Ионный самолет

Самолет с ионным двигателем или ионопласт — это летательный аппарат , который использует электрогидродинамику (ЭГД) для обеспечения подъемной силы или тяги в воздухе, не требуя сгорания или движущихся частей . Современные конструкции не обеспечивают достаточной тяги для пилотируемого полета или полезной нагрузки.

История

Происхождение

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

Эксперименты СВВП «Лифтёр»

Американский экспериментатор Томас Таунсенд Браун провел большую часть своей жизни, работая над этим принципом, ошибочно полагая, что это эффект антигравитации , 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 обусловлен ЭГД. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

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

Использование ЭГД-движения для подъемной силы изучал американский авиаконструктор майор Александр Прокофьев де Северский в 1950-х и 1960-х годах. В 1959 году он подал патент на «ионокрафт». ^{[ 4 ]} Он построил и управлял моделью ионолета с вертикальным взлетом и посадкой, способной маневрировать вбок, изменяя напряжение, подаваемое в разных областях, хотя мощный источник питания оставался внешним. ^{[ 5 ]}

(WEAV) 2008 года Бескрылый электромагнитный летательный аппарат , EHD-подъемник в форме тарелки с электродами, встроенными по всей его поверхности, был изучен группой исследователей под руководством Субраты Роя из Университета Флориды в начале двадцать первого века. В двигательной системе использовано множество инноваций, в том числе использование магнитных полей для повышения эффективности ионизации. Модель с внешним питанием достигла минимального отрыва и зависания. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

Встроенная мощность

Источники питания XXI века легче и эффективнее. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]} Первым самолетом с ионным двигателем, который взлетал и летал с использованием собственного бортового источника питания, был самолет вертикального взлета и посадки, разработанный Итаном Крауссом из Electron Air в 2006 году. ^{[ 10 ]} Его патентная заявка была подана в 2014 году, а в 2017 году он получил микрогрант на поддержку своего проекта от Stardust Startups . ^{[ 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 командой студентов под руководством Стивена Барретта из Массачусетского технологического института . Он имел размах крыльев 5 метров и весил 2,45 кг. ^{[ 13 ]} Корабль запускался с помощью катапульты с использованием эластичной ленты, а система EAD поддерживала самолет в полете на малой высоте.

Принципы работы

Ионное воздушное движение — 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 базовой форме он состоит из двух параллельных проводящих электродов , ведущего эмиттерного провода и нисходящего коллектора. Когда такое устройство питается высоким напряжением (в диапазоне киловольт на мм), эмиттер ионизирует молекулы в воздухе, которые ускоряются назад к коллектору, создавая тягу 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 положительно или отрицательно заряжены. Изменение полярности электродов не меняет направления движения, поскольку меняет также полярность ионов, несущих заряд. В любом случае тяга создается в одном и том же направлении. При положительной короне азота изначально создаются ионы , а при отрицательной полярности основными первичными ионами являются ионы кислорода. Оба этих типа ионов немедленно притягивают различные молекулы воздуха, образуя молекулярные кластерные ионы. ^{[ 14 ]} любого знака, которые действуют как носители заряда .

Современные двигатели EHD гораздо менее эффективны, чем обычные двигатели. ^{[ 15 ]} Исследователь Массачусетского технологического института отметил, что ионные двигатели могут быть гораздо более эффективными, чем обычные реактивные двигатели. ^{[ 16 ]}

с чисто ионными двигателями В отличие от ракет , электрогидродинамический принцип не применим в космическом вакууме. ^{[ 17 ]}

Электрогидродинамика

Тяга, создаваемая устройством ЭГД, является примером эффекта Бифельда-Брауна и может быть получена путем модифицированного использования уравнения Чайлда-Лэнгмюра . ^{[ 18 ]} Обобщенная одномерная трактовка дает уравнение:

$F={\frac {Id}{k}}$ где

F – результирующая сила.
Я — электрический ток.
d – воздушный зазор.
k – подвижность ионов рабочей жидкости, ^{[ 19 ]} измеряется в А с ² кг ⁻¹ в единицах СИ, но чаще описывается в единицах м ² V ⁻¹ с ^−1. Типичное значение для воздуха при приземном давлении и температуре составляет 1,5×10. ⁻⁴ м ² V ⁻¹ с ⁻¹). ^{[ 19 ]}

Применительно к такому газу, как воздух, этот принцип также называется электроаэродинамикой (EAD).

Когда ионокрафт включен, коронирующий провод заряжается высоким напряжением , обычно от 20 до 50 кВ . Когда коронирующий провод достигает напряжения примерно 30 кВ, он заставляет находящиеся поблизости молекулы воздуха ионизироваться , отрывая от них электроны . При этом ионы отталкиваются от анода и притягиваются к коллектору, в результате чего большая часть ионов ускоряется к коллектору. Эти ионы движутся с постоянной средней скоростью, называемой скоростью дрейфа . Такая скорость зависит от длины свободного пробега между столкновениями, силы внешнего электрического поля, массы ионов и нейтральных молекул воздуха.

Тот факт, что ток переносится коронным разрядом (а не жестко ограниченной дугой ), означает, что движущиеся частицы диффундируют в расширяющееся ионное облако и часто сталкиваются с нейтральными молекулами воздуха. Именно эти столкновения и 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 ионопласта, в соответствии с Третьим законом движения Ньютона действуют равные и противоположные силы, поэтому ионокаттер движется в противоположном направлении с равной силой. Сила воздействия сравнима с легким ветерком. Результирующая тяга зависит от других внешних факторов, включая давление и температуру воздуха, состав газа, напряжение, влажность и расстояние между воздушным зазором.

На воздушную массу в зазоре между электродами неоднократно воздействуют возбужденные частицы, движущиеся с высокой скоростью дрейфа. При этом создается электрическое сопротивление, которое необходимо преодолеть. В результате попадания нейтрального воздуха в процесс происходит эффективный обмен импульса и, таким образом, создается тяга. Чем тяжелее и плотнее воздух, тем выше результирующая тяга.

Конфигурация самолета

Как и в случае с обычной реактивной тягой, тяга EAD может быть направлена либо горизонтально для привода с неподвижным крылом самолета , либо вертикально для поддержки подъемного корабля с механическим приводом, иногда называемого «подъемником».

Дизайн

Компоненты ионной двигательной установки, создающие тягу, состоят из трех частей; коронирующий провод или провод эмиттера, воздушный зазор и коллекторный провод или полоса после эмиттера. Легкий изоляционный каркас поддерживает конструкцию. Эмиттер и коллектор должны быть расположены как можно ближе друг к другу, т. е. с узким воздушным зазором, чтобы достичь состояния насыщенного коронного тока, обеспечивающего максимальную тягу. Однако, если эмиттер расположен слишком близко к коллектору, он имеет тенденцию образовывать дугу через зазор. ^{[ нужна ссылка ]}

Ионные двигательные системы требуют многих мер предосторожности из-за необходимого высокого напряжения.

Эмиттер

Эмиттерный провод обычно подключается к положительной клемме источника питания высокого напряжения. Обычно он изготавливается из голого проводящего провода небольшого сечения . Хотя можно использовать медную проволоку, она не работает так же хорошо, как нержавеющая сталь . Точно так же более тонкая проволока, такая как калибр 44 или 50 , имеет тенденцию превосходить более распространенные провода большего размера, такие как калибр 30, поскольку более сильное электрическое поле вокруг провода меньшего диаметра приводит к более низкому начальному напряжению ионизации и большему коронному току, как описано законом Пика . ^{[ 20 ]}

Излучатель иногда называют «коронирующим проводом» из-за его склонности излучать фиолетовое свечение коронного разряда во время использования. ^{[ нужна ссылка ]} Это просто побочный эффект ионизации.

Воздушный зазор

Воздушный зазор изолирует два электрода и позволяет ионам, генерируемым на эмиттере, ускоряться и передавать импульс нейтральным молекулам воздуха, прежде чем потерять свой заряд на коллекторе. Ширина воздушного зазора обычно составляет 1 мм/кВ. ^{[ 21 ]}

Коллекционер

Форма коллектора обеспечивает гладкую эквипотенциальную поверхность под коронирующим проводом. Варианты этого включают проволочную сетку, параллельные проводящие трубки или юбку из фольги с гладким закругленным краем. Острые края юбки снижают производительность, поскольку она генерирует ионы противоположной полярности по сравнению с ионами внутри толкающего механизма. ^{[ нужна ссылка ]}

См. также

Ссылки

^ Томпсон, Клайв (август 2003 г.). «Антигравитационное подземелье» . Проводной журнал .
^ Таймар, М. (2004). «Эффект Бифельда-Брауна: неправильная интерпретация явлений коронного ветра». Журнал АИАА . 42 (2): 315–318. Бибкод : 2004AIAAJ..42..315T . дои : 10.2514/1.9095 .
^ Зависимость эффективности подъемника от скорости ионов "JL Naudin's Lifter-3, импульсный HV 1,13 г / Вт". Архивировано 8 августа 2014 г. на Wayback Machine.
↑ Патент США № 3130945 , подан 31 августа 1959 г., опубликован 28 апреля 1954 г.
^ Ионный самолет майора де Северского . Том. 122. Популярная механика. Август 1964. стр. 58–61.
^ Гринмайер, Ларри (7 июля 2008 г.). «Первая в мире летающая тарелка: сделана прямо здесь, на Земле» . Научный американец .
^ Рой, Субрата; Арнольд, Дэвид; Лин, Дженшан; Шмидт, Тони; Линд, Рик; и др. (2011). Управление научных исследований ВВС; Университет Флориды (ред.). Демонстрация бескрылого электромагнитного летательного аппарата (PDF) (Отчет). Центр оборонной технической информации. АСИН B01IKW9SES . AFRL-OSR-VA-TR-2012-0922. Архивировано (PDF) из оригинала 17 мая 2013 года.
^ Борг, Ксавьер; «Полный анализ и проектные решения для двигателей EHD в условиях насыщенного коронного тока» , The General Science Journal (без рецензирования), 2004 г., обновление 2006 г.
^ Гранадос, Виктор Х.; Пиньейру, Марио Дж.; Са, Пауло А. (июль 2016 г.). «Электростатическая двигательная установка для аэродинамических применений». Физика плазмы . 23 (7): 073514. Бибкод : 2016ФПл...23г3514Г . дои : 10.1063/1.4958815 .
^ Jump up to: ^а ^б «Изобретение самолета с ионным двигателем» . Фабрика стартапов Stardust . 27 февраля 2019 г. Проверено 15 августа 2019 г. Впервые летающее устройство подняло источник питания прямо над землей, без движущихся частей, в 2006 году.
^ нам 10119527
^ Видео на YouTube
^ Херн, Алекс (21 ноября 2018 г.). «Первый в истории самолет без движущихся частей поднялся в воздух» . Хранитель . Проверено 25 ноября 2018 г.
^ Харрисон, Р.Г. (2003). «Ионно-аэрозольно-облачные процессы в нижних слоях атмосферы» . Обзоры геофизики . 41 (3): 1012. Бибкод : 2003RvGeo..41.1012H . дои : 10.1029/2002rg000114 . ISSN 8755-1209 . S2CID 123305218 .
^ Чен, Ангус. «Бесшумный и простой ионный двигатель приводит в движение самолет без движущихся частей» . Научный американец . Проверено 15 августа 2019 г.
^ «Ионные двигатели создают эффективное движение в воздухе» . ScienceDaily . 3 апреля 2013 года . Проверено 14 марта 2023 г. …В своих экспериментах они обнаружили, что ионный ветер производит тягу 110 ньютонов на киловатт по сравнению с 2 ньютонами на киловатт реактивного двигателя…
^ «Ионное движение» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 15 мая 2010 года.
^ «Электрокинетические устройства в воздухе» (PDF) . Проверено 25 апреля 2013 г.
^ Jump up to: ^а ^б Таммет, Х. (1998). «Приведение подвижности аэроионов к стандартным условиям». Журнал геофизических исследований: Атмосфера . 103 (Д12): 13933–13937. Бибкод : 1998JGR...10313933T . дои : 10.1029/97JD01429 . hdl : 10062/50224 .
^ Пик, ФРВ (1929). Диэлектрические явления в технике высокого напряжения . МакГроу-Хилл. LCCN 30000280 .
^ Мистерс, Коос; Терпстра, Вессель (2 декабря 2019 г.). «Ионные двигатели и устойчивое развитие» (PDF) . Проверено 3 декабря 2019 г.

Дальнейшее чтение

Талли, Роберт Л. (май 1991 г.). Концепция движения XXI века . Центр оборонной технической информации. OCLC 227770672 .
Таймар, М. (2000). «Экспериментальное исследование 5-D расходящихся токов как концепция взаимодействия гравитации и электромагнетизма». Материалы конференции AIP . 504 . АИП: 998–1003. Бибкод : 2000AIPC..504..998T . дои : 10.1063/1.1290898 .
Таймар, М. (февраль 2004 г.). «Эффект Бифельда-Брауна: неверная интерпретация явлений коронного ветра». Журнал АИАА . 42 (2): 315–318. Бибкод : 2004AIAAJ..42..315T . дои : 10.2514/1.9095 . ISSN 0001-1452 .
Д. Р. Бюлер, Исследовательское исследование явления движения высоковольтных конденсаторов . Журнал космического микширования, 2004 г.
FX Canning, C Melcher, E Winet, Асимметричные конденсаторы для силовых установок . 2004.
Г.Ви Стивенсон Эффект Бифельда-Брауна и глобальная электрическая цепь . Материалы конференции AIP, 2005 г. Архивировано 8 мая 2022 г. в Wayback Machine.

Внешние ссылки

Электростатическая антигравитация на . странице НАСА «Распространенные ошибки в двигательной установке»
НАСА: асимметричные конденсаторы для двигателей
ДеФеличе, Дэвид. «НАСА – Ионное движение: дальше, быстрее, дешевле» . www.nasa.gov . Архивировано из оригинала 11 ноября 2020 года . Проверено 15 августа 2019 г.
Как сделать/построить подъемник или ионокрафт на YouTube

[1] Томпсон, Клайв (август 2003 г.). «Антигравитационное подземелье» . Проводной журнал .

[2] Таймар, М. (2004). «Эффект Бифельда-Брауна: неправильная интерпретация явлений коронного ветра». Журнал АИАА . 42 (2): 315–318. Бибкод : 2004AIAAJ..42..315T . дои : 10.2514/1.9095 .

[3] Зависимость эффективности подъемника от скорости ионов "JL Naudin's Lifter-3, импульсный HV 1,13 г / Вт". Архивировано 8 августа 2014 г. на Wayback Machine.

[4] Патент США № 3130945 , подан 31 августа 1959 г., опубликован 28 апреля 1954 г.

[5] Ионный самолет майора де Северского . Том. 122. Популярная механика. Август 1964. стр. 58–61.

[Scientific_American-6] Гринмайер, Ларри (7 июля 2008 г.). «Первая в мире летающая тарелка: сделана прямо здесь, на Земле» . Научный американец .

[Roy_2011-7] Рой, Субрата; Арнольд, Дэвид; Лин, Дженшан; Шмидт, Тони; Линд, Рик; и др. (2011). Управление научных исследований ВВС; Университет Флориды (ред.). Демонстрация бескрылого электромагнитного летательного аппарата (PDF) (Отчет). Центр оборонной технической информации. АСИН B01IKW9SES . AFRL-OSR-VA-TR-2012-0922. Архивировано (PDF) из оригинала 17 мая 2013 года.

[8] Борг, Ксавьер; «Полный анализ и проектные решения для двигателей EHD в условиях насыщенного коронного тока» , The General Science Journal (без рецензирования), 2004 г., обновление 2006 г.

[9] Гранадос, Виктор Х.; Пиньейру, Марио Дж.; Са, Пауло А. (июль 2016 г.). «Электростатическая двигательная установка для аэродинамических применений». Физика плазмы . 23 (7): 073514. Бибкод : 2016ФПл...23г3514Г . дои : 10.1063/1.4958815 .

[:0-10] Jump up to: ^а ^б «Изобретение самолета с ионным двигателем» . Фабрика стартапов Stardust . 27 февраля 2019 г. Проверено 15 августа 2019 г. Впервые летающее устройство подняло источник питания прямо над землей, без движущихся частей, в 2006 году.

[11] нам 10119527

[12] Видео на YouTube

[13] Херн, Алекс (21 ноября 2018 г.). «Первый в истории самолет без движущихся частей поднялся в воздух» . Хранитель . Проверено 25 ноября 2018 г.

[14] Харрисон, Р.Г. (2003). «Ионно-аэрозольно-облачные процессы в нижних слоях атмосферы» . Обзоры геофизики . 41 (3): 1012. Бибкод : 2003RvGeo..41.1012H . дои : 10.1029/2002rg000114 . ISSN 8755-1209 . S2CID 123305218 .

[chen-15] Чен, Ангус. «Бесшумный и простой ионный двигатель приводит в движение самолет без движущихся частей» . Научный американец . Проверено 15 августа 2019 г.

[16] «Ионные двигатели создают эффективное движение в воздухе» . ScienceDaily . 3 апреля 2013 года . Проверено 14 марта 2023 г. …В своих экспериментах они обнаружили, что ионный ветер производит тягу 110 ньютонов на киловатт по сравнению с 2 ньютонами на киловатт реактивного двигателя…

[Brian_Dunbar-17] «Ионное движение» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 15 мая 2010 года.

[Leon_Tribe-18] «Электрокинетические устройства в воздухе» (PDF) . Проверено 25 апреля 2013 г.

[:1-19] Jump up to: ^а ^б Таммет, Х. (1998). «Приведение подвижности аэроионов к стандартным условиям». Журнал геофизических исследований: Атмосфера . 103 (Д12): 13933–13937. Бибкод : 1998JGR...10313933T . дои : 10.1029/97JD01429 . hdl : 10062/50224 .

[Peek,_F.W.-20] Пик, ФРВ (1929). Диэлектрические явления в технике высокого напряжения . МакГроу-Хилл. LCCN 30000280 .

[K._Meesters/_W._Terpstra-21] Мистерс, Коос; Терпстра, Вессель (2 декабря 2019 г.). «Ионные двигатели и устойчивое развитие» (PDF) . Проверено 3 декабря 2019 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]