第573章 螺旋
熱試結束之後的第三天，肖宿把磁噴管出口段的所有數據全部搬進了自己的辦公室。
高速相機拍攝的束流圖像按毫秒拆幀，磁探針記錄的場形變化按空間位置重新分箱，離子能量分析器給出的能譜按角度和動能二維展開。
整面牆上掛滿了列印出來的曲線和圖表，從門口看過去，像一間專門研究等離子體射流的戰情室。
肖宿站在這些數據中間，一頁一頁地研究。
燭龍的磁噴管雖然已經跑通了束流，但是出口能量回收效率只有設計值的六成。
這意味著當聚變等離子體從噴管噴射出來的時候，有將近一半的能量沒有變成有效的軸向推力，而是隨著束流發散、徑向漂移和熱化過程白白耗散了。
這個問題必須解決，否則遠航號的聚變推進器就是個半殘的爐子，燒著最貴的火，出著最小的力。
他把出口處的能譜圖抽出來，平鋪在桌面上，又拿了一支鉛筆在空白處標註。
離子的能量分布呈明顯的各向異性，軸向動能集中在一個狹窄的峰里，但是徑向和方位角方向的動能彌散得很厲害。
更麻煩的是，從噴管喉部出來後，一部分離子的偏轉角過大，直接脫離了束流主體，形成了外緣的低能暈。
這些暈里的離子，幾乎對推力沒有任何貢獻，還反過來增加了壁面的熱負荷。
傳統的做法是在出口加一組靜電偏轉柵，用額外的電場把散出去的離子重新聚攏。
可是，燭龍噴射出來的離子密度太高，空間電荷效應會嚴重扭曲電場，偏轉柵的網格也會被高速離子直接打穿，壽命根本撐不過幾分鐘。
他立刻排除了這個思路。
另一個做法就是延長噴管出口的磁鏡段，用更強的磁場梯度把離子壓回去。
但是磁鏡段的延長就意味著噴管整體長度得增加，質量也得跟著上漲，而且磁場越強，出口處離子迴旋半徑就越小，束流越容易重新進入相位同步狀態，反而會再次觸發上次那種迴旋共振不穩定性。
這條路也走不通。
肖宿在兩種方案後面各打了一個叉，然後在紙上畫了一條螺旋線。
他的思路很清晰。
出口處那些散逸的離子，本質上是軸向動量不足，磁矩在擴張磁場中轉化不完全，導致徑向速度分量太大。
如果能在束流離開主噴管之後，再讓它經歷一段螺旋磁場，讓磁場在橫截面上旋轉起來，離子在穿越這段磁場時就會被強迫沿著一條螺旋軌跡運動。
這種螺旋運動會產生一個額外的旋轉變換，把徑向動能重新耦合回軸向動能，相當於在出口處給離子流做了一次「收束」。
這聽起來似乎很簡單，但做起來極難。
得先理清螺旋磁場的邊界條件才行。
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肖宿開始埋頭在紙上推導螺旋磁場的邊界條件。
螺旋磁場由一圈沿著軸向螺旋纏繞的線圈產生，每一圈的電流相位和空間位置都要精確匹配。
磁場在橫截面上的旋轉角速度必須和離子束的軸向速度匹配，否則離子跟不上磁場的旋轉，反而會被甩出去。
這個匹配條件把螺旋磁場的螺距和束流軸向速度直接捆綁在了一起。
而燭龍的束流軸向速度並不是一個常數，它沿著徑向有一個分布，中心快、邊緣慢。
這就要求螺旋磁場的螺距不能是固定值，而必須沿徑向做梯度變化。
肖宿停下筆，盯著紙上的方程，思考了片刻。
這個問題在數學上和他在NS方程里處理過的渦量邊界層問題有同源性。
那裡的渦量分布也呈現徑向剪切，他用和樂框架做約束，把渦量鎖定在穩定軌道上。
這裡只不過把渦量換成了離子束的旋轉變換，把流體邊界換成了磁場邊界，本質上還是同一個結構。
他沿著這個思路繼續往下推，發現螺旋磁場的磁場線在空間中形成的集合，可以用一個和樂群來描述，而且，這個和樂群的元素對應著離子在穿過螺旋段時獲得的旋轉變換。
如果這個旋轉變換恰好能把徑向動能映射到軸向動能，那麼束流的能量回收效率就能實現最大化了。
而這個映射要滿足的條件，就是螺旋磁場的和樂群和離子束徑向速度分布的和樂群之間構成一個正交分解。
換句話說，他現在還需要構造一個磁場的形狀，讓所有不同徑向位置的離子，在穿過這個形狀之後，都恰好完成同樣的能量轉換。
想到這兒肖宿眼睛亮了一下，將撐著下巴的手放下，拿起紅筆，在草稿紙的邊緣寫下了這個條件的數學形式。
關於螺旋磁場的曲率張量和離子速度剖面的耦合方程形式並不複雜，但解起來需要同時滿足邊界上的連續性條件和螺距的工藝可製造性。
他先做了一輪線性化求解，得到了一個理想的螺旋磁場分布，這個分布的形狀像一條被輕輕扭轉的彈簧，內圈緊、外圈松，每一圈的螺距都沿著徑向連續變化，這樣就能完美契合他們的需要。
理論設計解決了，接下來就是工程問題了。
這種螺旋磁場線圈的繞制精度極高，每一圈之間的螺距誤差不能超過零點二毫米。
因為一旦螺距出現偏差，和樂群的元素就會偏離設計值，離子在出口處就會重新失穩。
而且線圈本身需要在強磁場、極低溫和高熱負荷下保持結構穩定，材料要求甚至比主噴管的磁體還高。
好在高場磁體加強材料剛做完深溫疲勞測試，性能比進口的還好。
肖宿把材料參數標進設計圖，又對線圈的支撐結構做了一遍靜力學驗算，確認在燭龍的磁場載荷下不會產生超過允許的形變。
接下來的幾天，肖宿幾乎沒有走出過辦公室。
高長安每天把飯送進來，他簡單吃點人又回到了桌前，連顧清塵都勸不動。
白板寫滿了一張又一張，圖紙堆在牆角，一摞一摞的。
到第五天凌晨，一份完整的螺旋磁場加速段設計圖終於出來了。
結構圖、磁場曲線、電流分布、支撐方案、加工精度要求、測試工況，全部齊整。
韓熹第二天拿到圖紙的時候，翻到最後一頁，看到那個「螺距誤差不超過零點二毫米」的標註的時候，下意識地倒吸了一口氣。
「這個精度，國內能做的人可不多啊。」他說。
肖宿不太在意，「能做的人不多，說明還是有人能做，去找。」
他的態度很堅定，韓熹也知道，要想達到他們需要的效果，工藝這關是必須要克服的，就沒有再說什麼，合上圖紙，找人去了。
高速相機拍攝的束流圖像按毫秒拆幀，磁探針記錄的場形變化按空間位置重新分箱，離子能量分析器給出的能譜按角度和動能二維展開。
整面牆上掛滿了列印出來的曲線和圖表，從門口看過去，像一間專門研究等離子體射流的戰情室。
肖宿站在這些數據中間，一頁一頁地研究。
燭龍的磁噴管雖然已經跑通了束流，但是出口能量回收效率只有設計值的六成。
這意味著當聚變等離子體從噴管噴射出來的時候，有將近一半的能量沒有變成有效的軸向推力，而是隨著束流發散、徑向漂移和熱化過程白白耗散了。
這個問題必須解決，否則遠航號的聚變推進器就是個半殘的爐子，燒著最貴的火，出著最小的力。
他把出口處的能譜圖抽出來，平鋪在桌面上，又拿了一支鉛筆在空白處標註。
離子的能量分布呈明顯的各向異性，軸向動能集中在一個狹窄的峰里，但是徑向和方位角方向的動能彌散得很厲害。
更麻煩的是，從噴管喉部出來後，一部分離子的偏轉角過大，直接脫離了束流主體，形成了外緣的低能暈。
這些暈里的離子，幾乎對推力沒有任何貢獻，還反過來增加了壁面的熱負荷。
傳統的做法是在出口加一組靜電偏轉柵，用額外的電場把散出去的離子重新聚攏。
可是，燭龍噴射出來的離子密度太高，空間電荷效應會嚴重扭曲電場，偏轉柵的網格也會被高速離子直接打穿，壽命根本撐不過幾分鐘。
他立刻排除了這個思路。
另一個做法就是延長噴管出口的磁鏡段，用更強的磁場梯度把離子壓回去。
但是磁鏡段的延長就意味著噴管整體長度得增加，質量也得跟著上漲，而且磁場越強，出口處離子迴旋半徑就越小，束流越容易重新進入相位同步狀態，反而會再次觸發上次那種迴旋共振不穩定性。
這條路也走不通。
肖宿在兩種方案後面各打了一個叉，然後在紙上畫了一條螺旋線。
他的思路很清晰。
出口處那些散逸的離子，本質上是軸向動量不足，磁矩在擴張磁場中轉化不完全，導致徑向速度分量太大。
如果能在束流離開主噴管之後，再讓它經歷一段螺旋磁場，讓磁場在橫截面上旋轉起來，離子在穿越這段磁場時就會被強迫沿著一條螺旋軌跡運動。
這種螺旋運動會產生一個額外的旋轉變換，把徑向動能重新耦合回軸向動能，相當於在出口處給離子流做了一次「收束」。
這聽起來似乎很簡單，但做起來極難。
得先理清螺旋磁場的邊界條件才行。
（由於緩存原因，請用戶直接瀏覽器訪問 看書首選 TW 看書網，𝓼𝓱𝓾.𝓽𝔀超給力 網站，觀看最快的章節更新）
肖宿開始埋頭在紙上推導螺旋磁場的邊界條件。
螺旋磁場由一圈沿著軸向螺旋纏繞的線圈產生，每一圈的電流相位和空間位置都要精確匹配。
磁場在橫截面上的旋轉角速度必須和離子束的軸向速度匹配，否則離子跟不上磁場的旋轉，反而會被甩出去。
這個匹配條件把螺旋磁場的螺距和束流軸向速度直接捆綁在了一起。
而燭龍的束流軸向速度並不是一個常數，它沿著徑向有一個分布，中心快、邊緣慢。
這就要求螺旋磁場的螺距不能是固定值，而必須沿徑向做梯度變化。
肖宿停下筆，盯著紙上的方程，思考了片刻。
這個問題在數學上和他在NS方程里處理過的渦量邊界層問題有同源性。
那裡的渦量分布也呈現徑向剪切，他用和樂框架做約束，把渦量鎖定在穩定軌道上。
這裡只不過把渦量換成了離子束的旋轉變換，把流體邊界換成了磁場邊界，本質上還是同一個結構。
他沿著這個思路繼續往下推，發現螺旋磁場的磁場線在空間中形成的集合，可以用一個和樂群來描述，而且，這個和樂群的元素對應著離子在穿過螺旋段時獲得的旋轉變換。
如果這個旋轉變換恰好能把徑向動能映射到軸向動能，那麼束流的能量回收效率就能實現最大化了。
而這個映射要滿足的條件，就是螺旋磁場的和樂群和離子束徑向速度分布的和樂群之間構成一個正交分解。
換句話說，他現在還需要構造一個磁場的形狀，讓所有不同徑向位置的離子，在穿過這個形狀之後，都恰好完成同樣的能量轉換。
想到這兒肖宿眼睛亮了一下，將撐著下巴的手放下，拿起紅筆，在草稿紙的邊緣寫下了這個條件的數學形式。
關於螺旋磁場的曲率張量和離子速度剖面的耦合方程形式並不複雜，但解起來需要同時滿足邊界上的連續性條件和螺距的工藝可製造性。
他先做了一輪線性化求解，得到了一個理想的螺旋磁場分布，這個分布的形狀像一條被輕輕扭轉的彈簧，內圈緊、外圈松，每一圈的螺距都沿著徑向連續變化，這樣就能完美契合他們的需要。
理論設計解決了，接下來就是工程問題了。
這種螺旋磁場線圈的繞制精度極高，每一圈之間的螺距誤差不能超過零點二毫米。
因為一旦螺距出現偏差，和樂群的元素就會偏離設計值，離子在出口處就會重新失穩。
而且線圈本身需要在強磁場、極低溫和高熱負荷下保持結構穩定，材料要求甚至比主噴管的磁體還高。
好在高場磁體加強材料剛做完深溫疲勞測試，性能比進口的還好。
肖宿把材料參數標進設計圖，又對線圈的支撐結構做了一遍靜力學驗算，確認在燭龍的磁場載荷下不會產生超過允許的形變。
接下來的幾天，肖宿幾乎沒有走出過辦公室。
高長安每天把飯送進來，他簡單吃點人又回到了桌前，連顧清塵都勸不動。
白板寫滿了一張又一張，圖紙堆在牆角，一摞一摞的。
到第五天凌晨，一份完整的螺旋磁場加速段設計圖終於出來了。
結構圖、磁場曲線、電流分布、支撐方案、加工精度要求、測試工況，全部齊整。
韓熹第二天拿到圖紙的時候，翻到最後一頁，看到那個「螺距誤差不超過零點二毫米」的標註的時候，下意識地倒吸了一口氣。
「這個精度，國內能做的人可不多啊。」他說。
肖宿不太在意，「能做的人不多，說明還是有人能做，去找。」
他的態度很堅定，韓熹也知道，要想達到他們需要的效果，工藝這關是必須要克服的，就沒有再說什麼，合上圖紙，找人去了。