергии. В 1957 году там же введен в действие плазматрон с лучом диаметром 32 мм. Планируется постройка нового плазматрона, диаметр дуги которого будет достигать 76 мм. Для этого потребуется увеличить подводимую к плазматрону мощность до 10000 киловатт [29].
Генератор плазмы позволит получать температуры вплоть до «космических», т. е. таких, которые будут действовать на обшивку летательных аппаратов, возвращающихся из космоса.
Первые испытания материалов космической техники с использованием плазматронов уже проведены [29]. Вот как, например, испытывались модели на плазматроне мощностью 1000 киловатт. Диаметр отверстия, из которого выходила струя плазмы, равнялся всего 32 мм. Температура плазмы была около 14 00 °C, а скорость истечения 900 м/сек. Тепловой поток плазматрона достигал 5400 килокалорий на квадратный метр в секунду.
Во время испытания модель, похожая на снаряд небольшой пушки, располагалась вертикально на расстоянии 810 мм от среза сопла. Снаряд имел вид конуса длиной 86 мм, угол при вершине составлял 45°. После запуска плазматрона модель специальной гидравлически управляемой установкой подводилась к соплу на расстоянии 100 мм. При подходе к соплу модель была закрыта экраном, а затем экран быстро убирался. В этот момент тепловой поток воздействовал на модель, создавая тепловой удар. Процесс оплавления модели фотографировался на цветную пленку (32 снимка в секунду).
О том, как интенсивно разрушается конусная часть модели в потоке плазмы, можно судить по некоторым из этих снимков, помещенным на рис. 14. Здесь показан процесс оплавления медной модели в первые 7,5 секунды.
Кроме медной модели, испытывались конусы из алюминия, нержавеющей стали, нейлона, текстолита и графита. Скорость оплавления определялась по скорости притупления носка модели во время нагрева.
Наименее стойкой оказалась модель из алюминия. Она обгорела за 5 секунд на 30,5 мм. Наиболее стойкими оказались графит и текстолит. Конус из графита за 45 секунд обгорел всего на 7 мм. Текстолитовая модель в течение 10–15 секунд обуглилась, а затем приобрела почти такие же свойства, как и графит.