Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с Ionocraft )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья про самолет с ионным двигателем. Для космических кораблей с ионным двигателем см. Ионный двигатель .

Самолет ионно-самоходный или укорачиваются ионокрафт , это воздушное судно , которое использует электрогидродинамику (ЭГД) , чтобы обеспечить подъем или тягу в воздухе , не требуя сгорания или двигающиеся части . Существующие конструкции не обеспечивают достаточной тяги для пилотируемого полета или полезных нагрузок.

История [ править ]

Истоки [ править ]

Принцип движения ионного ветра с помощью заряженных частиц, генерируемых короной, был открыт вскоре после открытия электричества со ссылками, датируемыми 1709 годом, в книге Фрэнсиса Хоксби под названием « Физико-механические эксперименты на различных предметах » .

Эксперименты с вертикальными подъемниками [ править ]

Американский экспериментатор Томас Таунсенд Браун провел большую часть своей жизни, работая над этим принципом, ошибочно полагая, что это антигравитационный эффект, который он назвал эффектом 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 примеры были в состоянии подъемника около грамм веса на ватт , [3] Это было недостаточно , чтобы поднять электропитание тяжелого высокого напряжения , необходимое, который остался на земле и поставляемый корабль через длинный, тонкие и гибкие провода.

Использование силовой установки EHD для подъемной силы изучалось американским авиаконструктором майором Александром Прокофьевым де Северским в 1950-х и 1960-х годах. Он подал патент на «ионный корабль» в 1959 году. [4] Он построил и пилотировал модель вертикального взлета и посадки, способную маневрировать вбок, изменяя напряжение, прикладываемое в различных областях, хотя тяжелый источник питания оставался внешним. [5]

2008 Wingless Электромагнитный Air Vehicle (WEAV), блюдце-образный ЭГД атлет с электродами внедренных по всей его поверхности, была исследована группой исследователей во главе с Subrata Рой в Университете штата Флорида в начале двадцать первого века. В двигательной установке применено множество инноваций, включая использование магнитных полей для повышения эффективности ионизации. Модель с внешним питанием достигла минимального отрыва и зависания. [6] [7]

Бортовая мощность [ править ]

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 развил достаточную тягу, чтобы быстро подняться или лететь горизонтально в течение нескольких минут. [10] [12]

В ноябре 2018 года первый автономный самолет с ионным двигателем, MIT EAD Airframe Version 2, пролетел 60 метров. Он был разработан группой студентов под руководством Стивена Барретта из Массачусетского технологического института . Он имел размах крыльев 5 метров и весил 2,45 кг. [13] Корабль был запущен с катапульты с помощью эластичной ленты, а система EAD поддерживала самолет в полете на малой высоте.

Принципы работы [ править ]

Ионная воздушная тяга - это метод создания потока воздуха с помощью электрической энергии без каких-либо движущихся частей. Из-за этого его иногда называют «твердотельным» накопителем. В его основе лежит принцип электрогидродинамики.

В своей основной форме он состоит из двух параллельных проводящих электродов , ведущего эмиттерного провода и нижнего коллектора. Когда такое устройство питается от высокого напряжения (в диапазоне киловольт на мм), эмиттер ионизирует молекулы в воздухе, которые ускоряются в обратном направлении к коллектору, создавая реактивную тягу . По пути эти ионы сталкиваются с электрически нейтральными молекулами воздуха и, в свою очередь, ускоряют их.

Эффект не зависит напрямую от электрической полярности, так как ионы могут быть заряжены положительно или отрицательно. Изменение полярности электродов не меняет направления движения, так как оно также меняет полярность ионов, несущих заряд. В любом случае тяга создается в одном и том же направлении. Для положительной короны первоначально создаются ионы азота , а для отрицательной полярности ионы кислорода являются основными первичными ионами. Ионы обоих этих типов немедленно привлекают множество молекул воздуха, чтобы создать молекулярные кластерные ионы [14] любого знака, которые действуют как носители заряда .

Современные двигатели EHD намного менее эффективны, чем обычные двигатели. [15]

В отличие от ракет с чисто ионными двигателями , принцип электрогидродинамики не применим в космическом вакууме. [16]

Электрогидродинамика [ править ]

Основная статья: Электрогидродинамика

Тяга, создаваемая устройством EHD, является примером эффекта Бифельда – Брауна и может быть получена путем модифицированного использования уравнения Чайлда – Ленгмюра . [17] Обобщенная одномерная обработка дает уравнение:

куда
  • F - результирующая сила.
  • I - электрический ток.
  • d - воздушный зазор.
  • k - подвижность ионов рабочей жидкости [18], измеряемая в ампер-сек 2 / кг в единицах СИ, но чаще описывается в единицах м 2  В -1  с -1. Типичное значение для воздуха при приземном давлении и температуре составляет 1,5 × 10 -4 м 2  В -1  с -1 ). [18]

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

Когда ионный крафт включен, коронирующий провод заряжается высоким напряжением , обычно между 20 и 50 кВ . Когда коронный разряд достигает примерно 30 кВ, молекулы воздуха поблизости ионизируются , отрывая от них электроны . 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 дрейфовой скоростью . Такая скорость зависит от длины свободного пробега между столкновениями, силы внешнего электрического поля и массы ионов и нейтральных молекул воздуха.

Тот факт, что ток переносится коронным разрядом (а не плотно ограниченной дугой ), 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 корабля, в соответствии с третьим законом 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.

На воздушную массу в зазоре между электродами многократно воздействуют возбужденные частицы, движущиеся 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 [ править ]

Как и в случае обычной реакции тяги, EAD тяга может быть направлена либо в горизонтальном направлении, чтобы привести неподвижное крыло самолета или вертикально , чтобы поддерживать активный подъемный корабль, который иногда называют как «подъемник».

Дизайн [ править ]

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 после эмиттера. Легкий изолирующий каркас поддерживает конструкцию. Эмиттер и коллектор должны быть как можно ближе друг к другу, то есть с узким воздушным зазором, чтобы достичь состояния насыщенного коронного тока, которое создает максимальную тягу. Однако, если эмиттер расположен слишком близко к коллектору, он имеет тенденцию образовывать дугу через зазор. [ необходима цитата ]

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

Эмиттер [ править ]

Эмиттерный провод обычно подключается к положительной клемме источника питания высокого напряжения. Как правило, он сделан из неизолированного проводящего провода небольшого сечения . Хотя можно использовать медную проволоку, она работает хуже, чем нержавеющая сталь . Точно так же более тонкий провод, такой как калибр 44 или 50, 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. [ необходима цитата ]

Эмиттер иногда называют «коронирующим проводом» из-за его тенденции излучать пурпурное свечение коронного разряда во время использования. [ необходима цитата ] Это просто побочный эффект ионизации.

Воздушный зазор [ править ]

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. [19]

Коллекционер [ править ]

Коллектор имеет форму, обеспечивающую гладкую эквипотенциальную поверхность под коронирующим проводом. Варианты этого включают проволочную сетку, параллельные проводящие трубки или юбку из фольги с гладким круглым краем. Острые края на юбке ухудшают характеристики, так как она генерирует ионы противоположной полярности по сравнению с ионами внутри толкающего механизма. [ необходима цитата ]

См. Также [ править ]

  • Двигатель на эффекте Холла
  • Ионный двигатель
  • Магнитоплазмодинамический двигатель
  • Плазменный актуатор

Ссылки [ править ]

  1. ^ Томпсон, Клайв (август 2003 г.). «Антигравитационное метро» . Проводной журнал .
  2. ^ Таймар, М. (2004). "Эффект Бифельда – Брауна: неправильная интерпретация явлений коронного ветра". Журнал AIAA . 42 (2): 315–318. Bibcode : 2004AIAAJ..42..315T . DOI : 10.2514 / 1.9095 .
  3. ^ Зависимость эффективности подъемника от скорости ионов "JL Naudin Lifter-3, импульсный HV 1,13 г / Вт". Архивировано 8 августа 2014 г.на Wayback Machine.
  4. ^ Патент США 3130945 , поданной 31 августа 1959, Опубликовано 28 апреля 1954.
  5. ^ Майор де Северский Ион Самоходный самолета . 122 . Популярная механика. Август 1964. С. 58–61.
  6. ^ Greenemeier, Ларри (7 июля 2008). «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. ASIN B01IKW9SES . AFRL-OSR-VA-TR-2012-0922.  
  8. ^ Борг, Ксавьер; «Полный анализ и проектные решения для двигателей EHD в условиях тока насыщенной короны» , The General Science Journal (непроверенный обзор), 2004 г., обновлено в 2006 г.
  9. ^ Гранадос, Виктор Х .; Пинейро, Марио Дж .; Са, Пауло А. (июль 2016 г.). «Электростатическая силовая установка для аэродинамических применений». Физика плазмы . 23 (7): 073514. Bibcode : 2016PhPl ... 23g3514G . DOI : 10.1063 / 1.4958815 .
  10. ^ a b «Изобретение самолета с ионным двигателем » . Фабрика «Звездная пыль» . 2019-02-27 . Проверено 15 августа 2019 . Изначально летающий аппарат поднимал свой источник питания прямо с земли без движущихся частей в 2006 году.
  11. ^ нас 10119527 
  12. ^ Видео на YouTube
  13. ^ Херн, Алекс (21.11.2018). «Первый в истории самолет без движущихся частей взлетает» . Хранитель . Проверено 25 ноября 2018 .
  14. Перейти ↑ Harrison, RG (2003). «Ионно-аэрозольно-облачные процессы в нижних слоях атмосферы» . Обзоры геофизики . 41 (3). DOI : 10.1029 / 2002rg000114 . ISSN 8755-1209 . 
  15. ^ Чен, Ангус. «Бесшумный и простой ионный двигатель приводит в движение самолет без движущихся частей» . Scientific American . Проверено 15 августа 2019 .
  16. ^ "Ионная тяга" (PDF) .
  17. ^ "Электрокинетические устройства в воздухе" (PDF) . Проверено 25 апреля 2013 .
  18. ^ а б Таммет, Х. (1998). «Снижение подвижности аэроионов до стандартных условий». Журнал геофизических исследований: атмосферы . 103 : 13933–13937. DOI : 10.1029 / 97JD01429 . ЛВП : 10062/50224 .
  19. ^ Мистерс, Коос; Терпстра, Вессель (02.12.2019). «Ионные двигатели и устойчивость» (PDF) . Проверено 3 декабря 2019 .

Источники [ править ]

  • Талли, Роберт Л. (май 1991 г.). Концепция движения двадцать первого века . Центр оборонной технической информации. OCLC  227770672 .
  • Таймар, М. (2000). «Экспериментальное исследование 5-мерных расходящихся токов как концепция связи гравитационного электромагнетизма». Материалы конференции AIP . AIP. 504 : 998–1003. DOI : 10.1063 / 1.1290898 .
  • Таймар, М. (февраль 2004 г.). "Эффект Бифельда-Брауна: неправильная интерпретация явлений коронного ветра". Журнал AIAA . 42 (2): 315–318. DOI : 10.2514 / 1.9095 . ISSN  0001-1452 .
  • Д. Р. Бюлер, Исследовательские исследования феномена движения высоковольтных конденсаторов . Журнал космического смешения, 2004 г.
  • FX Canning, C. Melcher, E. Winet, Асимметричные конденсаторы для двигателей . 2004 г.
  • GVi Stephenson Эффект Бифельда Брауна и глобальная электрическая цепь . Протоколы конференции AIP, 2005 г. [ мертвая ссылка ]

Внешние ссылки [ править ]

  • Электростатическая антигравитация на странице НАСА "Общие ошибки в двигательной установке"
  • НАСА: асимметричные конденсаторы для движения
  • ДеФеличе, Дэвид. «НАСА - Ионное движение: дальше, быстрее, дешевле» . www.nasa.gov . Проверено 15 августа 2019 .
  • Как сделать / построить подъемник или ионокрафт на YouTube