[发明专利]一种等离子体背场增强轨道

说明书

技术领域

本发明涉及一种等离子体电磁轨道装置。

背景技术

等离子轨道直线推进是利用强脉冲电流（几十kA甚至几MA级）形成磁场与电流相互的洛伦兹力，将两条导电轨道间的等离子体加速并推射出去的装置，等离子体可以由本地等离子体发生器产生，也可以通过其他方式预先注入到发射腔内，然后脉冲电源通过轨道与等离子构成的回路开始放电，将等离子加速前进。等离子加速具有超高出口速度的特点，理论上能够把被推进物体加速到20-30km/s，两团小颗粒对撞，实现可控的核聚变反应。

传统的等离子体推进装置有两条互相平行的金属主轨道，由专门的等离子体发生或者注入装置在两根主轨道之间的一端产生或者注入一团等离子体，同时这一端也是电源接线端，电源对两条主轨道高压放电，等离子体与两条主轨道形成放电回路，等离子体受到安培力或者洛伦兹力被推射出去，安培力的大小F=BIL，这里B为主轨道间的磁感应强度，由回路中的电流产生，I为运行电流，L为等离子体的等效宽度。为了提高等离子体受到的加速力F，可以在主轨道上下两侧增加背景磁场轨道（简称背场轨道），背场轨道与等离子体不接触，自身回路闭合，其中的运行电流产生的磁场与主轨道产生的磁场叠加，提高了磁感应强度B，在I和L不变的情况下，提高了等离子体受到的加速力F。这里背景磁场简称背场，添加背场轨道的方式简称背场增强，考虑到等离子体在与前进方向相垂直的其他方向上受力平衡,一般是相对主轨道对称地成对添加背场轨道。等离子轨道推进装置具有结构与控制简单，容易加工制造，出口速度高等优点，目前国际上最高能做到7km/s以上。

传统的等离子体推进装置中，由于等离子体自身的高温高压状态具有膨胀扩散特性，以及在前进过程中受稀薄气体的冲击，等离子体会出现发散现象，在前进方向上分布越拉越长，整体推力下降，甚至在主等离子体后面分裂成二次等离子体，彻底分流，造成出口速度和发射效率下降。

目前国内相关等离子体推射的装置均为单独主轨道模式，如图1所示。王莹，肖峰在《电炮原理》（国防工业出版社，pp339，pp58-63）中概念性地提到等离子体推进装置中添加背场增强轨道模式，背场轨道平行于主轨道上下设置，背场轨道产生的磁场在等离子体前进的方向上不具备梯度，那么背景磁场对等离子体只能提供推力，等离子体本身前进过程中会膨胀扩散，最终导致推力和整体效率下降。图2所示为传统背场增强轨道与主轨道相互位置关系。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的等离子前进过程中膨胀扩散的缺点，提出一种新的等离子背场增强轨道。本发明在等离子体前进方向上除了形成背场基础磁场，还存在背场磁场的梯度分布，这样，等离子体在前进过程中除了受到推进力之外，还会在前进方向上被压缩，不会发散，分裂，而是密度越来越高，推力集中，等离子体推进的出口速度，即轨道末端速度，以及等离子体推进效率都大大提高。

本发明的具体结构如下：

传统的等离子体推进轨道一般为水平布置的两根金属主轨道，或者在主轨道外与之平行地添加背场轨道，传统的背场轨道为与主轨道平行上下对称布置的平行金属轨道。本发明提出了几种不同的背场轨道模式，在主轨道之外，附加有梯度外轨。所述的梯度外轨有渐开型梯度轨道、收缩型梯度外轨或者多层递减型梯度轨道等形式。梯度外轨有两重功效，第一是产生与主轨道磁场叠加的增强助推磁场，第二是在等离子体的前进方向上，等离子体的受力密度从前向后梯度增加，也就是等离子体的加速度从前向后梯度增加，亦即沿等离子体的前进方向,等离子体的受力密度和加速度递减,背场增强轨道都能够在等离子体的前进方向上形成磁场梯度，梯度外轨的对等离子体在推进方向上产生压缩，抵消其高温高压膨胀状态下的发散作用。

本发明等离子背场增强轨道包括主轨道和梯度外轨。所述的主轨道为水平布置的两根平行的金属轨道。所述的梯度外轨由对称地成对布置于主轨道上下两侧的单边梯度外轨组成。为了产生梯度磁场，梯度外轨有如下几种结构模式：

1、渐开型：梯度外轨与主轨道不平行，在等离子前进方向上梯度外轨与主轨道之间的距离越来越大，距离的变化量为线性，即每条单边梯度外轨是直线；

2、渐开型的变形：与渐开型相同，沿等离子前进方向梯度外轨与主轨道间距离越来越大，但距离变化量非线性，即每条单边梯度外轨是向外弯曲的；

3、收缩型：每条单边梯度外轨的两根金属轨道间不平行，在等离子体前进方向上越收越窄；