第578章 螺旋

热试结束之后的第三天，肖宿把磁喷管出口段的所有数据全部搬进了自己的办公室。

高速相机拍摄的束流图像按毫秒拆帧，磁探针记录的场形变化按空间位置重新分箱，离子能量分析器给出的能谱按角度和动能二维展开。

整面墙上挂满了打印出来的曲线和图表，从门口看过去，像一间专门研究等离子体射流的战情室。

肖宿站在这些数据中间，一页一页地研究。

烛龙的磁喷管虽然已经跑通了束流，但是出口能量回收效率只有设计值的六成。

这意味着当聚变等离子体从喷管喷射出来的时候，有将近一半的能量没有变成有效的轴向推力，而是随着束流发散、径向漂移和热化过程白白耗散了。

这个问题必须解决，否则远航号的聚变推进器就是个半残的炉子，烧着最贵的火，出着最小的力。

他把出口处的能谱图抽出来，平铺在桌面上，又拿了一支铅笔在空白处标注。

离子的能量分布呈明显的各向异性，轴向动能集中在一个狭窄的峰里，但是径向和方位角方向的动能弥散得很厉害。

更麻烦的是，从喷管喉部出来后，一部分离子的偏转角过大，直接脱离了束流主体，形成了外缘的低能晕。

这些晕里的离子，几乎对推力没有任何贡献，还反过来增加了壁面的热负荷。

传统的做法是在出口加一组静电偏转栅，用额外的电场把散出去的离子重新聚拢。

可是，烛龙喷射出来的离子密度太高，空间电荷效应会严重扭曲电场，偏转栅的网格也会被高速离子直接打穿，寿命根本撑不过几分钟。

他立刻排除了这个思路。

另一个做法就是延长喷管出口的磁镜段，用更强的磁场梯度把离子压回去。

但是磁镜段的延长就意味着喷管整体长度得增加，质量也得跟着上涨，而且磁场越强，出口处离子回旋半径就越小，束流越容易重新进入相位同步状态，反而会再次触发上次那种回旋共振不稳定性。

这条路也走不通。

肖宿在两种方案后面各打了一个叉，然后在纸上画了一条螺旋线。

他的思路很清晰。

出口处那些散逸的离子，本质上是轴向动量不足，磁矩在扩张磁场中转化不完全，导致径向速度分量太大。

如果能在束流离开主喷管之后，再让它经历一段螺旋磁场，让磁场在横截面上旋转起来，离子在穿越这段磁场时就会被强迫沿着一条螺旋轨迹运动。

这种螺旋运动会产生一个额外的旋转变换，把径向动能重新耦合回轴向动能，相当于在出口处给离子流做了一次“收束”。

这听起来似乎很简单，但做起来极难。

得先理清螺旋磁场的边界条件才行。

肖宿开始埋头在纸上推导螺旋磁场的边界条件。

螺旋磁场由一圈沿着轴向螺旋缠绕的线圈产生，每一圈的电流相位和空间位置都要精确匹配。

磁场在横截面上的旋转角速度必须和离子束的轴向速度匹配，否则离子跟不上磁场的旋转，反而会被甩出去。

这个匹配条件把螺旋磁场的螺距和束流轴向速度直接捆绑在了一起。

而烛龙的束流轴向速度并不是一个常数，它沿着径向有一个分布，中心快、边缘慢。

这就要求螺旋磁场的螺距不能是固定值，而必须沿径向做梯度变化。

肖宿停下笔，盯着纸上的方程，思考了片刻。

这个问题在数学上和他在NS方程里处理过的涡量边界层问题有同源性。

那里的涡量分布也呈现径向剪切，他用和乐框架做约束，把涡量锁定在稳定轨道上。

这里只不过把涡量换成了离子束的旋转变换，把流体边界换成了磁场边界，本质上还是同一个结构。

他沿着这个思路继续往下推，发现螺旋磁场的磁场线在空间中形成的集合，可以用一个和乐群来描述，而且，这个和乐群的元素对应着离子在穿过螺旋段时获得的旋转变换。

如果这个旋转变换恰好能把径向动能映射到轴向动能，那么束流的能量回收效率就能实现最大化了。

而这个映射要满足的条件，就是螺旋磁场的和乐群和离子束径向速度分布的和乐群之间构成一个正交分解。

换句话说，他现在还需要构造一个磁场的形状，让所有不同径向位置的离子，在穿过这个形状之后，都恰好完成同样的能量转换。

想到这儿肖宿眼睛亮了一下，将撑着下巴的手放下，拿起红笔，在草稿纸的边缘写下了这个条件的数学形式。

关于螺旋磁场的曲率张量和离子速度剖面的耦合方程形式并不复杂，但解起来需要同时满足边界上的连续性条件和螺距的工艺可制造性。

他先做了一轮线性化求解，得到了一个理想的螺旋磁场分布，这个分布的形状像一条被轻轻扭转的弹簧，内圈紧、外圈松，每一圈的螺距都沿着径向连续变化，这样就能完美契合他们的需要。

理论设计解决了，接下来就是工程问题了。

这种螺旋磁场线圈的绕制精度极高，每一圈之间的螺距误差不能超过零点二毫米。

因为一旦螺距出现偏差，和乐群的元素就会偏离设计值，离子在出口处就会重新失稳。

而且线圈本身需要在强磁场、极低温和高热负荷下保持结构稳定，材料要求甚至比主喷管的磁体还高。

好在高场磁体加强材料刚做完深温疲劳测试，性能比进口的还好。

肖宿把材料参数标进设计图，又对线圈的支撑结构做了一遍静力学验算，确认在烛龙的磁场载荷下不会产生超过允许的形变。

接下来的几天，肖宿几乎没有走出过办公室。

高长安每天把饭送进来，他简单吃点人又回到了桌前，连顾清尘都劝不动。

白板写满了一张又一张，图纸堆在墙角，一摞一摞的。

到第五天凌晨，一份完整的螺旋磁场加速段设计图终于出来了。

结构图、磁场曲线、电流分布、支撑方案、加工精度要求、测试工况，全部齐整。

韩熹第二天拿到图纸的时候，翻到最后一页，看到那个“螺距误差不超过零点二毫米”的标注的时候，下意识地倒吸了一口气。

“这个精度，国内能做的人可不多啊。”他说。

肖宿不太在意，“能做的人不多，说明还是有人能做，去找。”

他的态度很坚定，韩熹也知道，要想达到他们需要的效果，工艺这关是必须要克服的，就没有再说什么，合上图纸，找人去了。


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