姜軍勝

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前進(jìn)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(chǎng)和磁場(chǎng)取代渦輪導(dǎo)向葉片、磁場(chǎng)取代渦輪工作葉片、通過(guò)洛倫茲力的反作用力來(lái)提取功率，從而跨越渦輪葉片對(duì)渦輪進(jìn)口溫度的限制。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；等離子體；電場(chǎng)；磁場(chǎng)

中圖分類號(hào)：V439 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）05-0055-02

1 方案背景

1.1 燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的問(wèn)題

燃?xì)鉁u輪是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)三大核心部件之首，其性能很大程度上決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。而渦輪進(jìn)口溫度對(duì)渦輪做功能力和效率有直接影響，所以各國(guó)不遺余力地致力于提高渦輪進(jìn)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(jìn)步，提高渦輪進(jìn)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(jiǎn)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(dāng)原子被加熱到足夠高的溫度或受其它作用時(shí)，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(dǎo)電體，經(jīng)過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，可以被磁場(chǎng)捕捉、移動(dòng)和加速[1]。

1.2.2 等離子體的應(yīng)用

等離子電視、磁流體發(fā)電機(jī)是等離子體應(yīng)用實(shí)例。在航天領(lǐng)域，已經(jīng)進(jìn)入到實(shí)用階段的的離子發(fā)動(dòng)機(jī)（日本的“隼鳥(niǎo)”、歐洲的“智能1號(hào)”、美國(guó)的“黎明號(hào)”）是以人工制造的等離子體作為工作介質(zhì)，通過(guò)精準(zhǔn)控制的磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)來(lái)獲得推力。隨著科技的進(jìn)步，將來(lái)對(duì)人工制造等離子體及對(duì)其應(yīng)用上將取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。

1.2.3 磁流體發(fā)電機(jī)

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(jī)，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

磁流體發(fā)電技術(shù)是利用等離子體高速流過(guò)磁場(chǎng)，正負(fù)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(guó)早在60年代初就開(kāi)始研究，并列入“863”計(jì)劃，在北京、上海、南京建立了試驗(yàn)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(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

等離子體工質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)的基本機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖2）與目前發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3）類似，在燃燒室中增加兩個(gè)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)和電子收集板，第一個(gè)電場(chǎng)用以使燃?xì)怆婋x，電子收集板用以收集電離后的電子，第二個(gè)電場(chǎng)用以調(diào)節(jié)帶正電的離子的方向回歸軸線方向；在導(dǎo)向葉片位置，可設(shè)置一個(gè)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，用以調(diào)節(jié)燃?xì)庖院线m的方向進(jìn)入到下一環(huán)節(jié)——“燃?xì)鉁u輪”；“燃?xì)鉁u輪”是一個(gè)用磁場(chǎng)代替渦輪葉片從燃?xì)庵刑崛」β实慕Y(jié)構(gòu)；在“燃?xì)鉁u輪”之后有一個(gè)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?xì)猓沟每梢岳^續(xù)用渦輪提從中提取功率。

3 工作原理

氣體進(jìn)入燃燒室之前，工作原理與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)異，即氣流經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)壓縮壓力增大，以合適的壓力和速度進(jìn)入燃燒室燃燒產(chǎn)生燃?xì)?。在燃?xì)膺_(dá)到燃?xì)鉁u輪之前被電場(chǎng)電離，變成電子和正離子。電子和正離子都受到電場(chǎng)力的作用，電子所受力與電場(chǎng)方向相反，而正離子所受力與電場(chǎng)線方向相同。由于電子的質(zhì)量相對(duì)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(yùn)動(dòng)軌跡可以在正離子運(yùn)動(dòng)軌跡偏轉(zhuǎn)很少的情況發(fā)生很大的偏轉(zhuǎn)。收集板（相當(dāng)于磁流體發(fā)電機(jī)的一極）用于收集偏轉(zhuǎn)的電子。正離子將通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)所形成的“導(dǎo)向葉片”，將燃?xì)夥较蛘{(diào)整至需要的方向，之后流經(jīng)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)軸上的磁場(chǎng)盤（如圖4所示）。在磁場(chǎng)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(diǎn)，速度方向改變的趨勢(shì)都一致。磁場(chǎng)將會(huì)受到反作用力，該反作用力通過(guò)磁場(chǎng)盤傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)軸。流經(jīng)磁場(chǎng)盤后，燃?xì)獾哪芰拷档停ㄋ俣炔蛔?，壓力和溫度降低）。這時(shí)磁場(chǎng)盤相當(dāng)于沖擊式渦輪。如圖5和圖6。

磁場(chǎng)盤的級(jí)數(shù)可視情況而定。當(dāng)燃?xì)獾臏囟冉档偷匠Ｒ?guī)渦輪葉片可以承受的溫度后，通過(guò)放電網(wǎng)將正負(fù)離子重新?lián)交?，一方面產(chǎn)生持續(xù)的電流，作為電源使用；另一方面燃?xì)庾優(yōu)槌Ｒ?guī)的中性燃?xì)?，從而可以用普通渦輪提取燃?xì)庵械膭?dòng)能。用渦輪提取燃?xì)鈩?dòng)能的原理與普通發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)異，不再贅述。

4 優(yōu)點(diǎn)和難點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：渦輪前溫度得到解放，發(fā)動(dòng)機(jī)性能得到極大提高。

難點(diǎn)：燃?xì)獾碾婋x、磁場(chǎng)的建立和調(diào)節(jié)、抗電磁干擾能力。

5 結(jié)語(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)

[1]國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì).等離子體物理學(xué)[M].科學(xué)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(jī)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(ài)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）.