CN1126868C - 磁流体加速器和使用磁流体加速器的磁流体喷气发动机 - Google Patents

Abstract

一种磁流体加速器和一种磁流体喷气发动机，其中该磁流体加速器包括至少一个磁体，至少两个电极板和一个使所述至少两个电极板之间的气体电离的气体电离器，在所述至少两个电极板之间连接一个直流电源。该磁流体喷气发动机包括一个冲压喷气发动机，位于所述冲压喷气发动机的进气道中的第一磁流体加速器和位于所述冲压喷气发动机的尾喷管中的第二磁流体加速器。第一和第二磁流体加速器可根据需要运行在加速器模式和发电机模式。

Description

磁流体加速器和使用磁流体 加速器的磁流体喷气发动机

技术领域

本发明涉及磁流体推进技术，具体地说，本发明涉及一种磁流体加速器和使用该磁流体加速器的磁流体喷气发动机。

背景技术

现今，大气层内飞行器的推进系统(包括螺旋桨、涡喷、涡扇等)、地面或水面交通工具的发动机、空气压缩机和各种发电机组(也包括桨叶式风力发电机组)的工作部件，不是用桨叶或涡轮、风扇(包括离心式)就是用活塞。这些工作部件旋转或往复运动时既产生了有用功，也损耗了旋转流体部分的无用功(对飞行器的推进系统等而言)，以及旋转或往复运动时各部件产生摩擦、振动和噪音等无用功。再者，受目前制造技术的限制，减速器(除喷气发动机外)等传动部件的效率都无法有较大的提高。

发明内容

本发明的目的就是提供一种磁流体加速器，其可以增大通过该磁流体加速器的气体的速度。

本发明的另一个目的是提供一种磁流体喷气发动机，其运行效率能大大提高。

为此，本发明提供一种磁流体加速器，包括用于产生磁场的至少一个磁体、至少两个电极板和一个使所述至少两个电极板之间的气体电离的气体电离器，所述至少两个电极板所产生的电场与至少一个磁体所产生的磁场的方向垂直，在所述至少两个电极板之间连接一个直流电源。

根据本发明的磁流体加速器还包括一个负载和一个切换开关，通过所述切换开关的切换操作可以实现将所述直流电源或所述用于做功的负载连接在所述至少两个电极板之间，从而该磁流体加速器能够运行在加速器模式和发电机模式。

本发明还提供一种磁流体喷气发动机，包括一个冲压喷气发动机，所述磁流体喷气发动机还包括位于所述冲压喷气发动机的进气道中的第一磁流体加速器和位于所述冲压喷气发动机的尾喷管中的第二磁流体加速器，所述第一磁流体加速器包括用于产生磁场的至少一个磁体、至少两个电极板和一个使所述至少两个电极板之间的气体电离的气体电离器，所述至少两个电极板所产生的电场与至少一个磁体所产生的磁场的方向垂直，在所述至少两个电极板之间连接一个直流电源，所述第一磁流体加速器的设置使得所述冲压喷气发动机的进气道中的气流的行进方向与所述磁流体加速器中的磁场方向和电场方向均垂直，并且与磁场中的带电粒子所受到的洛伦兹力的方向相同，所述第二磁流体加速器包括用于产生磁场的至少一个磁体、用于积聚电荷从而产生电压的至少两个电极板，所述至少两个电极板之间的垂直连线与所述至少一个磁体所产生的磁场之间的角度不等于零度，在所述至少两个电极板之间连接至少一个用于做功的负载，所述第二磁流体加速器的设置使得所述冲压喷气发动机的尾喷管中的气流的行进方向与所述磁流体加速器中的磁场方向和所述至少两个电极板之间的垂直连线均垂直。

根据本发明的磁流体喷气发动机，所述第一磁流体加速器还包括一个负载和一个切换开关，通过所述切换开关的切换操作可以实现将所述直流电源或所述负载连接在所述至少两个电极板之间，从而该第一磁流体加速器能够运行在加速器模式和发电机模式。

所述第二磁流体加速器还包括一个直流电源和一个切换开关，通过所述切换开关的切换操作可以实现将所述直流电源或所述负载连接在所述至少两个电极板之间，从而使该第二磁流体加速器能够运行在发电机模式或加速器模式。

根据本发明的磁流体喷气发动机的实施例，所述冲压喷气发动机为亚燃冲压喷气发动机。

根据本发明的磁流体喷气发动机的实施例，所述冲压喷气发动机为超燃冲压喷气发动机。

由于以发电机模式运行的磁流体加速器可将由空气流动成风的速度或动能转换为电能，供给负载做功，因此，它可成为风力发电机。

由于磁流体喷气发动机以及由其发展而来的磁流体发电机组(磁流体发电机组与磁流体喷气发动机的结构基本相同，既磁流体喷气发动机本身装有以发电机模式工作的第二磁流体加速器)的磁流体加速器是直接利用洛伦兹力作用，而无需各种旋转或往复运动部件产生的旋转气流(对轮机等而言)和机械摩擦，所以，其与现今的各种热机和发电机组相比功效比高。

由于磁流体喷气发动机以及由其发展而来的磁流体发电机组没有增加旋转或往复运动部件引起的机械振动和摩擦，并且磁流体喷气发动机能有效控制喷气流的速度，使喷气流与空气的冲击减至最小(这是喷气式飞行器的主要噪音源)，所以，其噪音非常小，这对于各种水、地面工作平台，尤其是潜水艇极为重要(指使用磁流体发电机组)。

由于磁流体喷气发动机以及由其发展而来的磁流体发电机组整个燃烧区内部都有强磁场(指磁流体加速器的辐射磁场)，而物质在磁场中燃烧时，燃烧气体产生得快、火焰旺、发光较明亮、燃烧更充分，燃烧效率的提高几乎与磁场强度成正比。所以，其燃烧效率比现今没有磁场的热机高。

由于磁流体喷气发动机的磁流体加速器是直接利用洛伦兹力作用，而洛伦兹力的大小与通入等离子体电流密度，磁感应强度以及它们之间的夹角的正弦成正比(该处均指以加速器形式工作时)。因此，只要控制它们的大小与方向就能控制磁流体喷气发动机空气的速度与喷气流的速度和方向，且由于电流的大小与方向对控制的响应几乎没有时滞，所以，其可以做到瞬时起动、瞬时停机、瞬时转向，操纵极方便(这对于战斗机尤为重要)。

由于磁流体喷气发动机的磁流体加速器和冲压喷气发动机均具有增加空气流的总能量的功能，因此，即使磁流体加速器或冲压喷气发动机发生故障，磁流体喷气发动机也不会完全丧失提供推力的能力，所以，其安全性好、可靠性高。

由于磁流体喷气发动机的喷气流的速度可以控制，所以，其与现今各种喷气发动机相比，推进效率高。

附图说明

以下将结合附图详细介绍本发明的实施例。

图1是根据本发明的磁流体加速器的一个优选实施例的示意图；

图2是根据本发明的磁流体喷气发动机的一个优选实施例的示意图；

图3是设置于根据本发明的磁流体喷气发动机的尾喷管中的磁流体加速器的一个优选实施例的示意图。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的磁流体加速器20主要包括用于产生磁场的磁体21a和21b(N极和S极，为清楚起见，图中示出两个磁体)，两个电极板22a和22b和用于电离空气流的气体电离器40(用于产生高温、高电压或释放某种电离剂使在通常情况下不导电的气体电离，即等离子化的一种装置)，其中两个电极板22a和22b所产生的电场的方向与磁体21a和21b所产生的磁场的方向垂直，在两个电极板22a和22b之间通过一个切换开关K1可以连接一个直流电源(如蓄电池组)B1或者一个负载R1。通过一个气体电离器向磁场中的气体中释放某些电离剂，使全部或部分气体等离子化。

当切换开关K1切换到直流电源B1一侧时，在两个电极板22a和22b之间形成一个电场。这样，使处于磁场中的等离子化后的气体加速向纸面外运动，通过两个电极板22a和22b以及直流电源B1形成回路。

设磁场的磁感应强度为B，电场的电流密度为I，则根据“弗莱明左手法则”原理，气体中的磁场与气体中的电流之间相互作用而产生洛伦兹力(即电磁力)F。并且，电极板之间等离子体的通过量L越大，该洛伦兹力越大。洛伦兹力的大小，可表示为F＝IBLsinα。其中，α为磁场与电场之间的夹角，当α＝90°时，气体中的电场与磁场相互垂直，洛伦兹力F值最大(该式中，不考虑气体电离器所产生的影响)。洛伦兹力的方向可用“左手法则”判定：伸开左手，使大拇指与其余四个手指垂直，且在一个平面内，让磁力线垂直进入手心、并使四指指向电流方向，拇指所指的方向就是洛托兹力的方向。参见图1，假如磁场中的磁力线的方向为从磁体21a至21b，由于电场中的电流方向为从电极板22a至22b，则根据“左手法则”，洛伦兹力的方向为垂直于纸面向外。如果电离后的气体流穿过电场和磁场的方向为垂直于纸面向外，则该洛伦兹力作用于等离子体，使气体的穿行速度增大，从而该磁流体加速器以加速器模式工作。

当切换开关K1切换到负载R1一侧时，气体中的等离子体中带正电和带负电的运动着的微粒在磁场中会受洛伦兹力的作用而降低速度或动能，这时，电极板(金属板)上就会集聚电荷、产生电压，从而通过两块电极板22a和22b和负载R1组成的回路形成电流，使负载R1做功。这样，该磁流体加速器就具有了发电机的功能。换句话说，当切换开关K1切换到负载R1一侧时，该磁流体加速器可作为发电机运行。

当然，磁体的个数和布局可以根据需要进行调整，只要能够在气体中产生所需要的磁场即可。例如也可以采用一个带有N极和S极的磁体，只要该磁体能够产生所需要的磁感应强度的磁场即可。同理，磁体的个数也可以为3或者更多。该磁流体加速器中的磁场和电场之间的角度可根据实际需要而定，优选为90度，但是该角度不能为零，否则就不能产生所需要的洛伦兹力。此外，电离后的气体流的行进方向与磁场和电场的方向之间的角度优选为90度，但只要所产生的洛伦兹力的方向与气体流的行进方向之间的角度为锐角也可以产生能对气体流加速的洛伦兹力。

图2示意性示出了根据本发明的磁流体喷气发动机的结构。如图2所示，根据本发明的磁流体喷气发动机主要包括冲压喷气发动机10、位于冲压喷气发动机10的进气道14中的磁流体加速器20和位于冲压喷气发动机10的尾喷管15中的磁流体加速器30，和用于固定和连接各部件的固定件等。所述磁流体加速器20的设置使得所述冲压喷气发动机10的进气道14中的气流的行进方向与所述磁流体加速器20中的磁场方向和电场方向均垂直，并且与磁场中的电离后的微粒所受到的洛伦兹力的方向相同。磁流体加速器30也与磁流体加速器20相似的方式设置于尾喷管15中。

冲压喷气发动机10主要由起降低空气流速度或动能、增加压力能作用的扩散形涵道，起维持燃烧和保护其外部设备免受燃烧所造成的伤害作用的燃烧室，将燃料喷入燃烧室的燃料喷嘴和将混合燃气(空气与燃料的混合体)点燃的点火器组成。另外，还有一些附件，如抽取燃料的燃料泵和控制燃料流量大小的燃料门阀，以及固定和连接各部件的固定件等。

设置于冲压喷气发动机10的进气道14中的磁流体加速器20的结构已经参照图1进行了介绍。设置于冲压喷气发动机10的尾喷管中的磁流体加速器30的结构与磁流体加速器20的结构相似，如图3所示，磁流体加速器30主要包括用于产生磁场的磁体31a(N极)和31b(S极)，两个电极板32a和32b，其中两个电极板32a和32b之间的垂直连线与所述至少一个磁体31a和31b所产生的磁场之间的角度不等于零度，在两个电极板32a和32b之间通过一个切换开关K2可以连接一个直流电源B2或者一个负载R2。所述第二磁流体加速器30的设置使得所述冲压喷气发动机10的尾喷管15中的气流的行进方向与所述第二磁流体加速器中的磁场方向和所述至少两个电极板之间的垂直连线均垂直。其中所述冲压喷气发动机进入其尾喷管的燃气流的至少一部分是等离子体，即该冲压喷气发动机可视为气体电离器。

下面介绍磁流体喷气发动机的工作过程，其中该磁流体喷气发动机安装在一个飞行器上。

在飞行器行进过程中，当空气流未达到冲压喷气发动机(最佳)工作进气速度时，启动磁流体加速器20，并将其切换到加速器模式。空气流从进气道14进入磁流体加速器20的磁场中。由于其气体电离器40已经将磁场中的气体等离子化，所以在直流电源B的作用下，等离子空气流与磁场之间相互作用而产生洛伦兹力，洛伦兹力的方向与空气流的行进方向相同，促使空气流的喷射速度提高，逐渐达到冲压喷气发动机所需的工作进气流速度。而此时位于冲压喷气发动机10的尾喷管中的磁流体加速器30以发电机模式运行，其产生的电能通过适当的输电线路供给以加速器模式运行的磁流体加速器20，以代替磁流体加速器20中的直流电源B1。

当空气流的喷射速度等于冲压喷气发动机的(最佳)工作进气速度时，磁流体加速器20和30基本不参与冲压喷气发动机的工作，而仅靠空气流的喷射速度来维持冲压喷气发动机的工作，并由该发动机产生推力，推动磁流体喷气发动机所驱动的飞行器飞行。

当空气流的喷射速度超过冲压喷气发动机的(最佳)工作进气速度时，进气道上的磁流体加速器20切换为以发电机模式工作。首先，由气体电离器40将从进气道口进入磁流体加速器的高速空气流等离子化后，在磁场中受洛伦兹力作用而在两个电极板上集聚电荷、产生电流(此电流可以用来供给磁流体加速器的气体电离器，用于电离空气等，同时，也用于维持前后磁场和其它电器用电)；并根据“能量守恒定律”可知，高速空气流由于发电而做功，消耗了其功能或降低了其速度。而且，通过控制磁流体加速器20的发电量的大小能够控制空气流的喷射速度的降低量，使其达到冲压喷气发动机所需的(最佳)进气速度。磁流体加速器20所产生的电能也可以传输给以加速器模式运行的磁流体加速器30，以供磁流体加速器30使用，并使尾喷管中的气体的喷射速度提高，以维持飞行器高速行进。

当然，如果空气流速始终未达到或超过该磁流体喷气发动机的进气流速度，也可以使其进气道14中的磁流体加速器20仅以加速器模式运行，而在其尾喷管15中的磁流体加速器30仅以发电机模式运行，而不需要它们进行模式切换。

当磁流体加速器作为发电机运行时，应尽量提高等离子空气流和等离子燃气流的导电性(如添加碱性电离添加剂)，以提高发电效率。

飞行器的飞行速度越低，所需磁流体喷气发动机的气流喷射速度越低(以达到较高的推进效率)，磁流体加速器发电量就越大；而磁流体加速器要维持冲压喷气发动机的工作进气速度，所需用电量就越大(低于冲压喷气发动机的工作进气速度时)。飞行器的飞行速度越高，所需的磁流体喷气发动机的气体喷射速度越高(以达到较高的推进效率)，磁流体加速器(以发电机模式工作)要维持冲压喷气发动机工作进气速度，就必须把较高的进气速度(超过冲压喷气发动机的工作进气速度)调整到到所需的进气速度，这样，它的发电量的大小就会与飞行器飞行速度的高低成正比；而磁流体加速器30(以加速器形式工作)要加速燃气流喷射速度，以保持或提高飞行器的飞行速度，这样，它的用电量的大小也会与飞行器飞行速度的高低成正比。由此，就可知通过适当调节磁流体加速器20和磁流体加速器30的运行模式，可以维持磁流体喷气发动机的最佳工作状态。

在本发明的磁流体加速器中，磁体优选采用磁感应强度高、性能稳定、对温度适应性强、重量轻的磁体，超导磁体为优选磁体。电极板最好由电化学反应弱或没有，电阻小，强度高和耐高温、耐腐蚀的材料制成。气体电离器可以采用高电压气体电离器、高温气体电离器、紫外线气体电离器、激光气体电离器和射线气体电离器(X射线和放射性射线)等，还有以上两种或两种以上工作机理不同的气体电离器组成的复合气体电离器。其中，优选紫外线气体电离器和激光气体电离器，因为它们结构简单、能量密度大，无有害射线、不产生或产生有害气体少、对电极板腐蚀小。

磁流体喷气发动机适用于做任何大气层内超音速飞行器的推进器，包括磁流体超燃喷气发动机(即冲压喷气发动机为超燃冲压喷气发动机)和磁流体亚燃喷气发动机(即冲压喷气发动机为亚燃冲压喷气发动机)以及亚磁流体喷气发动机(包括亚磁流体超燃喷气发动机和亚磁流体亚燃喷气发动机)(指空气流速未超过冲压喷气发动机的进气速度的磁流体喷气发动机)。

磁流体加速器可以加大气流速度或动能，因此，它可独立做为大气层内飞行器的推进器，也可以做为光体(空气)压缩机，代替现有各种气体压缩机，但它需要外部电源。

可以将磁流体加速器安装在火箭发动机尾喷管上，以加速燃气流的喷射速度，加大火箭和/或各种太空飞行器的飞行速度(理论上喷气流可被加速到光速)。

由磁流体喷气发动机发展而来的磁流体发电机组可并入电网发电，也可以为地面、水面、水下或空中交通工具、运输平台产生驱动它们行驶、航行或飞行的电动推进(驱动)器所需的电能。

Claims (6)

1.一种磁流体加速器，其特征在于，包括用于产生磁场的至少一个磁体(21a，21b)、至少两个电极板(22a，22b)和一个使所述至少两个电极板(22a，22b)之间的气体电离的气体电离器，所述至少两个电极板(22a，22b)所产生的电场与至少一个磁体(21a，21b)所产生的磁场的方向垂直，在所述至少两个电极板(22a，22b)之间连接一个直流电源(B)。

2.一种磁流体喷气发动机，包括一个冲压喷气发动机(10)，其特征在于，所述磁流体喷气发动机还包括位于所述冲压喷气发动机(10)的进气道中的第一磁流体加速器(20)和位于所述冲压喷气发动机(10)的尾喷管(15)中的第二磁流体加速器(30)，所述第一磁流体加速器(20)包括用于产生磁场的至少一个磁体(21a，21b)、至少两个电极板(22a，22b)和一个使所述至少两个电极板(22a，22b)之间的气体电离的气体电离器，所述至少两个电极板(22a，22b)所产生的电场与至少一个磁体(21a，21b)所产生的磁场的方向垂直，在所述至少两个电极板(22a，22b)之间连接一个直流电源(B1)，所述第一磁流体加速器(20)的设置使得所述冲压喷气发动机(10)的进气道中的气流的行进方向与所述磁流体加速器(20)中的磁场方向和电场方向均垂直，并且与磁场中的带电粒子所受到的洛伦兹力的方向相同，所述第二磁流体加速器(30)包括用于产生磁场的至少一个磁体(31a，31b)、用于积聚电荷从而产生电压的至少两个电极板(32a，32b)，所述至少两个电极板(32a，32b)之间的垂直连线与所述至少一个磁体(31a，31b)所产生的磁场之间的角度不等于零度，在所述至少两个电极板(32a，32b)之间连接至少一个用于做功的负载(R2)，所述第二磁流体加速器(30)的设置使得所述冲压喷气发动机(10)的尾喷管(15)中的气流的行进方向与所述磁流体加速器中的磁场方向和所述至少两个电极板之间的垂直连线均垂直。

3.根据权利要求2所述的磁流体喷气发动机，其特征在于，所述第一磁流体加速器(20)还包括一个负载(R1)和一个切换开关(K1)，通过所述切换开关(K1)的切换操作可以实现将所述直流电源(B1)或所述负载(R1)连接在所述至少两个电极板(22a，22b)之间。

4.根据权利要求2或3所述的磁流体喷气发动机，其特征在于，所述第二磁流体加速器(30)还包括一个直流电源(B2)和一个切换开关(K2)，通过所述切换开关(K2)的切换操作可以实现将所述直流电源(B2)或所述负载(R2)连接在所述至少两个电极板(32a，32b)之间。

5.根据权利要求2所述的磁流体喷气发动机，其特征在于，所述冲压喷气发动机(10)为亚燃冲压喷气发动机。

6.根据权利要求2所述的磁流体喷气发动机，其特征在于，所述冲压喷气发动机(10)为超燃冲压喷气发动机。