场效应自由能固体燃料火箭发动机的制作方法

一、技术领域

场效应自由能固体燃料火箭发动机，是采用储存有巨大自由能的固体燃料和碳纳米材料量子场效应非接触点火系统设计的，具有比冲高、推力范围大、能反复启动、能控制推力大小、工作时间较长等特点的新型火箭发动机。其技术属于固体燃料火箭发动机领域。

二、

背景技术：

固体表面自由能，与固体表面积存在正相关，每增加单位表面积，相应的热力学自由能随之提高。表面自由能并非系统表面上的能量，而是表面上的分子比同量的内部分子所额外超出的能量。借助机械能制成的纳米材料，比表面积可以提高数以千倍，因而纳米材料能够通过将机械能转化为表面自由能储存巨大的额外能量。

大块非晶金属合金是由几种体积不同的金属原子混合物质的熔体，经超速冷凝而形成的亚稳态物质。该合金凝固时由于其原子扩散受到限制未能发生结晶，不存在有序排列的微观结构，导致其相比平衡态下的晶体合金有着更高的吉布斯自由能。因此，由大块非晶金属合金制成的纳米材料无论是表面上的、还是内部的原子均储存了巨大的额外能量。所以大块非晶金属合金纳米颗粒是一种尚未得到开发的高密度含能物质。此外，金属原子具有较强的还原性，在常温条件下，纳米级别的非晶合金颗粒表面的高能金属原子，能够与活性原子氧等强氧化剂发生氧化还原反应释放可观的化学能量，并在瞬间引发猛烈燃烧及爆炸反应。所以，大块非晶金属合金纳米颗粒可以作为具有超常自由能的强还原性高能固体燃料，应用于新型火箭发动机。

科学实验证实，碳同素异形体及其复合物具有典型的纳米材料特性，在电学、光学、热学、力学等方面具有优异的性能。以石墨烯为例，石墨烯几乎不存在电阻，能以比其他任何材料快100倍的速度传导电子或空穴，这几乎接近光速；石墨烯表面电子逸出功极低，几乎不需要能量即可以发射电子，在低能态下(如光照、微电场)，能够以量子隧穿效应方式来转移电子，及氢原子、重氢原子一类的原子核，同时在其掺杂的碳纳米管、富勒烯及金刚石表面微区的尖端能够引起涡旋运动而产生超光速传播的挠场，并与零点能相干而提取零点能，由此引发高能粒子反转而产生一定数量的异常高能带电粒子辐射。

借助高频等离子体化学气相沉积含氢dlc(类金刚石薄膜)方法，通过调整生成类金刚石膜sp3键及sp2键比例，可以在泡沫镍表面生成一层纳米级的掺杂着结构和性能不同的碳原子同素异形体复合物(如石墨烯、石墨炔、碳纳米管、富勒烯及金刚石等)的石墨烯薄膜。这种纳米复合材料，一方面，具有超大比表面积，可增强场效应电子发射和表面等离子体共振能量；另一方面，在其表面微区的尖端能够引起具有绕场效应的涡旋运动，使高能粒子通过反转获得异常的超能量。在外加微弱低频电场作用下，泡沫镍表面的纳米复合材料产生等离子体电磁表面高能态电子疏密波和绕场辐射，形成高能电子辐射，使辐射空间内空气中的水分子、氧气发生分解，生成具有超强氧化性的活性氧原子及活性自由基，同时还能够大幅度降低化学反应活化能、加快氧化还原反应速度。应用这个原理，可以将镍基碳纳米复合材料制成引爆非晶合金纳米颗粒产生剧烈氧化还原反应的非接触点火装置。

场效应自由能固体燃料火箭发动机，是由具有燃烧室和喷嘴的机壳、固体燃料输送系统、碳纳米材料量子场效应非接触点火系统三部分构成。利用高压空气将非晶合金纳米颗粒及制成纳米颗粒的固体氧化剂定量喷入燃烧室，由碳纳米材料量子场效应非接触点火装置产生的高能电子震荡辐射场透过耐高温陶瓷制作的燃烧室，将燃烧室内高压空气中的氧气分子离解为活性氧原子，引爆已被高能电子震荡辐射场激活的非晶合金纳米颗粒与固体氧化剂纳米颗粒发生瞬间氧化还原爆炸反应，形成高温、高压、高速、高密度气流从喷嘴射出，从而产生巨大的工作推力。因此，采用储存有巨大自由能的大块非晶金属合金纳米颗粒固体燃料和碳纳米材料量子场效应非接触点火装置设计的场效应自由能固体燃料火箭发动机，是具有比冲高、推力范围大、能反复启动、能控制推力大小、工作时间较长等特点的新型火箭发动机，适用于作为陆地、海上运载工具动力和空间飞行器的动力。

三、

技术实现要素：

场效应自由能固体燃料火箭发动机是由具有耐高温陶瓷制作的圆柱体形燃烧室(2)和圆锥台形喷嘴(3)的圆柱体形机壳(1)，具有圆球体形高压气源(4)、圆柱体形氧化剂储罐(5)、圆柱体形大块非晶金属合金纳米颗粒还原剂储罐(6)的固体燃料输送系统，及由空心圆柱体形并联电容式场效应体(10)与低频发生器(17)组合而成的碳纳米材料量子场效应非接触点火系统构成。

圆球体形高压气源(4)通过主控制阀(9)及三通导气管(16)分别与圆柱体形氧化剂储罐(5)、圆柱体形大块非晶金属合金纳米颗粒还原剂储罐(6)联通，圆柱体形氧化剂储罐(5)、圆柱体形大块非晶金属合金纳米颗粒还原剂储罐(6)分别通过导气管(7)及控制导气管(7)流量的分控制阀(8)与圆柱体形燃烧室(2)联通。

由多块圆环形镂空绝缘隔板(13)分隔的多块泡沫镍基碳纳米复合材料圆环形极板(12)以并联方式叠加组合成空心圆柱体形并联电容式场效应体(10)；位于空心圆柱体形并联电容式场效应体(10)侧面的奇数导电条(14)，通过焊接点(18)与奇数排列位置的泡沫镍基碳纳米复合材料圆环形极板(12)接通，位于奇数导电条(14)对应侧面的偶数导电条(15)通过焊接点(18)与偶数排列位置的泡沫镍基碳纳米复合材料圆环形极板(12)接通；奇数导电条(14)通过导线(11)与低频发生器(17)一个输出端接通，偶数导电条(15)通过导线(11)与低频发生器(17)另外一个输出端接通。

四、附图说明

图1是场效应自由能固体燃料火箭发动机垂直剖面结构图。

图2是场效应自由能固体燃料火箭发动机外壳(1)垂直剖面结构图。

图3是空心圆柱体形并联电容式场效应体(10)垂直剖面结构图。

图4是空心圆柱体形并联电容式场效应体(10)侧视图。

图5是泡沫镍基碳纳米复合材料圆环形极板(12)示意图。

五、具体实施方式

场效应自由能固体燃料火箭发动机是由具有耐高温陶瓷制作的圆柱体形燃烧室(2)和圆锥台形喷嘴(3)的圆柱体形机壳(1)，具有圆球体形高压气源(4)、圆柱体形氧化剂储罐(5)、圆柱体形大块非晶金属合金纳米颗粒还原剂储罐(6)的固体燃料输送系统，及由空心圆柱体形并联电容式场效应体(10)与低频发生器(17)组合而成的碳纳米材料量子场效应点火系统构成。

圆锥台形喷嘴(3)的圆柱体形机壳(1)，由耐高温金属材料制成。

圆球体形高压气源(4)采用压缩空气，既能够提供碳纳米材料量子场效应非接触点火系统所需的少量氧气，又能够作为惰性载气输送作为强还原剂的大块非晶金属合金纳米颗粒固体燃料及纳米颗粒氧化剂进入圆柱体形燃烧室(2)。

圆球体形高压气源(4)通过主控制阀(9)及三通导气管(16)分别与圆柱体形氧化剂储罐(5)、圆柱体形大块非晶金属合金纳米颗粒还原剂储罐(6)联通，圆柱体形氧化剂储罐(5)、圆柱体形大块非晶金属合金纳米颗粒还原剂储罐(6)分别通过导气管(7)及控制导气管(7)流量的分控制阀(8)与圆柱体形燃烧室(2)联通。

大块非晶金属合金纳米颗粒固体燃料是采用铝、镍、铜、锆四种金属按照设计的成分比例熔化后快速冷却凝固，再利用风磨粉碎至纳米颗粒制成。该燃料不仅可以释放巨大的能量，还能够在燃烧时形成较大质量密度的喷射气体，可获得更大的工作推力。

采用高锰酸钾或硝酸钾制成纳米颗粒固体氧化剂，在碳纳米材料量子场效应非接触点火装置产生的高能电子震荡辐射场作用下，其反应活性可以大幅度提高，利于加快反应速度。

采用耐高温塑料制作的多块圆环形镂空绝缘隔板(13)分隔的多块泡沫镍基碳纳米复合材料圆环形极板(12)以并联方式叠加组合成空心圆柱体形并联电容式场效应体(10)。奇数导电条(14)通过焊接点(18)与奇数排列位置泡沫镍基碳纳米复合材料圆环形极板(12)接通，偶数导电条(15)通过焊接点(18)与偶数排列位置的泡沫镍基碳纳米复合材料圆环形极板(12)接通，奇数导电条(14)通过导线(11)与低频发生器(17)一个输出端接通，偶数导电条(15)通过导线(11)与低频发生器(17)另外一个输出端接通。

碳纳米材料量子场效应非接触点火系统属于非接触性引爆装置，利于控制燃烧速度，调节发动机输出推力，还能够简化圆柱体形燃烧室(2)内部结构，提高发动机的可靠性。

在外加微弱低频电场作用下，空心圆柱体形并联电容式场效应体(10)的奇数排列位置的泡沫镍基碳纳米复合材料圆环形极板(12)与偶数排列位置的泡沫镍基碳纳米复合材料圆环形极板(12)之间产生的等离子体电磁表面高能态电子疏密波共振和绕场辐射，可以形成轴向叠加高能电子辐射，穿透耐高温陶瓷制作的圆柱体形燃烧室(2)，使辐射空间内空气中的水分子、氧气发生分解，生成足够引爆大块非晶金属合金纳米颗粒固体燃料产生燃烧链式反应的活性氧原子，同时还能够大幅度降低氧化剂和还原剂进行化学反应的活化能、加快氧化还原反应速度，形成高温、高压、高速、高密度气流从圆锥台形喷嘴(3)射出，从而产生巨大的工作推力。