二月十三日更新:火箭发动机电控 等离子体操纵力矩的想法(持续更新中)
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大家好:
      之前我们提出了这样一个想法,请见:https://www.kechuang.org/t/80879
      后来在探索过程中想要运用一种新的更简洁的方式来控制火箭姿态,我们接下来将“火箭快递”想法放了放,转而研究这种火箭发动机推力调节的技术。
      我们将之称为“燃气离子推力控制”的想法的主要内容如下。液体火箭发动机的燃烧室内的温度可达2500K以上,这时一部分燃气发生热电离,形成等离子体。我们在喷管处安装四个对称的电极,用其所形成的电场讲等离子体中的正负离子分开,再用在喷管周围的磁体产生的磁场对喷管中的分布不均匀的离子作用,利用洛伦兹力及其对磁体&喷管的反作用力可以达到推力的矢量调节甚至用来克服自旋。(只是粗略说一下,省去很多实际问题,比如金属喷管的磁屏蔽等)
      电极与磁体大致的位置如下(画图画的,体会精神)
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      下面说一下实际的调节方式:通过调节电极的电性与电压,调节侧向力的方向与大小。下面截取喷管的一个截面图来说明六种典型调节方式。
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其中蓝色表示此区域内离子所带电性(此时电极的电性当然就是与之相反),红色为磁感线(只考虑到主要部分),绿色为了简化分析,将喷口截面人为划分成四个区域,橘色为发动机受力情况。最后两张弧线表示发动机所受切向力旋转的顺/逆时针(图中力全都画反了,因为但是分析的是离子受力情况。)
       由此可见,在侧向力调解的过程中,只需控制电机一个变量即可。这样,与矢量喷口相比,本调节方式具有结构简单,易于操控的优点。方便在小型火箭上使用。
       以上完全是凭空臆想,那么问题来了:

一、想法的科学性
该方案纯属瞎扯,还是有一定道理但难以实现?

if(有一定道理)then

二、理论
1.一定温度下气体的电离度:网上相关文章不多,我们找到的论文采用的方法基本都是极其复杂,实用意义不大。我们提出了一种简化计算方案,想请教各路大神它的正确性,见下:
已知气体的电离能,仅利用玻尔兹曼能量分布律,用温度计算能量,进而求电离度。
2.电场分析:电极很小,无法利用无限大平行板间匀强电场模型计算,有没有简化的模型可以分析离子受力情况?与此类似,磁场也很难算。(麦克斯韦方程组太繁琐)
3.磁屏蔽:金属喷管如果是钢制,会不会对磁场产生屏蔽?如何解决?(我们打算用非磁性磁性金属,如铝,但我们对这方面知识了解的实在太少,没有把握提出正确方案)
三、实践
1.电极的安装,我们想用的理想化电极是耐高温特种陶瓷内部有一根金属棒,类似这样:
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实在不行棒状的也行,或者大神们还有何高见?
2.电极,磁体所安装的位置。在哪个地方安装可获得最大的侧向力。
四、计算仿真
我们应该用什么软件来进行粒子受力和发动机的仿真分析

对各位的帮助感激不尽。

副社长镇楼
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-----------------------------------二月七日更新分割线---------------------------------
感谢各位的大力帮助,在各位的建议与我今天一天的努力下,晚上更新一些内容。
一、论文初步大纲(只着重写了理论部分)
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第三章中每一节对我们(其实就我与副社长两人)来说都极具挑战,恳请大家在某一节或某几节中予以建议,感激不尽。
二、对于几个未描述清楚的想法的补充
1.陶瓷电极是用于绝缘
2.我们利用的电流不是外加的,而是由燃气产生的。事实上,我们加的电极是为了时等离子体中的正负离子分开,运用喷管截面这种不均匀电流来得到侧向力。大家可以仔细看下我昨天发的那个图。
3.我们准备用液体火箭发动机,即我们所利用的等离子体是由H20、CO2、未燃烧的燃料等产生的。
三、对大家建议的感谢、回复与求助
1.感谢拔刀斋和Ma3.02的守望建议的掺杂碱金属盐的建议,我们正在阅读相关资料
2.感谢拔刀斋和虎哥对于电极的建议,我在网上找到了这种东西
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是不是能避免热膨胀率不同的限制(这个陶瓷是可阀封装?@虎哥)
3.感谢HXKRRRR对于磁体位置及燃气温度的提议,我们正准备有软件分析
4.感谢其他网友的大力支持


------------------------------------2月13日,更新分割线------------------------------------

经过这几日的研究,又取得了一些新的进展,也出现了一些新的问题。

一、我们在充分考虑大家的建议和内部讨论分析后,决定不采用电场和磁场同时进行操控的方式,转而使用单一场进行操控,但究竟使用哪一种操控方法,还没有定论。两种方法各有利弊:电场控制方便,制造简单,附加电离效果(不加绝缘),但功耗太大;电磁铁的功耗只有焦耳热,相对于电场应该会小一些,但会影响发动机推力,也不方便控制,可能还会有居里点和磁屏蔽的问题。我们更偏爱电场控制的方法,也请大家各抒己见。

二、我们现在正在用Comsol multiphysics 5.2a进行建模仿真,但苦于没有使用经验,建模过程中遇到了很多困难,问题连连,错误频发。我们希望使用过该软件的老师给予我们一些指导,感激不尽。

三、我们进行了相关的实验,得到了许多预期的可喜的现象和实验数据。但在一次实验中,出现了我们不能解释的实验现象。实验现象如下:
我们用13000伏的直流电源干扰酒精灯火焰(酒精灯为自制,灯芯套管是铁制),下面是图片。
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还未偏转的酒精灯火焰,左侧是正极,右侧绑了一根电阻的是负极


273677
电极靠近火焰,正常的火焰偏转,可以明显观察到吹向负极的离子风


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当正极接触铁质灯芯套管,阴极靠近火焰时,发现火焰反向(向正极)偏转。我们没有办法解释这一反常的现象,求大神指教。



我们将持续更新我们的研究进展

[修改于 3 年前 - 2017-02-13 22:00:30]

来自 喷气推进
 
2017-2-6 19:05:10
1楼
不错的想法,期待计算和实验验证。
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落叶兄(作者)
2楼
谢虎哥!
由于脑洞过大,我们能参考的资料几乎没有,在研究的过程中遇到了许多技术困难。本帖主要是提出我们的问题,希望大神们多多指教。
假期只剩十几天,这段时间研究小组成员加紧设计工作,如果大家能较快解决我们的问题,可能在十天左右我们就能提出比较详尽的设计报告。
再次感谢各位!
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3楼
先用一个喷灯,用两个耐高温电极给他通上电,然后用磁场去偏转它。喷灯本身可以作为一个电极,另一个电极放在火焰中部。和楼主的设计略有不同,但是有可能观察到预期的现象。如果电流上不去,采用两个电极相对放置,都放在火焰中试试。具体计算参考显像管设计的有关理论。

补充:关于电极材料,楼主想复杂了。由于电极不需要耐高气压(耐压是燃烧室/扩张段之类解决的),它只需要耐热冲刷烧蚀,以及做好和喷管的热隔离(不然对于再生冷却喷管,会传热到喷管引起问题)。那么,钨针或者钨片就够了。
难题反而是磁场如何产生,在稍大的发动机上,用线圈和永磁都会变得不那么现实。参考显像管的线圈,在喷管外侧沿面布置是一个方法,要求喷管不是铁磁材料。另外可以考虑用通过等离子体的电流来产生磁场,两电流路径正交布置。
在高速流动的燃气中,电流路径必然是复杂的,会被吹得很长,甚至跑到喷管外面很远的地方。

[修改于 3 年前 - 2017-02-07 04:26:39]

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4楼

磁体装在喷管上感觉容易会被加热到居里点而失去磁性的吧。。

不过做好隔热说不定能利用这个温度使喷管本身刚好失去铁磁性。。然后把磁体装在外面

这样的话外面还得加一圈铁芯

2.电场分析:电极很小,无法利用无限大平行板间匀强电场模型计算,有没有简化的模型可以分析离子受力情况?与此类似,磁场也很难算。(麦克斯韦方程组太繁琐)

建议用各种有限元软件。。

[修改于 3 年前 - 2017-02-07 00:26:31]

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2017-2-7 00:27:17
5楼
想法很牛!都想自己搞起试一下了。
据说酒精灯和蜡烛的火焰在用几千伏做偏转就能观察到分叉,燃气的速度更高,应该需要的电压很高,感觉这里会是个难点。
如果这里能够解决,下面估算下推力的量级。
假设有一个18质子质量的分子(水分子),排气速度是v,产生的冲量大概是18*mp*v。
经过电场,分解成两个电荷量为qe的离子。
经过一段磁感应强度为B,长度l的磁场区域,受力2*B*q*v,耗时l/v,产生冲量2*B*qe*l。
m为1.67e-27 kg,v取3 km/s,前进方向冲量9.02e-23 Ns。
qe为1.6e-19 C,B取0.1 T,l取0.1 m,转向冲量3.2e-21 Ns。
如果认为转向力到达推力的10%就有实用价值,那我们大概需要1/3000的分子电离。不知道这个数字大概处于怎样的一个量级。
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落叶兄(作者)
6楼
引用 bg2bhc:
假设有一个18质子质量的分子(水分子),排气速度是v,产生的冲量大概是18*mp*v。
经过电场,分解成两个电荷量为qe的离子。
经过一段磁感应强度为B,长度l的磁场区域,受力2*B*q*v,耗时l/v,产生冲量2*B*qe*l。
m为1.67e-27 kg,v取3 km/s,前进方向冲量9.02e-23 Ns。
qe为1.6e-19 C,B取0.1 T,l取0.1 m,转向冲量3.2e-21 Ns。
如果认为转向力到达推力的10%就有实用价值,那我们大概需要1/3000的分子电离。不知道这个数字大概处于怎样的一个量级。

计算结果数量级应该是对的,经我粗略计算(用的是我们文中提出的不知道对不对的方法),3000K,水分子,电离度约2.8*10^-3,这个数还是不错的。

引用 虎哥:
先用一个喷灯,用两个耐高温电极给他通上电,然后用磁场去偏转它。喷灯本身可以作为一个电极,另一个电极放在火焰中部。和楼主的设计略有不同,但是有可能观察到预期的现象。如果电流上不去,采用两个电极相对放置,都放在火焰中试试。具体计算参考显像管设计的有关理论。

我们确实用喷灯做过模拟实验,可能由于技术与设备原因,效果不理想。(还消了好多磁铁的磁)这方面实验还要再做。

引用 虎哥:
补充:关于电极材料,楼主想复杂了。由于电极不需要耐高气压(耐压是燃烧室/扩张段之类解决的),它只需要耐热冲刷烧蚀,以及做好和喷管的热隔离(不然对于再生冷却喷管,会传热到喷管引起问题)。那么,钨针或者钨片就够了。

我们的设计是为了绝缘。电极表面如果不加绝缘,可能会有电荷打到极板上造成损失。
电极遇到的主要问题是制造:这种形状的陶瓷应该是很难做,不知道大家有何高见。

引用 radio:
不过做好隔热说不定能利用这个温度使喷管本身刚好失去铁磁性。。然后把磁体装在外面
这正是我们最初的想法,但不知道是不是真的这样。关于材料磁性,有什么学术专著?

感谢各位的帮助
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7楼
引用 bg2bhc:
想法很牛!都想自己搞起试一下了。
据说酒精灯和蜡烛的火焰在用几千伏做偏转就能观察到分叉,燃气的速度更高,应该需要的电压很高,感觉这里会是个难点。
如果这里能够解决,下面估算下推力的量级。
假设有一个1……
掺杂碱金属的情况下有可能达到1/3000的电离比例。
不过每秒电解1/3000的推进剂流量的电流和功耗很大。
实际上相当于一个横置的霍尔电推,但要达到接近化学发动机的推力和功率量级。
另外,碱金属电离后主要产生正离子和自由电子,二者质量不同,也许可以不用磁场只用电场。

[修改于 3 年前 - 2017-02-07 11:26:21]

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8楼
引用 落叶兄:
计算结果数量级应该是对的,经我粗略计算(用的是我们文中提出的不知道对不对的方法),3000K,水分子,电离度约2.8*10^-3,这个数还是不错的。


我们确实用喷灯做过模拟实验,可能由于技术与设
电极表面不能绝缘,需要有电流才能产生洛伦兹力
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落叶兄(作者)
9楼
引用 拔刀斋:
掺杂碱金属的情况下有可能达到1/3000的电离比例。
不过每秒电解1/3000的推进剂流量的电流和功耗很大。
实际上相当于一个横置的霍尔电推,但要达到接近化学发动机的推力和功率量级。
另外,碱金属电离……
碱金属电离?这方面我们真不知道,能否详细说明一下
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落叶兄(作者)
10楼
引用 拔刀斋:
电极表面不能绝缘,需要有电流才能产生洛伦兹力
可能我们的想法没说明白,电极只是起到施加电场,起偏燃气原有离子的功能,然后经磁铁进一步偏转。如果不加起偏电场,磁铁对等离子体正负电荷施力相等,无法进一步偏转
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11楼
找到一篇相关度较高的论文,应该对碱金属离子以及控制模式有所帮助。
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落叶兄(作者)
12楼
引用 Ma3.02的守望:
找到一篇相关度较高的论文,应该对碱金属离子以及控制模式有所帮助。
文章相当精彩,在此多谢。请问您是在哪找到的?
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13楼
引用 落叶兄:
文章相当精彩,在此多谢。请问您是在哪找到的?

读秀学术搜索,在学校申请的假期账号。

知乎上的方法可以参考:
《在家里如何免费使用中国知网?》
https://www.zhihu.com/question/20188973
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14楼
理论上可以,但是:
第一,在火箭燃料燃烧的温度(一般不超过4000℃)下电离成等离子体的东西很少,磁体对其作用力太小。
第二,把磁体放在扩散段恐怕有点漏洞,因为膨胀过程中温度会严重降低(在最佳膨胀比下,出口温度可能降到700℃),电离的就更少了。
如果能想办法保持电离状态,这个想法是现实的。
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落叶兄(作者)
15楼

[修改于 3 年前 - 2017-02-07 21:02:55]

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16楼

电极只是起到施加电场,起偏燃气原有离子的功能,

这样的话金属的喷管会不会对电极电场起到阻碍的作用?


类似这样..

[修改于 3 年前 - 2017-02-07 23:18:18]

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2017-2-8 06:45:38
17楼
不错的想法,搞好了造福人民
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落叶兄(作者)
18楼
引用 radio:
>
这样的话金属的喷管会不会对电极电场起到阻碍的作用?
您的想法有一定的道理,可能会损失约一半的电场。刚才计算,电压在1万伏左右。
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19楼
用在电推上不错
但几百豪牛的推力要矢量干卯⋯
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20楼
这么搞产生的侧向力应该不会比用同样的电做的电推大很多吧。。。
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21楼
阿姆斯特朗回旋尾焰加速器。
直接在尾焰里拉弧离子就多了,“充电”

[修改于 3 年前 - 2017-02-08 20:41:33]

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2017-2-9 15:11:58
22楼
为什么最简单的舵机控制弹翼的不研究
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2017-2-11 15:25:37
2017-2-11 15:25:37
23楼
引用 diymissle:
为什么最简单的舵机控制弹翼的不研究

因为这是一个很好的研究题材啊。研究得到的东西很多时候是无法用价值衡量的。
非要说价值,研究出来的成果也不一定用在发动机上,哪怕是现在只能生成指定形状的火焰,说不定以后就能用在某种分析仪内做等离子体均匀分布的结构。

[修改于 3 年前 - 2017-02-11 15:26:06]

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2017-3-30 16:21:27
2017-3-30 16:21:27
24楼
我又想到一个:你可以用钍钨合金喉衬,钍有轻微放射性,会使燃气电离程度增大,同时钍会增高钨的熔点。钍放射阿尔法粒子,用一张纸就能挡住,完不成什么伤害
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2017-4-1 11:50:01
2017-4-1 11:50:01
25楼
"当正极接触铁质灯芯套管,阴极靠近火焰时,发现火焰反向(向正极)偏转。我们没有办法解释这一反常的现象,求大神指教。"
这个应该没有违背常理。我理解是这样的:
1,第一种情况正极没有接触灯芯套管时,火焰处于正负极之间的离子风场中,所以火焰被吹的偏向负极;
2,第二种情况正极接触灯芯套管时,套管成了正极,火焰处于正负极之间的离子风场左上侧,因为离子风运动带走空气(在风场左则吸入空气),所以周围空气包括火焰被吸入偏向正极左侧;
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2017-4-2 09:40:22
26楼
用电场控制难度太高 提供一个简单思路 可以试试超声波控制
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2017-4-5 00:33:33
2017-4-5 00:33:33
27楼

你们在物理上搞错了这个问题。但是我粗略了计算了一下,想法本身却有可能。

首先电场本身是不能有效偏转火焰(以及其他等离子体的)原因在于等离子体的一个重要判据,就是其德拜长度应当远小于其装置尺寸,使得在不存在电流的情况下,等体内部是等势的。也由于这个原因,等体内部应当是准中性的,否则根据高斯公式就不能满足等势条件。对于半径为r,德拜长度远小于r的等体,其在E的电场中受力为\(\nabla E·E 4 \pi \epsilon_0 R^3\)根据这个理论,你们应该可以观察到这样一个现象,在没有梯度的均匀电场下,隔离电流,应当不出现任何火焰偏转。

而如果只使用磁场,又会出现另外一个尴尬的局面,根据玻尔兹曼分布,中性粒子温度为T时,电离度约等于\(e^{-\frac{E_i}{kT}}\) 其中\(E_i\)是电离能,在几个电子伏量级,一个eV对应11600K,对于只有2-3000K的火箭产气来说,电离度连万分之一都不足,根本做不到磁流体近似,用磁场产生偏转基本上也是白日做梦。那么有没有可能人工电离这些气体呢,本质上,你还是得把气体加热到接近电离能的温度,这等于你加入的能量比火箭燃烧的能量还大很多,基本没戏。

但是,另外一种做法却有可能(虽然也不是很可能。。。)。大气压下如果气体温度接近电离温度,甚至超过不少,电离度会迅速上升,此时离子温度开始接近电子温度(称为热等体),电阻快速下降。等于你把等体变成了某种良导体,这种良导体中可以以很低的压降(主要是鞘层压降,大约几十伏)承载非常大的电流,这就是所谓大气压弧放电。如果你在尾气中产生一个垂直磁场的弧放电(因为气流和磁场影响我觉得不太可能),传导上百安培电流(可能迅速将电极烧坏,但电力上没问题,高C的锂电可以满足要求),那么你可以得到也许数公斤的偏转力。。。否则,单单靠火焰那一点点电离度,还是洗洗睡吧。。。

[修改于 2 年前 - 2017-04-05 00:38:19]

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2017-4-22 09:59:19
2017-4-22 09:59:19
28楼
楼主你可以算算,要达到你说的控制效果力得多大,需要多大的电场强度,然后你会知道你需要多大的电源,几乎和冰箱大小差不多
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2017-7-5 20:41:52
2017-7-5 20:41:52
29楼
纯化学能产生的等离子体是极少的,电离率太低,产生的电,磁场很弱,推力是很小的
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