專(zhuān)利名稱(chēng)：循環(huán)等離子體電推進(jìn)(火箭)發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)型電推進(jìn)(火箭)發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是一種循環(huán)等離子體電推進(jìn)(火箭)發(fā)動(dòng)機(jī)。適合于飛行器(航空器、航天器)的推進(jìn)動(dòng)力。
現(xiàn)有的飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)如，化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、靜電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、微波等離子發(fā)動(dòng)機(jī)、電弧噴射發(fā)動(dòng)機(jī)、電阻加熱噴射發(fā)動(dòng)機(jī)等，這些發(fā)動(dòng)機(jī)的共同之處，都是對(duì)噴射氣體加熱膨脹產(chǎn)生動(dòng)力，屬于熱力學(xué)過(guò)程，故稱(chēng)之為熱發(fā)動(dòng)機(jī)。熱力學(xué)過(guò)程的熵增加原理，是導(dǎo)致系統(tǒng)效率低下的直接原因，因此目前所有發(fā)動(dòng)機(jī)都必須是開(kāi)口系統(tǒng)。譬如化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)必須燃燒掉非常多的昂貴的燃料，電推進(jìn)(電加熱)系統(tǒng)的推重比遠(yuǎn)小于1?，F(xiàn)有技術(shù)存在的這些問(wèn)題都在最大程度上制約了推進(jìn)技術(shù)、航空航天及交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展。
分子物理學(xué)證明，任意分子(離子、電子)在空間至少有三個(gè)自由度，而熱傳遞只有一個(gè)方向，因此，賦予一維的能量充其量也只有1/3，余下2/3的能量份額并沒(méi)有發(fā)揮作用，這種結(jié)果就是“熵作用”的實(shí)質(zhì)?？梢?jiàn)，系統(tǒng)熵是熱幾率的產(chǎn)物，要想消除它幾乎是不可能的，但是提高效率又必須擯棄熵。解決這一矛盾的唯一途徑就是遠(yuǎn)離熱力學(xué)系統(tǒng)，或者說(shuō)，不能通過(guò)純粹的熱力學(xué)系統(tǒng)達(dá)到提高熱效率的目的。
本發(fā)明的任務(wù)是要提供一種循環(huán)等離子體電推進(jìn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，是將電力直接或間接(如，微波送電)輸入發(fā)動(dòng)機(jī)，并在系統(tǒng)中建立起靜電場(chǎng)，等離子體中的單極性電荷在電場(chǎng)力的作用下加速度產(chǎn)生動(dòng)力。大家知道，靜電場(chǎng)力是保守力，根據(jù)機(jī)械能守恒定律，只有保守力做功的情況下質(zhì)點(diǎn)系的機(jī)械能保持不變。再者，通過(guò)靜電場(chǎng)的電子(離子)束如果細(xì)小到極至，其層流和發(fā)散完全可以忽略，這種有序系統(tǒng)將徹底避免熵的負(fù)面影響，因此電推進(jìn)系統(tǒng)的推重比遠(yuǎn)大于1。
本發(fā)明的任務(wù)是這樣實(shí)現(xiàn)的，在真空容器中，有確定的某種中性氣體、等離子發(fā)生器、靜電動(dòng)力電極和控制電路。等離子發(fā)生器能夠使真空容器中的中性氣體，在短時(shí)間內(nèi)全部電離并生成大量的電子(e)和正離子(i)。靜電動(dòng)力電極與等離子體發(fā)生器(諧振腔)相接，單極性電荷(q)在電場(chǎng)力(Fq)的作用下，加速度(aq)產(chǎn)生動(dòng)力(F0)。單極性電荷可以是電子也可以是正離子，若是電子可稱(chēng)為電子發(fā)動(dòng)機(jī)；若是正離子就是離子發(fā)動(dòng)機(jī)，只要改變靜電動(dòng)力電極的電場(chǎng)(E0)方向就能夠?qū)崿F(xiàn)互換。
靜電動(dòng)力電極是在平行板電極A、B中間增設(shè)金屬電極C，電極A與電極C一端的間距為d1，電極C的另一種端與電極B的間距為d2，電極C的長(zhǎng)度為d0，靜電動(dòng)力電極有效長(zhǎng)度為d＝d1+d2+d0。金屬電極C在電場(chǎng)中，其內(nèi)部電場(chǎng)為零即E內(nèi)＝0，也就說(shuō)，d0區(qū)域的電場(chǎng)被排擠到d1、d2形成“濃縮”場(chǎng)強(qiáng)E0。如果電極A的電位為UA，電極B為UB，靜電動(dòng)力電極電位UAB(V)的分配關(guān)系為UAB＝UA-UB＝E0d1+E0d2=E0(d1+d2) (1)由(1)式可以看出，場(chǎng)強(qiáng)由原來(lái)的E＝UAB/d，變?yōu)镋0＝UAB/(d1+d2)，因?yàn)閐＞＞(d1+d2)，故而E＜＜E0。如果電荷以末速度vq(m/s)通過(guò)靜電動(dòng)力電極，所需時(shí)間為tAB(s)，靜電動(dòng)力電極的電功率PAB(W)PAB＝qUAB/tAB(2)(2)式中的tAB＝td+tC，td是電荷加速度通過(guò)d1+d2區(qū)間的時(shí)間，tC是電荷以勻速度vC通過(guò)C電極的時(shí)間。在沒(méi)有C電極的情況下，則tAB(s)tAB＝(vq-vq0)/aq＝(vq-vq0)2d/(vq2-vq2)令，初速度vq0＝0m/s ＝2d/vq增設(shè)了C電極之后，d0＞＞(d1+d2)，所以有tC＞＞td，如果忽略td并且令tAB＝tC=d0/vC＝2d/vq，代入(2)式，得
PAB＝qE0(d1+d2)/tAB(3)＝qE0[(d1+d2)/2d]·vq＝[(d1+d2)/2d]·Fqvq計(jì)算證明，只有當(dāng)d1≠d2(d1＜d2)時(shí)(3)式成立。于是，PAB正比于β＝(d1+d2)/2d和UAB，調(diào)整這兩個(gè)參數(shù)就可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的電功率與飛行器的飛行功率達(dá)到匹配。設(shè)，飛行器的飛行功率P0(W)＝F0v0，則功率匹配關(guān)系為β·Fqvq＝F0v0(4)根據(jù)作用與反作用定律之規(guī)定，在相反方向上的動(dòng)量即m和v的乘積必須相等。因此，(4)式首先需要建立Fq＝F0力平衡關(guān)系即在單位時(shí)間里電極系統(tǒng)與飛行器系統(tǒng)動(dòng)量守恒，為此(4)式改寫(xiě)成，β＝v0/vq(5)因?yàn)棣拢迹?，則(5)式說(shuō)明在系統(tǒng)中v0與vq可以有非常大的速差。當(dāng)v0與vq確定之后，由(4)式定義出系統(tǒng)的計(jì)算推力Fq′(N)Fq′＝βFq(6)經(jīng)過(guò)(5)式、(6)式處理之后，在(4)式中動(dòng)量守恒與功率匹配關(guān)系同時(shí)具足。如果UAB和β均保持常數(shù)，則必然有vq、v0、P0、a0、F0為常數(shù)，這種平臺(tái)關(guān)系就稱(chēng)之為發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力平臺(tái)(簡(jiǎn)稱(chēng)，動(dòng)力平臺(tái))。
對(duì)于一部發(fā)動(dòng)機(jī)可以設(shè)立一個(gè)或多個(gè)動(dòng)力平臺(tái)，但每一個(gè)動(dòng)力平臺(tái)都必須使系統(tǒng)運(yùn)行于功率匹配狀態(tài)，因此根據(jù)(5)式可以推理出動(dòng)力平臺(tái)的轉(zhuǎn)換(如，UAB)為非連續(xù)階變方式。
熱發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖IS(N·s/kg)是這樣定義的，即發(fā)動(dòng)機(jī)推力F與每秒流過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體質(zhì)量m之比，即IS＝F/m。氣體是粒子群體行為的集合，而群體行為就一定與熱、熵相聯(lián)系，這其中也包括電子(離子)光學(xué)中的各種束。由此看來(lái)，唯有單一粒子才真正具備高效率特征。于是，電荷在電場(chǎng)中的比沖IS(N·s/kg)IS＝Fq/Gq＝qE0/Gq(7)(7)式中，Gq＝mq/s為每秒電荷質(zhì)量流量(kg/s)，為此電子發(fā)動(dòng)機(jī)比沖
IS=1.76×1011·E0(E0≥1) (8)而熱發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖一般為104(N·s/kg)左右。由單一粒子組成的電子(離子)束就是一維束即帶電粒子在電場(chǎng)方向上順序排列，并且每一個(gè)粒子都有獨(dú)立的空間、時(shí)間和相同的加速度。
等離子體中有大量的電子和正離子，但這些電荷之間的相互作用總是要使等離子體內(nèi)部保持宏觀電中性。當(dāng)單極性電荷離開(kāi)靜電動(dòng)力電極的瞬間，必然與諧振腔處形成等量異性電荷的積累，而電中性原理會(huì)促使等量異性電荷，由系統(tǒng)兩端各自向?qū)Ψ椒较蜻\(yùn)動(dòng)從而形成電流。這種電流的合成動(dòng)量為零，為此在系統(tǒng)中唯有靜電動(dòng)力電極能夠產(chǎn)生動(dòng)力。德拜距離λD(即德拜球半徑m)是衡量等離子體電中性與否的唯一尺度，因此等離子體由非電中性到電中性，所要經(jīng)過(guò)的最長(zhǎng)路徑就是德拜球的直徑2λD，而且是憑借電荷自身熱運(yùn)動(dòng)速度vh通過(guò)這段路徑，于是，循環(huán)速率用時(shí)間tD(s)來(lái)表示，即tD＝2λD/vh(9)實(shí)際過(guò)程tD＜＜tAB，說(shuō)明循環(huán)等離子體在系統(tǒng)中，進(jìn)行著一種非常穩(wěn)定的輸運(yùn)過(guò)程。不僅如此，更重要的是說(shuō)明系統(tǒng)恢復(fù)電中性的時(shí)間，要比非電中性發(fā)生時(shí)間短幾千倍甚至萬(wàn)倍，因此，完全有理由確定循環(huán)等離子體始終為電中性。
由于采用了上述技術(shù)方案，發(fā)動(dòng)機(jī)免除了氣體的燃燒和排放，并在最大程度上提高了系統(tǒng)效率，實(shí)現(xiàn)了一種沒(méi)有污染、沒(méi)有噪音、潔凈高效低成本的電推進(jìn)技術(shù)。
以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖1是本發(fā)明的原理2是靜電動(dòng)力電極電原理3是動(dòng)力平臺(tái)關(guān)系曲線(xiàn)圖4是一維束原理5是一維束極板結(jié)構(gòu)放大6是靜電動(dòng)力電極剖面結(jié)構(gòu)放大中，1微波源、2波導(dǎo)、3諧振腔、4通孔、5電極A、6電極C、7電極B、8氣體、9真空容器、10動(dòng)力平臺(tái)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、11一維束極板、12電極A極板、13電極C極板、14單片陶瓷板、15離子束陶瓷通道、16電極C極板、17電極B極板。
圖1是本發(fā)明原理圖，在真空容器(9)中，設(shè)置等離子發(fā)生器(這里選用微波等離子發(fā)生器)、靜電動(dòng)力電極和電源UAB。等離子發(fā)生器是由微波源(1)、波導(dǎo)(2)、諧振腔(3)以及氣體(8)組成。諧振腔(3)上開(kāi)設(shè)很多小孔(4)，其孔徑φD＜＜λ(λ微波波長(zhǎng))防止微波能泄漏并與氣體(8)相通。電極A(5)、電極C(6)、電極B(7)共同組合成靜電動(dòng)力電極。電極A(5)與諧振腔(3)電連接為一體并保持相同的電位。當(dāng)微波源(1)中的微波能通過(guò)波導(dǎo)(2)傳入諧振腔(3)時(shí)，便在其中產(chǎn)生大量的正負(fù)電荷，其中單極性電荷在電場(chǎng)力的作用下進(jìn)入靜電動(dòng)力電極加速度產(chǎn)生動(dòng)力。由于諧振腔(3)中的單極性電荷被靜電動(dòng)力電極大量吸收，與氣體(8)形成密度差而引起流動(dòng)，氣體(8)通過(guò)小孔(4)不斷進(jìn)入腔內(nèi)不斷被電離，在很短的時(shí)間里系統(tǒng)氣體將達(dá)到全部電離，循環(huán)系統(tǒng)也就由氣體轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體。當(dāng)單極性電荷離開(kāi)B電極(7)的瞬間，與諧振腔(3)處形成等量異號(hào)電荷的積累即形成空間電場(chǎng)，這種電場(chǎng)的作用會(huì)使正負(fù)電荷各自向?qū)Ψ椒较蜻\(yùn)動(dòng)，從而形成電流。這種電流的合成動(dòng)量為零，因此在系統(tǒng)中確立了唯有靜電動(dòng)力電極產(chǎn)生動(dòng)力的地位。
根據(jù)德布羅意(L.V.de Brolie)波長(zhǎng)，可以判斷出離子發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)量性能更具優(yōu)越，適合于飛行器的起飛和低高速飛行。如果一運(yùn)載火箭的起飛重量w＝105kg，加速度a0＝4.9m/s2，起飛推力F0(N)F0＝wa0+9.8w＝1.47×106N根據(jù)(5)式功率匹配原則，設(shè)β＝1.5×10-4，d1+d2＝0.002m，則d＝6.77m；起飛第一秒速度v0＝4.9m/s，那么正離子的速度vi(m/s)vi＝v0/β＝4.9/1.5×10-4＝3.27×104
若以氫(H)離子為例，其質(zhì)量mH=1.67×10-27kg，帶電量qH＝1.602×10-19C，電場(chǎng)電位UAB(V)UAB＝qH·mHvi2/2＝5.57d1+d2區(qū)間的場(chǎng)強(qiáng)E0(V/m)E0＝UAB/(d1+d2)＝2785場(chǎng)強(qiáng)E0對(duì)離子的加速度ai(m/s2)ai＝eE0/mH＝2.672×1011離子發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖IS(N·s/kg)IS=qHE0/Gi＝2.672×1011根據(jù)(6)式，當(dāng)vi與v0確定之后，計(jì)算推力Fi′(N)Fi′＝[(d1+d2)/2d]·Fi＝220.5于是，產(chǎn)生F0＝1.47×106N推力所需要的正離子流量Gi(kg/s)Gi＝Fi′/IS＝0.826×10-9正離子的數(shù)密度流量Ni(/s)Ni=Gi/mH＝5×1017正離子通過(guò)靜電動(dòng)力電極的時(shí)間tAB(s)tAB=2d/vi＝4.14×10-4在tAB時(shí)間里正離子的數(shù)密度流量Ni(tAB)Ni(tAB)＝NitAB=2.07×1014(10)由(10)式可以暫定系統(tǒng)循環(huán)等離子體密度為ND＝1016/m3，所以等離子體的電子溫度Te＝2×104K，正離子溫度Ti＝2×103K、德拜距離(電子)De=0.3mm，德拜距離(離子)Di=0.03mm。
由ND＝1016/m3還能確定系統(tǒng)的真空度p≈10-4(Pa)，等離子體的平均自由程λ≥90m。λ＞＞d，這個(gè)條件說(shuō)明電子(離子)束通過(guò)靜電動(dòng)力電極為直線(xiàn)速度而不是遷移速度。根據(jù)(3)式d1≠d2(d1＜d2)的原則，計(jì)算d1(m)vC＝d0/tC＝1.63439×104m/sd1＝vC2/2ai＝0.5×10-3根據(jù)(9)式，等離子在系統(tǒng)中的循環(huán)速率用時(shí)間tD(s)來(lái)表示，即正離子的熱運(yùn)動(dòng)速度vh＝(3kTi/mH)1/2＝7.04×103m/s循環(huán)速率 tD＝2λD/vh=9×10-9式中，k＝1.38×10-23J/K。tD＜＜tAB能夠證明，選擇ND＝1016/m3是可行的。以上是飛行器起飛第一秒的狀態(tài)參數(shù)，也是發(fā)動(dòng)機(jī)必須首先確定的基本參數(shù)。
圖2是靜電動(dòng)力電極電原理圖，A電極(5)始終保持零電位，B電極(7)、電子開(kāi)關(guān)(SCR)、動(dòng)力平臺(tái)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(10)、電源UAB和零電位(0V)順序連接。在電子開(kāi)關(guān)(SCR)的控制極G端輸入導(dǎo)通(ton)和關(guān)閉(toff)信號(hào)，用來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)推力和加速度，最終是為了控制飛行器的飛行速度以達(dá)到功率匹配之目的。
動(dòng)力平臺(tái)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)由0位逐次提高，是UAB、PAB提高的過(guò)程。當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(10)指向0位，即所謂的0號(hào)動(dòng)力平臺(tái)，每一個(gè)動(dòng)力平臺(tái)的基本原則就是要使系統(tǒng)處于功率匹配狀態(tài)即滿(mǎn)足(4)式βFivi＝F0(v01-v00) (11)于是，UAB0、a0、IS0、PAB0均為常數(shù)。
當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(10)指向1位即1號(hào)動(dòng)力平臺(tái)時(shí)，UAB發(fā)生變化，比沖IS、推力F以及粒子質(zhì)量流量Gi(kg/s)、密度流量Ni(/s)也將發(fā)生變化，此時(shí)要使系統(tǒng)達(dá)到功率匹配狀態(tài)很困難。因此，就需要通過(guò)調(diào)節(jié)電子開(kāi)關(guān)(SCR)ton和toff時(shí)間的長(zhǎng)短，使得動(dòng)力平臺(tái)參數(shù)即UAB1、IS1、F1包括流量參數(shù)Gi1、Ni1，形成在單位時(shí)間里的平均參數(shù)，這些平均參數(shù)直接控制飛行器的飛行速度v1，這樣就很容易通過(guò)平均參數(shù)實(shí)現(xiàn)功率匹配關(guān)系。
平均值系數(shù)QSW的定義，是將秒(1s)信號(hào)中ton的和數(shù)∑ton與重復(fù)周期TSW＝1s的比，即QSW＝∑ton/TSW于是，動(dòng)力平臺(tái)參數(shù)平均值a1＝QSW·a1、F1＝QSW·F1，以及平均值的功率匹配關(guān)系，即
βFi1vi1＝F1(v11-v01)在推導(dǎo)(3)式過(guò)程中，令vq0＝0(m/s)說(shuō)明靜電動(dòng)力電極在功率匹配狀態(tài)下不占用等離子體的能量，也就說(shuō)，β＝v0/vi說(shuō)明系統(tǒng)處在維持等離子體的恒溫狀態(tài)。飛行器在飛行過(guò)程中，由于各種外力的影響會(huì)導(dǎo)致等式變成不等式即β＜v0/vi或者β＞v0/vi。β＜v0/vi，說(shuō)明系統(tǒng)功率出現(xiàn)不匹配即PAB0＜P0，于是等式就要改寫(xiě)為β＝v0/u (12)(12)式中，u＝vi+vh即電荷通過(guò)靜電動(dòng)力電極的全速度u，是vi與等離子熱速度vh之和，因此β＜v0/vi的結(jié)果將導(dǎo)致循環(huán)等離子的溫度降低。大家知道，等離子體是氣體在高溫條件下的產(chǎn)物，一旦等離子體溫度降低就會(huì)向氣體轉(zhuǎn)變。與之相反，β＞v0/vi說(shuō)明PAB0＞P0即系統(tǒng)對(duì)等離子體加熱，而等離子體又不可能容納更多的能量，因此體溫度升高非常迅速直至毀壞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。等離子體的溫度已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)的“體溫”，檢測(cè)和控制“體溫”就變得非常重要。
圖3是動(dòng)力平臺(tái)關(guān)系曲線(xiàn)，是以動(dòng)力平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間t(s)為橫坐標(biāo)；以飛行器的飛行速度v(m/s)為縱坐標(biāo)，用直角坐標(biāo)系表示多個(gè)動(dòng)力平臺(tái)的功率匹配關(guān)系和計(jì)算方法。
0號(hào)動(dòng)力平臺(tái)，已知參數(shù)UAB0＝5.57V，離子速度vi0＝3.27×104m/s，飛行器加速度a0＝4.9m/s2。0號(hào)動(dòng)力平臺(tái)需要持續(xù)tT0＝70秒，飛行器要通過(guò)對(duì)流層(距離地面12km)，因此在70秒末，飛行器的末速度 v01＝a0tT0＝4.9×70＝343m/s飛行器通過(guò)的路程S0＝v012/2a0＝117649/9.8＝12005m與之同時(shí)，由0號(hào)動(dòng)力平臺(tái)向1號(hào)動(dòng)力平臺(tái)轉(zhuǎn)換。
1號(hào)動(dòng)力平臺(tái)，加速度為a1＝20m/s2，直至通過(guò)平流層(距離地面80km)。1號(hào)動(dòng)力平臺(tái)所持續(xù)的時(shí)間tT1(s)飛行器末速度 v11＝[2a1(S1-S0)+v012]1/2=1685m/s
tT1＝(v11-v01)/a1＝1342/20＝67.1功率匹配參數(shù)vi1(m/s)vi1＝v1/β＝20/1.5×10-4＝1.33×105UAB1＝mHvi12/2qH=92.7V飛行器在經(jīng)過(guò)tT0+tT1＝137.1秒之后，向2號(hào)動(dòng)力平臺(tái)轉(zhuǎn)換。
2號(hào)動(dòng)力平臺(tái)，要完成由平流層到達(dá)外大氣層的任務(wù)，距離為300km，如果加速度a2＝45m/s2。，其末速度v21(m/s)v21＝(2a2S2+v112)1/2=5462.5此時(shí)，飛行器進(jìn)入外大氣層的速度已達(dá)16Ma。2號(hào)平臺(tái)持續(xù)的時(shí)間tT2(s)tT2＝(v21-v11)/a2＝3777.5/45＝84飛行器自起飛至進(jìn)入外大氣層所用時(shí)間為tT0+tT1+tT2＝221.1s。2號(hào)動(dòng)力平臺(tái)功率匹配參數(shù)離子速度 vi2＝v2/β＝3×105m/s平臺(tái)電壓 UAB2=mHvi22/2qH＝469V運(yùn)載火箭再運(yùn)行約67.5秒其末速度可達(dá)到25Ma，即可進(jìn)入預(yù)定軌道。若再提高飛行器加速度可由離子發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為電子發(fā)動(dòng)機(jī)。
圖4是一維束原理圖，單極性電荷在一維方向上順序排列，每一個(gè)電荷在電場(chǎng)中都有相同的加速度并且各自都保持獨(dú)立的時(shí)間和空間，若用力學(xué)關(guān)系表示即vq1-vq0＝aqt1＝vqn-vq(n-1)＝aqtn。在一維方向上，由電荷之間的速度差或者電位差所表現(xiàn)出的力Fq＝qE0定義為引力，同性電荷還存在斥力Fr，只有當(dāng)兩種力相等時(shí)才能形成最大束密度，即qE0＝q2/(4πε0r2)(13)根據(jù)(13)式，以0號(hào)動(dòng)力平臺(tái)為例，一維束的最小間距r1(m)r1＝(qH/4πε0E0)1/2＝7.2×10-7公差D (vi0＝vh＝7.04×103m/s)vi1＝(2ai0r1+vi02)1/2＝7.063×103m/sD＝vi1-vi0＝27可見(jiàn)，一維束在電場(chǎng)中按照等差數(shù)列規(guī)律排列。
圖5是一維束極板結(jié)構(gòu)圖，極板(11)是由金屬膜片制成，直徑為φ1，除去焊接部位，余下面積將通過(guò)微細(xì)加工技術(shù)制作微孔φ2。φ2孔是形成一維束的必要條件，即同性電荷在φ2距離上的排斥力Fφ，一定要大于靜電動(dòng)力電極d1區(qū)間的電場(chǎng)力1/2Fi，即q2/4πε0φ22＞1/2Fi符合了這種關(guān)系，單極性電荷就會(huì)一個(gè)接一個(gè)地進(jìn)入φ2孔。已知參數(shù)1/2Fi＝0.5qHE0＝2.23×10-16N，并設(shè)φ2＝0.7×10-6m，計(jì)算Fφ(N)Fφ＝q2/4πε0φ22＝4.7×10-16滿(mǎn)足Fφ＞1/2Fi關(guān)系。
圖6是靜電動(dòng)力電極剖面結(jié)構(gòu)放大圖，將一維束極板(11)嵌入A極板(12)的φ1凹槽中焊牢。C電極是在兩個(gè)極板(13)、(16)之間添加單片陶瓷板(14)組合制成直徑為φ，長(zhǎng)度為d0的圓拄體，然后在圓拄體的外表面涂覆金屬并與兩個(gè)極板(13)、(16)電連接成一體。C電極的束通道(15)是由極板(14)上的φ0孔組合而成，為此，A極板(12)、極板(14)、B極板(17)上的φ0孔均同一軸線(xiàn)。實(shí)際過(guò)程，靜電動(dòng)力電極為金屬鎧裝式，這種鎧具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性，防止內(nèi)外電磁場(chǎng)相互影響，因此單極性電荷只能由A電極(5)進(jìn)入從B電極(7)輸出，而將一維束電極(11)安裝于A電極，能夠保證通過(guò)A、C、B電極的電子(離子)束均為一維束并且在d1和d2區(qū)間產(chǎn)生的電子光學(xué)原理即折射原理，能夠使φ0孔中所有的一維束均趨于軸線(xiàn)彎曲而不能使其發(fā)散，這樣電子(離子)束就能夠無(wú)損耗地通過(guò)靜電動(dòng)力電極。
φ0孔的確定涉及到兩種力的計(jì)算即平行板電場(chǎng)力和束對(duì)極板的反作用力，相比之下后者可以忽略。于是，根據(jù)靜電計(jì)原理計(jì)算出一維束極板的受力Fc(N)Fc＝2πσ2Sφ0(14)(14)式中的σ為面電荷密度C/m2，Sφ0為一維束極板有效面積m2。如果束極板有效直徑φ0＝0.6mm，那么束極板有效面積Sφ0(m2)Sφ0＝πφ02/4＝2.826×10-7并將E0＝UAB/(d1+d2)＝4πσ代入(14)式得Fc＝2π×(2785/4π)2×2.826×10-7＝0.09此力對(duì)于一維束極板而言是十分安全的。
權(quán)利要求
1.在封閉的真空容器(9)中，設(shè)置等離子發(fā)生器，靜電動(dòng)力電極和控制電路，共同組成循環(huán)等離子體電推進(jìn)裝置，其特征是微波源(1)中的微波能通過(guò)波導(dǎo)(2)傳入諧振腔(3)，諧振腔(3)固定于真空容器(9)的內(nèi)壁并電連接為零電位(0V)，小孔(4)與氣體(8)相通，進(jìn)入靜電動(dòng)力電極的單極性電荷，只能從電極A(5)進(jìn)入，經(jīng)過(guò)d1區(qū)間，電極C(6)，d2區(qū)間，最后由電極B(7)輸出，電極A(5)與諧振腔(3)連接并保持相同電位(0V)，電極C(6)為感應(yīng)電位，電極B(7)與電子開(kāi)關(guān)(SCR)，動(dòng)力平臺(tái)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(10)，電源UAB及零電位(0V)順序連接組成控制電路，并由電子開(kāi)關(guān)(SCR)的控制極(G)輸入ton和toff信號(hào)用來(lái)控制電子開(kāi)關(guān)(SCR)的導(dǎo)通與關(guān)閉時(shí)間，在A極板(12)上安裝一維束極板(11)使得通過(guò)靜電動(dòng)力電極的電子(離子)束均為一維束，而A極板(12)，C極板(13)(16)，陶瓷極板(14)，B極板(17)上的φ0孔均同一軸線(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述，β＝v0/vq為系統(tǒng)的功率匹配狀態(tài)，其特征是β＜v0/vq即系統(tǒng)處在對(duì)等離子體冷卻狀態(tài)，β＞v0/vq即系統(tǒng)處在對(duì)等離子體加熱狀態(tài)，β＝v0/vq即系統(tǒng)維持等離子體的恒溫狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述，閉合循環(huán)等離子體，其特征是由非電中性到電中性所需要的最長(zhǎng)時(shí)間為tD，即tD＝2λD/vh，并且tD＜＜tAB。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述，靜電動(dòng)力電極，其特征是在平行板電極A(5)和電極B(7)的中間加入金屬電極C(6)，電極A(5)與電極C(6)一端的間距為d1，電極C(6)的另一端與電極B(7)的間距為d2，d1與d2既可以相等也可以不等，電極C(6)的長(zhǎng)度為d0，靜電動(dòng)力電極的有效長(zhǎng)度為d＝d1+d2+d0。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述，一維電子(離子)束，其特征是在平行板電場(chǎng)中，電子(離子)在電場(chǎng)方向上順序排列，每一個(gè)電荷在電場(chǎng)中都有相同的加速度及獨(dú)立的空間和時(shí)間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述，其特征是帶電粒子在電場(chǎng)中的比沖IS(N·s/kg)定義為IS＝Fq/Gq＝qE0/Gq。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述，靜電動(dòng)力電極的電功率PAB＝β·Fqvq，其特征是只有在d1≠d2即d1＜d2并令tAB＝tC的條件下才能成立。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述，一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)可以有一個(gè)或多個(gè)動(dòng)力平臺(tái)，其特征是每一個(gè)動(dòng)力平臺(tái)的建立都必須使系統(tǒng)處于功率匹配狀態(tài)，即滿(mǎn)足β·Fqvq＝F0v0平衡關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種循環(huán)等離子體電推進(jìn)(火箭)發(fā)動(dòng)機(jī),適合于飛行器(航空器、航天器)的推進(jìn)動(dòng)力?，F(xiàn)有的各種發(fā)動(dòng)機(jī)因系統(tǒng)效率低而必須是開(kāi)口系統(tǒng),本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了等離子體閉合循環(huán)方式。因?yàn)?靜電動(dòng)力電極能夠在電場(chǎng)強(qiáng)度不變的情況下較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電功率。在經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)整之后,可以使靜電動(dòng)力電極的電功率與飛行器的飛行功率完全匹配,即實(shí)現(xiàn)電力與動(dòng)力的高效率轉(zhuǎn)換。正因?yàn)橄到y(tǒng)具備了這種高效率機(jī)制,才使得循環(huán)等離子體成為可能。
文檔編號(hào)F03H1/00GK1349050SQ0113048
公開(kāi)日2002年5月15日 申請(qǐng)日期2001年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月21日
發(fā)明者王杰 申請(qǐng)人:王杰