等离子体工质发动机

姜军胜

摘 要：航空发动机的涡轮前进口温度在不断的提高，但终将受制于材料而遭遇天花板。该方案论述一种以等离子体为工作介质、电场和磁场取代渦轮导向叶片、磁场取代涡轮工作叶片、通过洛伦兹力的反作用力来提取功率，从而跨越涡轮叶片对涡轮进口温度的限制。

关键词：航空发动机；等离子体；电场；磁场

中图分类号：V439 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）05-0055-02

1 方案背景

1.1 燃气涡轮发动机面临的问题

燃气涡轮是燃气涡轮发动机三大核心部件之首，其性能很大程度上决定了发动机的整体性能。而涡轮进口温度对涡轮做功能力和效率有直接影响，所以各国不遗余力地致力于提高涡轮进口温度。但是，受到材料自身特性的影响，即使考虑到冷却技术的进步，提高涡轮进口温度也将遇到瓶颈。

1.2 人工等离子体技术的发展

1.2.1 等离子体简介

等离子体又叫电浆或超气态，即电离了的“气体”。等离子体广泛存在于宇宙中，是物质的主要存在形式。自然界中的火焰、闪电等都是等离子体。当原子被加热到足够高的温度或受其它作用时，电子摆脱原子核的束缚成为自由电子。等离子体即由原子核、电子组成，宏观上等离子体呈现电中性，是一种很好的导电体，经过巧妙的设计，可以被磁场捕捉、移动和加速[1]。

1.2.2 等离子体的应用

等离子电视、磁流体发电机是等离子体应用实例。在航天领域，已经进入到实用阶段的的离子发动机（日本的“隼鸟”、欧洲的“智能1号”、美国的“黎明号”）是以人工制造的等离子体作为工作介质，通过精准控制的磁场和电磁场来获得推力。随着科技的进步，将来对人工制造等离子体及对其应用上将取得长足的进步。

1.2.3 磁流体发电机

值得一提的是利用等离子体作为工作介质的磁流体发电机，其结构示意图见图1。

磁流体发电技术是利用等离子体高速流过磁场，正负离子受相反方向的洛伦兹力而分别聚集到两极，从而产生持续电流。我国早在60年代初就开始研究，并列入“863”计划，在北京、上海、南京建立了试验基地。磁流体发电中，利用高温燃烧的气体中添加1%的钾、铯等碱金属化合物（也叫种子）的方法，使得气体在3000K左右甚至2200K左右就能转化为满足要求的等离子体[2][3][4]。

2 等离子体工质发动机的基本结构

等离子体工质发动机的基本机构（见图2）与目前发动机结构（见图3）类似，在燃烧室中增加两个电场结构和电子收集板，第一个电场用以使燃气电离，电子收集板用以收集电离后的电子，第二个电场用以调节带正电的离子的方向回归轴线方向；在导向叶片位置，可设置一个磁场结构，用以调节燃气以合适的方向进入到下一环节——“燃气涡轮”；“燃气涡轮”是一个用磁场代替涡轮叶片从燃气中提取功率的结构；在“燃气涡轮”之后有一个放电网，电子收集板收集的电子在放电网与正离子重新结合形成常规燃气，使得可以继续用涡轮提从中提取功率。

3 工作原理

气体进入燃烧室之前，工作原理与常规发动机无异，即气流经过压气机压缩压力增大，以合适的压力和速度进入燃烧室燃烧产生燃气。在燃气达到燃气涡轮之前被电场电离，变成电子和正离子。电子和正离子都受到电场力的作用，电子所受力与电场方向相反，而正离子所受力与电场线方向相同。由于电子的质量相对于正离子的质量近乎可以忽略，所以电子获得的加速度比正离子所获得的加速度大得多，那么，电子的运动轨迹可以在正离子运动轨迹偏转很少的情况发生很大的偏转。收集板（相当于磁流体发电机的一极）用于收集偏转的电子。正离子将通过电场和磁场所形成的“导向叶片”，将燃气方向调整至需要的方向，之后流经安装在发动机轴上的磁场盘（如图4所示）。在磁场盘中，离子受到洛伦兹力，速度的大小不变但方向改变，而且在每一点，速度方向改变的趋势都一致。磁场将会受到反作用力，该反作用力通过磁场盘传递到发动机轴。流经磁场盘后，燃气的能量降低（速度不变，压力和温度降低）。这时磁场盘相当于冲击式涡轮。如图5和图6。

磁场盘的级数可视情况而定。当燃气的温度降低到常规涡轮叶片可以承受的温度后，通过放电网将正负离子重新掺混，一方面产生持续的电流，作为电源使用；另一方面燃气变为常规的中性燃气，从而可以用普通涡轮提取燃气中的动能。用涡轮提取燃气动能的原理与普通发动机无异，不再赘述。

4 优点和难点

优点：涡轮前温度得到解放，发动机性能得到极大提高。

难点：燃气的电离、磁场的建立和调节、抗电磁干扰能力。

5 结语

目前，该方案所涉及到的等离子体的产生、电磁场的产生和精确调控、相互间的电池干扰、等离子体对金属的腐蚀等诸多技术问题，仍需一一攻克。但相信随着技术的进步，该方案不失为未来的一个选择。

参考文献

[1]国家自然科学基金委员会.等离子体物理学[M].科学出版社，1994.

[2]郭铁梁.等离子体及磁流体发电技术[J].煤矿机械，2004（05）.

[3]孔庆毅，李淑英，李晓明.浅析磁流体发电技术[J].东北电力技术，2009（09）.

[4]杨爱勇，王心亮.磁流体发电技术的回顾与展望[J].煤气与热力，2003（01）.