一種等離子體背場增強(qiáng)軌道的制作方法
【專利摘要】一種等離子體背場增強(qiáng)軌道，其特征在于，所述的等離子體背場增強(qiáng)軌道包括主軌道和梯度外軌。所述的主軌道為水平布置的兩根平行的金屬軌道。所述的梯度外軌由對(duì)稱地成對(duì)布置于主軌道上下兩側(cè)的單邊梯度外軌組成。背場增強(qiáng)軌道產(chǎn)生沿前進(jìn)方向上具有梯度的磁場，該磁場對(duì)等離子體在推進(jìn)方向上產(chǎn)生壓縮，抵消等離子體在高溫高壓膨脹狀態(tài)下的發(fā)散作用。
【專利說明】一種等離子體背場增強(qiáng)軌道
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種等離子體電磁軌道裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]等離子軌道直線推進(jìn)是利用強(qiáng)脈沖電流(幾十kA甚至幾MA級(jí))形成磁場與電流相互的洛倫茲力，將兩條導(dǎo)電軌道間的等離子體加速并推射出去的裝置，等離子體可以由本地等離子體發(fā)生器產(chǎn)生，也可以通過其他方式預(yù)先注入到發(fā)射腔內(nèi)，然后脈沖電源通過軌道與等離子構(gòu)成的回路開始放電，將等離子加速前進(jìn)。等離子加速具有超高出口速度的特點(diǎn)，理論上能夠把被推進(jìn)物體加速到20-30km/s，兩團(tuán)小顆粒對(duì)撞，實(shí)現(xiàn)可控的核聚變反應(yīng)。
[0003]傳統(tǒng)的等離子體推進(jìn)裝置有兩條互相平行的金屬主軌道，由專門的等離子體發(fā)生或者注入裝置在兩根主軌道之間的一端產(chǎn)生或者注入一團(tuán)等離子體，同時(shí)這一端也是電源接線端，電源對(duì)兩條主軌道高壓放電，等離子體與兩條主軌道形成放電回路，等離子體受到安培力或者洛倫茲力被推射出去，安培力的大小F=BIL,這里B為主軌道間的磁感應(yīng)強(qiáng)度，由回路中的電流產(chǎn)生，I為運(yùn)行電流，L為等離子體的等效寬度。為了提高等離子體受到的加速力F，可以在主軌道上下兩側(cè)增加背景磁場軌道(簡稱背場軌道)，背場軌道與等離子體不接觸，自身回路閉合，其中的運(yùn)行電流產(chǎn)生的磁場與主軌道產(chǎn)生的磁場疊加，提高了磁感應(yīng)強(qiáng)度B，在I和L不變的情況下，提高了等離子體受到的加速力F。這里背景磁場簡稱背場，添加背場軌道的方式簡稱背場增強(qiáng)，考慮到等離子體在與前進(jìn)方向相垂直的其他方向上受力平衡，一般是相對(duì)主軌道對(duì)稱地成對(duì)添加背場軌道。等離子軌道推進(jìn)裝置具有結(jié)構(gòu)與控制簡單，容易加工制造，出口速度高等優(yōu)點(diǎn)，目前國際上最高能做到7km/s以上。
[0004]傳統(tǒng)的等離子體推進(jìn)裝置中，由于等離子體自身的高溫高壓狀態(tài)具有膨脹擴(kuò)散特性，以及在前進(jìn)過程中受稀薄氣體的沖擊，等離子體會(huì)出現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象，在前進(jìn)方向上分布越拉越長，整體推力下降，甚至在主等離子體后面分裂成二次等離子體，徹底分流，造成出口速度和發(fā)射效率下降。
[0005]目前國內(nèi)相關(guān)等離子體推射的裝置均為單獨(dú)主軌道模式，如圖1所示。王瑩，肖峰在《電炮原理》(國防工業(yè)出版社，pp339，pp58-63)中概念性地提到等離子體推進(jìn)裝置中添加背場增強(qiáng)軌道模式，背場軌道平行于主軌道上下設(shè)置，背場軌道產(chǎn)生的磁場在等離子體前進(jìn)的方向上不具備梯度，那么背景磁場對(duì)等離子體只能提供推力，等離子體本身前進(jìn)過程中會(huì)膨脹擴(kuò)散，最終導(dǎo)致推力和整體效率下降。圖2所示為傳統(tǒng)背場增強(qiáng)軌道與主軌道相互位置關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的等離子前進(jìn)過程中膨脹擴(kuò)散的缺點(diǎn)，提出一種新的等離子背場增強(qiáng)軌道。本發(fā)明在等離子體前進(jìn)方向上除了形成背場基礎(chǔ)磁場，還存在背場磁場的梯度分布，這樣，等離子體在前進(jìn)過程中除了受到推進(jìn)力之外，還會(huì)在前進(jìn)方向上被壓縮，不會(huì)發(fā)散，分裂，而是密度越來越高，推力集中，等離子體推進(jìn)的出口速度，即軌道末端速度，以及等離子體推進(jìn)效率都大大提高。
[0007]本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)如下:
[0008]傳統(tǒng)的等離子體推進(jìn)軌道一般為水平布置的兩根金屬主軌道，或者在主軌道外與之平行地添加背場軌道，傳統(tǒng)的背場軌道為與主軌道平行上下對(duì)稱布置的平行金屬軌道。本發(fā)明提出了幾種不同的背場軌道模式，在主軌道之外，附加有梯度外軌。所述的梯度外軌有漸開型梯度軌道、收縮型梯度外軌或者多層遞減型梯度軌道等形式。梯度外軌有兩重功效，第一是產(chǎn)生與主軌道磁場疊加的增強(qiáng)助推磁場，第二是在等離子體的前進(jìn)方向上，等離子體的受力密度從前向后梯度增加，也就是等離子體的加速度從前向后梯度增加，亦即沿等離子體的前進(jìn)方向，等離子體的受力密度和加速度遞減，背場增強(qiáng)軌道都能夠在等離子體的前進(jìn)方向上形成磁場梯度，梯度外軌的對(duì)等離子體在推進(jìn)方向上產(chǎn)生壓縮，抵消其高溫高壓膨脹狀態(tài)下的發(fā)散作用。
[0009]本發(fā)明等離子背場增強(qiáng)軌道包括主軌道和梯度外軌。所述的主軌道為水平布置的兩根平行的金屬軌道。所述的梯度外軌由對(duì)稱地成對(duì)布置于主軌道上下兩側(cè)的單邊梯度外軌組成。為了產(chǎn)生梯度磁場，梯度外軌有如下幾種結(jié)構(gòu)模式:
[0010]1、漸開型:梯度外軌與主軌道不平行，在等離子前進(jìn)方向上梯度外軌與主軌道之間的距離越來越大，距離的變化量為線性，即每條單邊梯度外軌是直線；
[0011]2、漸開型的變形:與漸開型相同，沿等離子前進(jìn)方向梯度外軌與主軌道間距離越來越大，但距離變化量非線性，即每條單邊梯度外軌是向外彎曲的；
[0012]3、收縮型:每條單邊梯度外軌的兩根金屬軌道間不平行，在等離子體前進(jìn)方向上越收越窄；
[0013]4、多層遞減型:由多層多對(duì)梯度軌道組成；梯度外軌的層數(shù)沿等離子前進(jìn)方向遞減；每層梯度外軌均與主軌道平行，每層梯度外軌的單邊梯度外軌的長度等離子體前進(jìn)方向遞減，每層梯度外軌的單邊梯度外軌與主軌道的距離沿等離子體前進(jìn)方向遞減。
[0014]5、復(fù)合型:以上幾種梯度外軌復(fù)合使用，比如既是漸開又是收縮型，等等。
[0015]本發(fā)明可應(yīng)用于等離子體電磁推進(jìn)領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1、傳統(tǒng)的只有主軌道的等離子體裝置的軌道示意圖，其中圖1a為側(cè)視圖，圖1b為俯視圖；
[0017]圖2、傳統(tǒng)背場增強(qiáng)軌道與主軌道相互位置關(guān)系，其中圖2a為側(cè)視圖，圖2b為俯視圖；
[0018]圖3、本發(fā)明漸開型梯度軌道與主軌道關(guān)系示意圖，其中圖3a為側(cè)視圖，圖3b為俯視圖；
[0019]圖4本發(fā)明變形的漸開型梯度外軌與主軌道關(guān)系示意圖，其中圖4a為側(cè)視圖，圖4b為俯視圖；
[0020]圖5本發(fā)明收縮型梯度軌道與主軌道關(guān)系示意圖，其中圖5a為側(cè)視圖，圖5b為俯視圖；
[0021]圖6本發(fā)明多層遞減型梯度外軌與主軌道關(guān)系示意圖，其中圖6a為側(cè)視圖，圖6b為俯視圖；[0022]圖7本發(fā)明一種復(fù)合型梯度軌道與主軌道關(guān)系示意圖，其中圖7a為側(cè)視圖，圖7b為俯視圖；
[0023]圖中:1主軌道，2梯度外軌，圖中從左至右為等離子前進(jìn)方向，左端為梯度外軌電源正負(fù)極引線端，簡稱引線端，右端為梯度外軌等離子體推進(jìn)的出口端，簡稱出口端，3為傳統(tǒng)背場增強(qiáng)的背場軌道。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0025]設(shè)等離子體在前進(jìn)方向上尺寸膨脹速度為Ve的精確值計(jì)算比較復(fù)雜，但可以通過零磁通線圈或者B-dot線圈等手段實(shí)際測量獲取，
[0026]
【權(quán)利要求】
1.一種等離子體背場增強(qiáng)軌道，其特征在于，所述的等離子體背場增強(qiáng)軌道包括主軌道和梯度外軌；所述的主軌道為水平布置的兩根平行的金屬軌道；所述的梯度外軌由對(duì)稱地成對(duì)布置于主軌道上下兩側(cè)的單邊梯度外軌組成；所述的梯度外軌的梯度沿前進(jìn)方向?yàn)樨?fù)值，背場增強(qiáng)軌道產(chǎn)生沿前進(jìn)方向的磁場梯度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體背場增強(qiáng)軌道，其特征在于，所述的梯度軌道有以下幾種結(jié)構(gòu)模式: 1)漸開型:梯度外軌與主軌道不平行，在等離子前進(jìn)方向上梯度外軌與主軌道之間的距離越來越大，距離的變化量為線性，即梯度外軌相對(duì)于軌道傾斜，每條單邊梯度外軌是直線.2)漸開型的變形:沿等離子前進(jìn)方向，梯度外軌與主軌道間距離越來越大，距離變化量非線性，即梯度外軌相對(duì)于主軌道傾斜，每條單邊梯度外軌向外彎曲； 3)收縮型:每條單邊梯度外軌的兩根金屬軌道間不平行，在等離子體前進(jìn)方向上越收越窄； 4)多層遞減型:由多層多對(duì)梯度外軌組成，每層梯度外軌均與主軌道平行，每層梯度外軌的單邊梯度外軌的長度沿等離子體前進(jìn)方向遞減，每層梯度外軌與主軌道的距離沿等離子體前進(jìn)方向遞減，梯度外軌的層數(shù)由沿等離子體前進(jìn)方向遞減； 5)復(fù)合型:所述I)至4)幾種梯度外軌復(fù)合使用。
【文檔編號(hào)】H05H1/10GK103731967SQ201410028250
【公開日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2014年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月21日
【發(fā)明者】王厚生, 陳順中, 李獻(xiàn), 李蘭凱, 龐占忠, 戴銀明, 王秋良 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電工研究所