Самолет с ионным двигателем - Ion-propelled aircraft

Эта статья про самолет с ионным двигателем. Для космических аппаратов с ионным двигателем см. Ионный двигатель.

An самолет с ионным двигателем или сокращенно ионный корабль, является самолет который использует электрогидродинамика (EHD) для предоставления поднимать или же толкать в воздухе, не требуя горение или же движущиеся части. Существующие конструкции не обеспечивают достаточной тяги для пилотируемого полета или полезных нагрузок.

История

Происхождение

Принцип ионный ветер движение с корона -генерированные заряженные частицы были обнаружены вскоре после открытия электричество со ссылками на 1709 год в книге под названием Физико-механические эксперименты на различных объектах к Фрэнсис Хоксби.

VTOL "лифтерные" эксперименты

Американский экспериментатор Томас Таунсенд Браун провел большую часть своей жизни, работая над этим принципом, ошибочно полагая, что это антигравитационный эффект, который он назвал Эффект Бифельда – Брауна. Поскольку его устройства создавали тягу в направлении градиента поля, независимо от направления силы тяжести, и не работали в вакууме, другие исследователи поняли, что эффект был вызван ЭГД.[1][2]

Самолеты с ионным двигателем вертикального взлета и посадки иногда называют «подъемниками». Ранние образцы могли поднимать около грамма веса на ватт,[3] Этого было недостаточно, чтобы поднять необходимый мощный высоковольтный источник питания, который оставался на земле и питал корабль по длинным, тонким и гибким проводам.

Использование силовой установки EHD для подъема было изучено американским авиаконструктором Майором. Александр Прокофьев де Северский в 1950-1960-х гг. В 1959 году он подал патент на «ионокрафт».[4] Он построил и пилотировал модель вертикального взлета и посадки ионного корабля, способного маневрировать вбок, изменяя напряжение, подаваемое в различных областях, хотя тяжелый источник питания оставался внешним.[5]

2008 год Бескрылый электромагнитный летательный аппарат (WEAV), подъемник EHD в форме блюдца с электродами, встроенными по всей его поверхности, был изучен группой исследователей под руководством Субрата Рой на Университет Флориды в начале двадцать первого века. В двигательной установке применено множество инноваций, в том числе использование магнитные поля для повышения эффективности ионизации. Модель с внешним питанием достигла минимального отрыва и зависания.[6][7]

Бортовая мощность

Источники питания двадцать первого века легче и эффективнее.[8][9] Первым самолетом с ионным двигателем, который взлетал и летал с использованием собственного бортового источника питания, был аппарат вертикального взлета и посадки, разработанный Итаном Крауссом из Electron Air в 2006 году.[10] Его патентная заявка была подана в 2014 году.[11] Корабль развивал достаточную тягу, чтобы быстро подниматься или лететь горизонтально в течение нескольких минут.[10][12]

В ноябре 2018 года был выпущен первый автономный самолет с ионным двигателем и неподвижным крылом. Планер MIT EAD, версия 2 пролетел 60 метров. Он был разработан группой студентов под руководством Стивена Барретта из Массачусетский Институт Технологий. Он имел размах крыльев 5 метров и весил 2,45 кг.[13] Аппарат запускался с катапульты с помощью эластичной ленты, а система EAD поддерживала самолет в полете на малой высоте.

Принцип работы

Ионный воздушная тяга это техника создания потока воздуха через электроэнергия, без движущихся частей. Из-за этого его иногда называют «твердотельным» накопителем. Он основан на принципе электрогидродинамики.

В основном виде он состоит из двух параллельно проводящий электроды, ведущий эмиттерный провод и нижний коллектор. Когда такое устройство питается высокой Напряжение (в диапазоне киловольт на мм) излучатель ионизирует молекулы в воздухе, которые ускоряются назад к коллектору, производя толкать в реакции. По пути эти ионы сталкиваются с электрически нейтральными молекулами воздуха и, в свою очередь, ускоряют их.

Эффект не зависит напрямую от электрической полярности, поскольку ионы могут быть заряжены положительно или отрицательно. Изменение полярности электродов не меняет направления движения, так как оно также меняет полярность ионов для соответствия. Тяга в любом случае создается в одном и том же направлении. Для положительной полярности эмиттера азот ионы являются главными носители заряда, а при отрицательной полярности ионы кислорода являются основными переносчиками и озон производство выше.[нужна цитата ]

Подруливающие устройства EHD намного менее эффективны, чем обычные двигатели.[14]

В отличие от чистого ионный двигатель ракеты, электрогидродинамический принцип неприменим в космическом вакууме.[15]

Электрогидродинамика

Основная статья: Электрогидродинамика

Тяга, создаваемая устройством EHD, является примером Эффект Бифельда – Брауна и может быть получен путем модифицированного использования Уравнение Чайлда – Ленгмюра.[16]Обобщенная одномерная обработка дает уравнение:

куда

  • F результирующая сила.
  • я - электрический ток.
  • d воздушный зазор.
  • k - коэффициент подвижности ионов рабочего тела,[17] измеряется в ампер-сек2/ кг в единицах СИ. (Номинальное значение для воздуха 2 × 10−4 м2 V−1 s−1).[нужна цитата ]

Применительно к газу, например воздуху, этот принцип также называется электроаэродинамикой (EAD).

Когда ионный крафт включен, коронирующий провод заряжается высокое напряжение, обычно от 20 до 50 кВ. Когда коронирующий провод достигает примерно 30 кВ, молекулы воздуха поблизости становятся ионизированный лишив их электроны от них. Когда это происходит, ионы отталкиваются от анода и притягиваются к коллектору, заставляя большинство ионов ускоряться к коллектору. Эти ионы движутся с постоянной средней скоростью, называемой скорость дрейфа. Такая скорость зависит от длина свободного пробега между столкновениями, силой внешнего электрического поля и массой ионов и нейтральных молекул воздуха.

Тот факт, что ток переносится коронный разряд (а не замкнутый дуга ) означает, что движущиеся частицы диффундируют в расширяющееся ионное облако и часто сталкиваются с нейтральными молекулами воздуха. Именно эти столкновения создают тягу. Импульс ионного облака частично передается нейтральным молекулам воздуха, с которыми оно сталкивается, которые, поскольку они нейтральны, не мигрируют обратно ко второму электроду. Вместо этого они продолжают двигаться в том же направлении, создавая нейтральный ветер. Поскольку эти нейтральные молекулы выбрасываются из ионного крафта, в соответствии с Третий закон движения Ньютона, равные и противоположные силы, поэтому ионный крафт движется в противоположном направлении с равной силой. Возникающая сила сравнима с легким ветерком. Результирующая тяга зависит от других внешних факторов, включая давление и температуру воздуха, состав газа, напряжение, влажность и расстояние до воздушного зазора.

Воздушная масса в зазоре между электроды многократно подвергается ударам возбужденных частиц, движущихся с высокой скоростью дрейфа. Это создает электрическое сопротивление, которое необходимо преодолеть. Конечным результатом захвата нейтрального воздуха в процессе является эффективный обмен импульсом и, таким образом, создание тяги. Чем тяжелее и плотнее воздух, тем выше результирующая тяга.

Конфигурация самолета

Как и обычная реактивная тяга, тяга EAD может быть направлена ​​либо горизонтально, чтобы приводить в действие с неподвижным крылом самолет или вертикально, чтобы поддерживать лифт с приводом ремесло, иногда называемое «подъемником».

Дизайн

Типовая конструкция ионного крафта

Компоненты ионной двигательной установки, генерирующие тягу, состоят из трех частей; коронирующий провод или эмиттерный провод, воздушный зазор и коллекторный провод или полоску ниже по потоку от эмиттера. Легкий изолирующий каркас поддерживает расположение. Эмиттер и коллектор должны быть как можно ближе друг к другу, то есть с узким воздушным зазором, чтобы достичь состояния насыщенного тока короны, которое создает максимальную тягу. Однако, если эмиттер расположен слишком близко к коллектору, он имеет тенденцию дуга через разрыв.[нужна цитата ]

Ионные силовые установки требуют многих мер предосторожности из-за необходимого высокого напряжения.

Эмиттер

Эмиттерный провод обычно подключается к положительной клемме источника питания высокого напряжения. В общем, он сделан из голого маленького калибра. проводящий провод. Пока медь провод можно использовать, работает не так хорошо, как нержавеющая сталь. Точно так же более тонкая проволока, например 44 или 50 измерять имеет тенденцию превосходить более обычные, большие размеры, такие как калибр 30, поскольку более сильное электрическое поле вокруг провода меньшего диаметра приводит к лучшей ионизации и большему току короны.[нужна цитата ]

Эмиттер иногда называют "коронирующим проводом" из-за его склонности излучать пурпурный цвет. коронный разряд светятся во время использования.[нужна цитата ] Это просто побочный эффект ионизации.

Воздушный зазор

Воздушный зазор изолирует два электрода и позволяет ионам, генерируемым в эмиттере, ускоряться и передавать импульс нейтральным молекулам воздуха перед тем, как потерять свой заряд на коллекторе. Ширина воздушного зазора обычно составляет 1 мм / кВ.[18]

Коллектор

Коллектор имеет форму, обеспечивающую гладкую эквипотенциальную поверхность под коронирующим проводом. Варианты этого включают проволочную сетку, параллельные проводящие трубки или юбку из фольги с гладкой круглой кромкой. Острые края юбки ухудшают характеристики, так как она генерирует ионы противоположной полярности, чем те, которые находятся внутри механизма тяги.[нужна цитата ]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Томпсон, Клайв (август 2003 г.). "Антигравитационное подземелье". Проводной журнал.
  2. ^ Таймар, М. (2004). "Эффект Бифельда – Брауна: неправильная интерпретация явлений коронного ветра". Журнал AIAA. 42 (2): 315–318. Bibcode:2004AIAAJ..42..315T. Дои:10.2514/1.9095.
  3. ^ Зависимость эффективности подъемника от скорости ионов "Лифтер-3 Дж. Л. Наудена, импульсный HV 1,13 г / Вт" В архиве 2014-08-08 в Wayback Machine
  4. ^ Патент США 3130945, Подана 31 августа 1959 г., опубликована 28 апреля 1954 г.
  5. ^ Ионный самолет майора де Северского. 122. Популярная механика. Август 1964. С. 58–61.
  6. ^ Гринемайер, Ларри (7 июля 2008 г.). "Первая в мире летающая тарелка: сделана прямо здесь, на Земле". Scientific American.
  7. ^ Рой, Субрата; Арнольд, Дэвид; Линь, Дженшан; Шмидт, Тони; Линд, Рик; и другие. (2011). Управление научных исследований ВВС США; Университет Флориды (ред.). Демонстрация бескрылого электромагнитного летательного аппарата (PDF) (Отчет). Центр оборонной технической информации. КАК В  B01IKW9SES. AFRL-OSR-VA-TR-2012-0922.
  8. ^ Борг, Ксавьер; «Полный анализ и проектные решения для двигателей EHD в условиях насыщенного тока короны», Общий научный журнал (независимая оценка), 2004 г., обновлено в 2006 г.
  9. ^ Гранадос, Виктор Х .; Пинейро, Марио Дж .; Са, Пауло А. (июль 2016 г.). «Электростатическая силовая установка для аэродинамических приложений». Физика плазмы. 23 (7): 073514. Bibcode:2016ФПЛ ... 23г3514Г. Дои:10.1063/1.4958815.
  10. ^ а б "Изобретение самолета на ионной энергии". Фабрика стартапов "Звездная пыль". 2019-02-27. Получено 2019-08-15. Изначально летающий аппарат поднимал источник питания прямо с земли без движущихся частей в 2006 году.
  11. ^ нам 10119527 
  12. ^ видео на YouTube
  13. ^ Херн, Алекс (21.11.2018). «Первый в истории самолет без движущихся частей взлетает». хранитель. Получено 2018-11-25.
  14. ^ Чен, Ангус. «Бесшумный и простой ионный двигатель приводит в движение самолет без движущихся частей». Scientific American. Получено 2019-08-15.
  15. ^ "Ионная тяга" (PDF).
  16. ^ «Электрокинетические устройства в воздухе» (PDF). Получено 2013-04-25.
  17. ^ Таммет, Х. (1998). «Снижение подвижности аэроионов до стандартных условий». Журнал геофизических исследований: атмосферы. 103: 13933–13937. Дои:10.1029 / 97JD01429. HDL:10062/50224.
  18. ^ Мистерс, Коос; Терпстра, Вессель (02.12.2019). «ионные двигатели и устойчивость» (PDF). Получено 2019-12-03.

Источники

внешняя ссылка