Гидравлика
Гидравлическая логика , или жидкостная логика , представляет собой использование жидкости для выполнения аналоговых или цифровых операций, аналогичных тем, которые выполняются с помощью электроники .
Физической основой гидродинамики являются пневматика и гидравлика , основанные на теоретических основах гидродинамики . Термин «струйная техника» обычно используется, когда устройства не имеют движущихся частей , поэтому обычные гидравлические компоненты, такие как гидравлические цилиндры и золотниковые клапаны, не считаются и не называются жидкостными устройствами.
Струя жидкости может быть отклонена более слабой струей, ударяющей в нее сбоку. Это обеспечивает нелинейное усиление , аналогичное транзистору, используемому в электронной цифровой логике. Он используется в основном в средах, где электронная цифровая логика ненадежна, например, в системах, подверженных высоким уровням электромагнитных помех или ионизирующего излучения .
Нанотехнологии рассматривают струйную технику как один из своих инструментов. В этой области такие эффекты, как силы на границе раздела жидкость-твердое тело и жидкость-жидкость, часто имеют большое значение. Гидравлическая техника также использовалась в военных целях.
История
[ редактировать ]В 1920 году Никола Тесла запатентовал клапанный трубопровод или клапан Теслы , который работает как жидкостный диод. Это был негерметичный диод, т.е. обратный поток не равен нулю при любой приложенной разнице давлений. Лампа Теслы также имела нелинейный отклик, поскольку ее диодность зависела от частоты. Его можно использовать в жидкостных цепях, таких как двухполупериодный выпрямитель, для преобразования переменного тока в постоянный. [1] В 1957 году Билли М. Хортон из лаборатории Гарри Даймонда (которая позже стала частью армейской исследовательской лаборатории ) впервые высказал идею создания жидкостного усилителя, когда он понял, что может перенаправить направление дымовых газов с помощью небольшого сильфона. . [2] Он предложил теорию взаимодействия потоков, заявив, что можно добиться усиления, отклоняя поток жидкости другим потоком жидкости. В 1959 году Хортон и его коллеги, доктор Р. Э. Боулз и Рэй Уоррен, сконструировали семейство работающих вихревых усилителей из мыла, линолеума и дерева. [3] Их опубликованный результат привлек внимание нескольких крупных отраслей промышленности и вызвал всплеск интереса к применению гидродинамики (тогда называемого гидродинамической амплификацией) в сложных системах управления, который продолжался на протяжении 1960-х годов. [4] [5] Хортону приписывают разработку первого устройства управления гидроусилителем и открытие области гидродинамики. [6] В 1961 году Хортон, Уоррен и Боулз были среди 27 лауреатов, получивших первую армейскую премию за достижения в области исследований и разработок за разработку устройства управления жидкостным усилителем. [7]
Логические элементы
[ редактировать ]Можно построить логические вентили , в которых для питания функции вентиля используется вода вместо электричества. Для их правильной работы требуется расположение в одной ориентации. Вентиль ИЛИ — это просто две соединяющиеся трубы, а вентиль НЕ (инвертор) состоит из «А», отклоняющего поток подачи для производства À. На схеме изображены вентили AND и XOR. Инвертор также может быть реализован с использованием логического элемента XOR, поскольку A XOR 1 = À. [8]
Другой вид жидкостной логики — пузырьковая логика . Пузырьковые логические элементы сохраняют количество битов, входящих и выходящих из устройства, поскольку пузырьки не создаются и не уничтожаются в ходе логической операции, аналогично с бильярдным шаром . компьютерным воротам [9]
Компоненты
[ редактировать ]Усилители
[ редактировать ]
В гидроусилитель подача жидкости, которой может быть воздух, вода или гидравлическая жидкость , поступает снизу. Давление, приложенное к портам управления C1 или C2 , отклоняет поток, так что он выходит через порт O1 или O2 . Поток, поступающий в порты управления, может быть значительно слабее отклоняемого потока, поэтому устройство имеет коэффициент усиления .
Это базовое устройство можно использовать для создания других элементов жидкостной логики, а также жидкостных генераторов , которые можно использовать аналогично триггерам . [10] Таким образом, можно построить простые системы цифровой логики.
Гидравлические усилители обычно имеют полосу пропускания в диапазоне низких килогерц , поэтому системы, построенные на их основе, работают довольно медленно по сравнению с электронными устройствами.
Триоды
[ редактировать ]Был изобретен жидкостный триод , устройство усиления , использующее жидкость для передачи сигнала , а также жидкостные диоды, жидкостный генератор и множество гидравлических «схем», включая ту, которая не имеет электронного аналога. [11]
Использование
[ редактировать ]Компьютер MONIAC, на жидкостной основе, построенный в 1949 году, представлял собой аналоговый компьютер который использовался для обучения экономическим принципам, поскольку он мог воссоздавать сложные симуляции, которые в то время не могли делать цифровые компьютеры. От двенадцати до четырнадцати домов было построено и приобретено предприятиями и учебными заведениями.
Компьютер FLODAC был построен в 1964 году как доказательство концепции жидкостного цифрового компьютера . [12]
Гидравлические компоненты присутствуют в некоторых гидравлических и пневматических системах, в том числе в некоторых автомобильных автоматических трансмиссиях . По мере того как электронная цифровая логика стала более широко применяться в промышленном управлении, роль струйной техники в промышленном управлении снизилась.
На потребительском рынке растет популярность и присутствие продуктов с жидкостным управлением, которые устанавливаются в самые разные предметы: от игрушечных распылителей до душевых насадок и форсунок для гидромассажных ванн; все они создают колеблющиеся или пульсирующие потоки воздуха или воды. ткани с поддержкой логики для применения в носимых технологиях . Также были исследованы [13]
Гидравлическую логику можно использовать для создания клапана без движущихся частей, например, в некоторых наркозных аппаратах . [14]
Гидравлические генераторы использовались при разработке аппаратов искусственной вентиляции легких, запускаемых по давлению и предназначенных для 3D-печати , для борьбы с пандемией COVID-19 . [15] [16] [17]
Гидравлические усилители используются для генерации ультразвука для неразрушающего контроля путем быстрого переключения сжатого воздуха с одного выхода на другой. [18]
Система жидкостного усиления звука была продемонстрирована в синагоге, где обычное электронное усиление звука невозможно использовать по религиозным соображениям. [19] [20]
В настоящее время исследуются возможности использования впрыска жидкости в самолетах для управления направлением двумя способами: управление циркуляцией и управление вектором тяги . В обоих случаях более крупные и сложные механические детали заменяются жидкостными системами, в которых большие силы в жидкостях периодически отклоняются меньшими струями или потоками жидкости, чтобы изменить направление движения транспортных средств. При управлении циркуляцией вблизи задних кромок крыльев системы управления полетом самолета , такие как элероны , рули высоты , элевоны , закрылки и флапероны , заменяются отверстиями, обычно рядами отверстий или удлиненными щелями, из которых выбрасываются потоки жидкости. [21] [22] [23] При векторе тяги в соплах реактивных двигателей поворотные части заменены отверстиями, нагнетающими потоки жидкости в струи. [24] Такие системы отвлекают тягу за счет воздействия жидкости. Испытания показывают, что воздух, попадающий в струю выхлопных газов реактивного двигателя, может отклонять тягу до 15 градусов. [24] В таких случаях струйная техника желательна из-за меньших: массы, стоимости (меньше до 50%), сопротивления (меньше до 15% во время использования), инерции (для более быстрого и сильного реагирования на управление), сложности (механически проще, меньше или нет). движущиеся части или поверхности, меньше обслуживания) и радиолокационная эффективность для малозаметности . [25] [26] Вероятно, он будет использоваться во многих беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), истребителях 6-го поколения и кораблях .
По состоянию на 2023 год [update]Известно, что по крайней мере две страны исследуют жидкостный контроль. В Великобритании компания BAE Systems провела испытания двух беспилотных летательных аппаратов с жидкостным управлением, один из которых стартовал в 2010 году под названием Demon , [27] [28] и еще один, начавшийся в 2017 году, под названием MAGMA, при Манчестерском университете . [29] В Соединенных Штатах Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США ( DARPA программа ) под названием «Управление революционными самолетами с помощью новых эффекторов» (CRANE) направлена на «...спроектировать, построить и провести летные испытания нового самолета X-plane, который включает в себя активное управление потоком воздуха (CRANE). AFC) в качестве основного конструктивного решения... В 2023 году самолет получил официальное обозначение X-65». [30] [31] Зимой 2024 года началось строительство на Boeing дочерней компании Aurora Flight Sciences . [32] Летом 2025 года должны начаться летные испытания. [32]
Octobot , прототип мягкотелого с мягким телом автономного робота , содержащий микрофлюидную логическую схему , созданный в 2016 году, был разработан исследователями из университета Гарвардского Института биологической инженерии Висса . [33]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Нгуен, Куинь; Абуэзи, Джоанна; Ристроф, Лейф (17 мая 2021 г.). «Ранняя турбулентность и пульсирующие потоки усиливают диодичность макрожидкостного клапана Теслы» . Природные коммуникации . 12 (12): 2884. arXiv : 2103.17222 . Бибкод : 2021NatCo..12.2884N . дои : 10.1038/s41467-021-23009-y . ПМЦ 8128925 . ПМИД 34001882 .
- ^ МакКетта, Джон (21 ноября 1985 г.). Энциклопедия химической обработки и проектирования: Том 23 – Поток жидкости . ЦРК Пресс. п. 28. ISBN 9780824724733 .
- ^ Брэдбери, Уилбур (19 мая 1967 г.). Люси, Генри (ред.). «Просроченная идея, записанная в блокнот» . Жизнь . Время . стр. 115–116.
- ^ Джойс, Джеймс В. (август 1983 г.). «Гидравлика: основные компоненты и приложения» . Центр оборонной технической информации . Мэриленд. Архивировано из оригинала 11 декабря 2021 г. Проверено 10 июля 2018 г.
- ^ Готтрон, Р.; Кумар, В.; Коррадо, А. (август 1975 г.). «Гидравлические приложения в Северной Америке» . Тома трудов МФБ . 8 (1): 531–538. дои : 10.1016/S1474-6670(17)67511-6 .
- ^ "Люди". IEEE-спектр . 12 (4): 108–109. Апрель 1975 г. doi : 10.1109/MSPEC.1975.6368799 .
- ^ «CRD объявляет победителей 22 наград за достижения в области НИОКР» (PDF) . Журнал армейских исследований и разработок . Том. 2, нет. 8. Август 1961 года . Проверено 10 июля 2018 г.
- ^ Бликштейн, Пауло. «Программируемая вода: вычисления – это не только электроника» . Консультация Бликштейна . Стэнфордский университет . Проверено 23 июня 2019 г.
- ^ Пракаш, Ману (8 февраля 2007 г.). «Ману Пракаш: Исследование: пузырьковая логика» . Массачусетский технологический институт (MIT). Архивировано из оригинала 26 января 2012 г. Проверено 23 июня 2019 г.
- ^ Тесарж, Вацлав (09.08.2019). «Схемы задержки времени для жидкостных генераторов и формирователей импульсов» . Энергии . 12 (16): 3071. дои : 10.3390/en12163071 . ISSN 1996-1073 .
- ^ Стонг, CL (август 1962 г.). «Ученый-любитель. Как потоки воды можно использовать для создания аналогов электронных ламп и схем» . Научный американец . стр. 128–138 . Проверено 28 апреля 2020 г.
- ^ «Материалы осенней совместной компьютерной конференции» (PDF) . 1964. стр. 631–641.
- ^ Раджаппан, Ануп; Жюме, Барклай; Шведа, Рэйчел А.; Декер, Колтер Дж.; Лю, Чжэнь; Да, Те Фэй; Санчес, Ванесса; Престон, Дэниел Дж. (30 августа 2022 г.). «Текстиль с поддержкой логики» . Труды Национальной академии наук . 119 (35): e2202118119. Бибкод : 2022PNAS..11902118R . дои : 10.1073/pnas.2202118119 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 9436326 . ПМИД 35994641 .
- ^ Мейер, Джеймс А.; Джойс, Джеймс В. (1968). «Жидкостный усилитель и его применение в медицинских приборах». Анестезия и анальгезия . 47 (6): 710–716. дои : 10.1213/00000539-196811000-00015 . ПМИД 5247311 . S2CID 28322668 .
- ^ «3D-печатный аппарат искусственной вентиляции легких с открытым исходным кодом для медицинских целей» . Проверено 28 апреля 2020 г.
- ^ «Всемирный вентилятор» . Проверено 28 апреля 2020 г.
- ^ «Волонтеры разрабатывают аппарат искусственной вентиляции легких, который можно распечатать на 3D-принтере, на основе конструкции армии США 1965 года» . 09.04.2020 . Проверено 28 апреля 2020 г.
- ^ Бюлинг, Бенджамин; Странгфельд, Кристоф; Маак, Стефан; Швейцер, Торге (01 апреля 2021 г.). «Экспериментальный анализ акустического поля ультразвукового импульса, индуцированного жидкостным переключателем» . Журнал Акустического общества Америки . 149 (4): 2150–2158. Бибкод : 2021ASAJ..149.2150B . дои : 10.1121/10.0003937 . ISSN 0001-4966 . ПМИД 33940860 . S2CID 233568721 .
- ^ Джевецкий, Тадеуш М. (3 декабря 1996 г.). «Акусто-флюидное усиление звука для ортодоксальных еврейских культовых помещений» . Статьи по акустике светского языка . Акустическое общество Америки . Проверено 23 апреля 2024 г.
- ^ Штраус, Стивен (1 февраля 1997 г.). «Кошерный звук» . Обзор технологий Массачусетского технологического института . Проверено 23 апреля 2024 г.
- ^ Джон, П. (2010). «Программа комплексных промышленных исследований безлопаточных летательных аппаратов (FLAVIR) в авиационной технике» . Труды Института инженеров-механиков, Часть G: Журнал аэрокосмической техники . 224 (4). Лондон: Публикации машиностроения: 355–363. дои : 10.1243/09544100JAERO580 . hdl : 1826/5579 . ISSN 0954-4100 . S2CID 56205932 . Архивировано из оригинала 17 мая 2018 г.
- ^ «Витрина БПЛА демонстрирует безлоскутный полет» . БАЕ Системс. 2010. Архивировано из оригинала 7 июля 2011 г. Проверено 22 декабря 2010 г.
- ^ «БПЛА-демон вошел в историю, летая без закрылков» . Metro.co.uk . Лондон: Associated Newspapers Limited. 28 сентября 2010 г.
- ^ Перейти обратно: а б Ягл, ПиДжей; Миллер, Д.Н.; Джинн, КБ; Хамстра, JW (2001). «Демонстрация перекоса жидкостного горла для векторизации тяги в конструктивно закрепленных соплах» . Журнал техники газовых турбин и энергетики . 123 (3): 502–508. дои : 10.1115/1.1361109 .
- ^ Уппал, Рахеш (3 марта 2022 г.). «Активное управление потоком для самолетов-невидимок и дронов» . Международная оборона, безопасность и технологии (IDST) . Проверено 30 мая 2023 г.
- ^ Делаем самолеты менее заметными (видео). Европа, США: Организация Североатлантического договора (НАТО). 03.08.2018 . Проверено 30 мая 2023 г.
- ^ Кристофер, Домбровский (05 октября 2010 г.). «Новый испытательный самолет летает без рулей» . Арс Техника . Группа проводных медиа . Проверено 21 июня 2019 г.
- ^ Акс, Дэвид (13 февраля 2019 г.). «Бомбардировщики F-22 и B-2 устарели: грядет новое поколение суперстелсов» . Национальный интерес . Центр национальных интересов . Проверено 21 июня 2019 г.
- ^ «Успешное завершение первых летных испытаний беспилотного летательного аппарата МАГМА» . БАЕ Системс . 13 декабря 2017 г. Проверено 21 июня 2019 г.
- ^ Влезиен, Ричард. «Управление революционными самолетами с помощью новых эффекторов (CRANE)» . Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов ( DARPA ) . Проверено 4 октября 2023 г.
- ^ Тримбл, Стив (16 мая 2023 г.). «DARPA получило обозначение X-65 для эксперимента с активным потоком» . Неделя авиации и космических технологий . Проверено 4 октября 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б Смит, Кармен (3 января 2024 г.). «Аврора начинает создание полномасштабного самолета X-Plane с активным управлением потоком» . Aurora Flight Sciences , Boeing (Пресс-релиз) . Проверено 1 февраля 2024 г.
- ^ Берроуз, Лия (2016). «Первый автономный, полностью мягкий робот» . Проверено 12 июня 2019 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Белстирлинг, Чарльз А. (1971). Проектирование гидравлических систем . Уайли.
- Лал, Джагдиш (1963). «Гидравлика». Столичная книга. ASIN B0007IWSX2 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - О. Лью Вуд (июнь 1964 г.). «Устройство чистой жидкости». Машиностроение : 154–180.
- Тарумото, EF; Хамфри, Д.Х. (1965). «Флюидика». Fluid Amplifier Associates, Inc. ASIN B000HBV114 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - Боулз, RE; Декстер, EM (октябрь 1965 г.). «Второе поколение приложений для гидравлических систем». Симпозиум по жидкостной амплификации: 213.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - Фитч-младший, Эрнест К. (1966). Плавная логика . Университет штата Оклахома .
- Браун, Форбс Т. (1967). Достижения в области гидродинамики . Американское общество инженеров-механиков. АСИН B000I3ZC7K .
- Фостер, Кеннет (1970). Гидродинамика: компоненты и схемы . Джон Уайли и сыновья. ISBN 9780471267706 .
- Лал, Джагдиш (1975). «Гидравлические машины». Столичная книга. АСИН B000HBV114 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - Конвей, Артур, изд. (1971). Руководство по гидродинамике . Американский Эльзевир. ISBN 978-0-44419601-9 .
- Патент США 3 417 770
- Патент США 3 495 253
- Патент США 3 503 410
- Патент США 3612085
- Патент США 4 854 176
- FLODAC — цифровой компьютер на чистой жидкости: патент США № 3 190 554.
- Стэнли В. Ангрист: Устройства контроля жидкости. В: Scientific American , декабрь 1964 г., стр. 80–88. [1]
- О. Лью Вуд (июнь 1964 г.). «Устройство чистой жидкости». Машиностроение : 154–180.
- Пневматические логические элементы 1969 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Гидравлическая техника: как они научили поток воздуха думать, стр. 118–121, 196.197, иллюстрируя несколько конструкций переключателей и обсуждая их применение. Отсканированная статья доступна в Интернете в Google Книгах: Popular Science , июнь 1967 г.
- Визуализация поля течения жидкостного осциллятора
