[發明專利]一種等離子體背場增強軌道

在審

• 申請號: 201410028250.6
• 申請日: 2014-01-21
• 公開（公告）號: CN103731967A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發明（設計）人: 王厚生;陳順中;李獻;李蘭凱;龐占忠;戴銀明;王秋良
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: H05H1/10
• 分類號: H05H1/10
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明涉及一種等離子體電磁軌道裝置。

背景技術

等離子軌道直線推進是利用強脈沖電流（幾十kA甚至幾MA級）形成磁場與電流相互的洛倫茲力，將兩條導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生器產生，也可以通過其他方式預先注入到發射腔內，然后脈沖電源通過軌道與等離子構成的回路開始放電，將等離子加速前進。等離子加速具有超高出口速度的特點，理論上能夠把被推進物體加速到20-30km/s，兩團小顆粒對撞，實現可控的核聚變反應。

傳統的等離子體推進裝置有兩條互相平行的金屬主軌道，由專門的等離子體發生或者注入裝置在兩根主軌道之間的一端產生或者注入一團等離子體，同時這一端也是電源接線端，電源對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強度，由回路中的電流產生，I為運行電流，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，其中的運行電流產生的磁場與主軌道產生的磁場疊加，提高了磁感應強度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，考慮到等離子體在與前進方向相垂直的其他方向上受力平衡,一般是相對主軌道對稱地成對添加背場軌道。等離子軌道推進裝置具有結構與控制簡單，容易加工制造，出口速度高等優點，目前國際上最高能做到7km/s以上。

傳統的等離子體推進裝置中，由于等離子體自身的高溫高壓狀態具有膨脹擴散特性，以及在前進過程中受稀薄氣體的沖擊，等離子體會出現發散現象，在前進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，造成出口速度和發射效率下降。

目前國內相關等離子體推射的裝置均為單獨主軌道模式，如圖1所示。王瑩，肖峰在《電炮原理》（國防工業出版社，pp339，pp58-63）中概念性地提到等離子體推進裝置中添加背場增強軌道模式，背場軌道平行于主軌道上下設置，背場軌道產生的磁場在等離子體前進的方向上不具備梯度，那么背景磁場對等離子體只能提供推力，等離子體本身前進過程中會膨脹擴散，最終導致推力和整體效率下降。圖2所示為傳統背場增強軌道與主軌道相互位置關系。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的等離子前進過程中膨脹擴散的缺點，提出一種新的等離子背場增強軌道。本發明在等離子體前進方向上除了形成背場基礎磁場，還存在背場磁場的梯度分布，這樣，等離子體在前進過程中除了受到推進力之外，還會在前進方向上被壓縮，不會發散，分裂，而是密度越來越高，推力集中，等離子體推進的出口速度，即軌道末端速度，以及等離子體推進效率都大大提高。

本發明的具體結構如下：

傳統的等離子體推進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，傳統的背場軌道為與主軌道平行上下對稱布置的平行金屬軌道。本發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，第一是產生與主軌道磁場疊加的增強助推磁場，第二是在等離子體的前進方向上，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方向,等離子體的受力密度和加速度遞減,背場增強軌道都能夠在等離子體的前進方向上形成磁場梯度，梯度外軌的對等離子體在推進方向上產生壓縮，抵消其高溫高壓膨脹狀態下的發散作用。

本發明等離子背場增強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稱地成對布置于主軌道上下兩側的單邊梯度外軌組成。為了產生梯度磁場，梯度外軌有如下幾種結構模式：

1、漸開型：梯度外軌與主軌道不平行，在等離子前進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；

2、漸開型的變形：與漸開型相同，沿等離子前進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；

3、收縮型：每條單邊梯度外軌的兩根金屬軌道間不平行，在等離子體前進方向上越收越窄；