等離子體工質(zhì)發(fā)動機

姜軍勝

摘 要：航空發(fā)動機的渦輪前進口溫度在不斷的提高，但終將受制于材料而遭遇天花板。該方案論述一種以等離子體為工作介質(zhì)、電場和磁場取代渦輪導向葉片、磁場取代渦輪工作葉片、通過洛倫茲力的反作用力來提取功率，從而跨越渦輪葉片對渦輪進口溫度的限制。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機；等離子體；電場；磁場

中圖分類號：V439 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）05-0055-02

1 方案背景

1.1 燃氣渦輪發(fā)動機面臨的問題

燃氣渦輪是燃氣渦輪發(fā)動機三大核心部件之首，其性能很大程度上決定了發(fā)動機的整體性能。而渦輪進口溫度對渦輪做功能力和效率有直接影響，所以各國不遺余力地致力于提高渦輪進口溫度。但是，受到材料自身特性的影響，即使考慮到冷卻技術(shù)的進步，提高渦輪進口溫度也將遇到瓶頸。

1.2 人工等離子體技術(shù)的發(fā)展

1.2.1 等離子體簡介

等離子體又叫電漿或超氣態(tài)，即電離了的“氣體”。等離子體廣泛存在于宇宙中，是物質(zhì)的主要存在形式。自然界中的火焰、閃電等都是等離子體。當原子被加熱到足夠高的溫度或受其它作用時，電子擺脫原子核的束縛成為自由電子。等離子體即由原子核、電子組成，宏觀上等離子體呈現(xiàn)電中性，是一種很好的導電體，經(jīng)過巧妙的設(shè)計，可以被磁場捕捉、移動和加速[1]。

1.2.2 等離子體的應用

等離子電視、磁流體發(fā)電機是等離子體應用實例。在航天領(lǐng)域，已經(jīng)進入到實用階段的的離子發(fā)動機（日本的“隼鳥”、歐洲的“智能1號”、美國的“黎明號”）是以人工制造的等離子體作為工作介質(zhì)，通過精準控制的磁場和電磁場來獲得推力。隨著科技的進步，將來對人工制造等離子體及對其應用上將取得長足的進步。

1.2.3 磁流體發(fā)電機

值得一提的是利用等離子體作為工作介質(zhì)的磁流體發(fā)電機，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

磁流體發(fā)電技術(shù)是利用等離子體高速流過磁場，正負離子受相反方向的洛倫茲力而分別聚集到兩極，從而產(chǎn)生持續(xù)電流。我國早在60年代初就開始研究，并列入“863”計劃，在北京、上海、南京建立了試驗基地。磁流體發(fā)電中，利用高溫燃燒的氣體中添加1%的鉀、銫等堿金屬化合物（也叫種子）的方法，使得氣體在3000K左右甚至2200K左右就能轉(zhuǎn)化為滿足要求的等離子體[2][3][4]。

2 等離子體工質(zhì)發(fā)動機的基本結(jié)構(gòu)

等離子體工質(zhì)發(fā)動機的基本機構(gòu)（見圖2）與目前發(fā)動機結(jié)構(gòu)（見圖3）類似，在燃燒室中增加兩個電場結(jié)構(gòu)和電子收集板，第一個電場用以使燃氣電離，電子收集板用以收集電離后的電子，第二個電場用以調(diào)節(jié)帶正電的離子的方向回歸軸線方向；在導向葉片位置，可設(shè)置一個磁場結(jié)構(gòu)，用以調(diào)節(jié)燃氣以合適的方向進入到下一環(huán)節(jié)——“燃氣渦輪”；“燃氣渦輪”是一個用磁場代替渦輪葉片從燃氣中提取功率的結(jié)構(gòu)；在“燃氣渦輪”之后有一個放電網(wǎng)，電子收集板收集的電子在放電網(wǎng)與正離子重新結(jié)合形成常規(guī)燃氣，使得可以繼續(xù)用渦輪提從中提取功率。

3 工作原理

氣體進入燃燒室之前，工作原理與常規(guī)發(fā)動機無異，即氣流經(jīng)過壓氣機壓縮壓力增大，以合適的壓力和速度進入燃燒室燃燒產(chǎn)生燃氣。在燃氣達到燃氣渦輪之前被電場電離，變成電子和正離子。電子和正離子都受到電場力的作用，電子所受力與電場方向相反，而正離子所受力與電場線方向相同。由于電子的質(zhì)量相對于正離子的質(zhì)量近乎可以忽略，所以電子獲得的加速度比正離子所獲得的加速度大得多，那么，電子的運動軌跡可以在正離子運動軌跡偏轉(zhuǎn)很少的情況發(fā)生很大的偏轉(zhuǎn)。收集板（相當于磁流體發(fā)電機的一極）用于收集偏轉(zhuǎn)的電子。正離子將通過電場和磁場所形成的“導向葉片”，將燃氣方向調(diào)整至需要的方向，之后流經(jīng)安裝在發(fā)動機軸上的磁場盤（如圖4所示）。在磁場盤中，離子受到洛倫茲力，速度的大小不變但方向改變，而且在每一點，速度方向改變的趨勢都一致。磁場將會受到反作用力，該反作用力通過磁場盤傳遞到發(fā)動機軸。流經(jīng)磁場盤后，燃氣的能量降低（速度不變，壓力和溫度降低）。這時磁場盤相當于沖擊式渦輪。如圖5和圖6。

磁場盤的級數(shù)可視情況而定。當燃氣的溫度降低到常規(guī)渦輪葉片可以承受的溫度后，通過放電網(wǎng)將正負離子重新?lián)交欤环矫娈a(chǎn)生持續(xù)的電流，作為電源使用；另一方面燃氣變?yōu)槌Ｒ?guī)的中性燃氣，從而可以用普通渦輪提取燃氣中的動能。用渦輪提取燃氣動能的原理與普通發(fā)動機無異，不再贅述。

4 優(yōu)點和難點

優(yōu)點：渦輪前溫度得到解放，發(fā)動機性能得到極大提高。

難點：燃氣的電離、磁場的建立和調(diào)節(jié)、抗電磁干擾能力。

5 結(jié)語

目前，該方案所涉及到的等離子體的產(chǎn)生、電磁場的產(chǎn)生和精確調(diào)控、相互間的電池干擾、等離子體對金屬的腐蝕等諸多技術(shù)問題，仍需一一攻克。但相信隨著技術(shù)的進步，該方案不失為未來的一個選擇。

參考文獻

[1]國家自然科學基金委員會.等離子體物理學[M].科學出版社，1994.

[2]郭鐵梁.等離子體及磁流體發(fā)電技術(shù)[J].煤礦機械，2004（05）.

[3]孔慶毅，李淑英，李曉明.淺析磁流體發(fā)電技術(shù)[J].東北電力技術(shù)，2009（09）.

[4]楊愛勇，王心亮.磁流體發(fā)電技術(shù)的回顧與展望[J].煤氣與熱力，2003（01）.