Бескрылый электромагнитный летательный аппарат
Бескрылый электромагнитный летательный аппарат ( WEAV ) представляет собой летательную систему тяжелее воздуха , разработанную в Университете Флориды при финансовой поддержке Управления научных исследований ВВС . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] WEAV был изобретен в 2006 году доктором Субратой Роем . [ 4 ] физик плазмы, профессор аэрокосмической техники в Университете Флориды , обладатель нескольких патентов. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] В WEAV нет движущихся частей, и он сочетает в себе конструкцию самолета. двигательная установка, производство и хранение энергии, а также подсистемы управления в одной интегрированная система.
Рабочий механизм
[ редактировать ]В WEAV используется множество небольших электродов, покрывающих всю смачиваемую поверхность самолета, в схеме многобарьерного плазменного привода (MBPA), что является усовершенствованием по сравнению с системами двухэлектродного диэлектрического барьерного разряда (DBD), использующими несколько слоев диэлектрических материалов и питаемых электроды. [ 11 ] Эти электроды расположены очень близко друг к другу, поэтому окружающий воздух можно ионизировать с помощью ВЧ переменного тока высокого напряжения в несколько десятков киловольт даже при стандартном давлении в одну атмосферу . Образующаяся плазма содержит ионы , которые ускоряются силой Кулона с помощью электрогидродинамики (ЭГД) на малой высоте и малой скорости. Поверхность транспортного средства действует как электростатический жидкостный ускоритель, перекачивающий окружающий воздух в виде ионного ветра в радиальном направлении, а затем вниз, поэтому зона более низкого давления на верхней поверхности и зона более высокого давления под самолетом создают подъемную силу и тягу , обеспечивающие движение и устойчивость. [ 1 ] На большей высоте и для достижения более высоких скоростей также применяется магнитное поле , чтобы усилить столкновения между электронами и тяжелыми частицами в плазме и использовать более мощную массовую силу Лоренца для ускорения всех носителей заряда в одном направлении вдоль радиальной высокоскоростной струи. . [ 2 ] В самой ранней версии этого подхода, задокументированной Жаном-Луи Ноденом, использовался провод, изначально идущий от кабеля жесткого диска (он же провод 80/40) с переменным высоким напряжением на каждой паре, и это работает, но очень неэффективно по сравнению с новыми подходами, описанными выше. [ нужна ссылка ]
Новые технологии
[ редактировать ]Для достижения своей миссии исследования, связанные с WEAV, представили ряд конструкций плазменных приводов. В этом разделе освещены основные технологии.
Многобарьерные плазменные приводы
[ редактировать ]
Традиционная конструкция привода барьерного разряда с одним диэлектриком (DBD) состоит из двух электродов, разделенных одним диэлектрическим материалом. Большая работа была проделана по оптимизации конструкции и производительности единой конструкции DBD. [ 12 ] однако исследовательская работа продолжает улучшать характеристики этих приводов. Конструкция MBPA является расширением конструкции одиночного привода DBD, в которой введены дополнительные диэлектрические барьеры и электроды и, следовательно, дополнительные параметры конструкции. Исследования показывают, что конструкции MBPA могут обеспечить более высокую результирующую тягу и улучшенное соотношение тяги к мощности, чем конструкция привода с одним DBD. [ 11 ] [ 13 ] [ 14 ] Выборочные испытания двухслойной конструкции MBPA продемонстрировали увеличение эффективности примерно на 40% по сравнению с традиционной однослойной конструкцией. [ 2 ] [ 13 ]
Змеевидные приводы
[ редактировать ]В WEAV использовались плазменные приводы со змеевидной геометрией для полностью трехмерного управления потоком, которые сочетают в себе эффекты линейного привода и синтетической плазменной струи. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] Из-за периодической геометрии змеевидной конструкции происходит защемление и распространение окружающего воздуха вдоль привода. [ 18 ] Следовательно, змеевидные приводы генерируют завихрение как по размаху, так и по потоку, что приводит к уникальным структурам потока, которые не воспроизводятся обычными плазменными приводами с линейной геометрией. [ нужна ссылка ]
Микроприводы
[ редактировать ]
Экспериментальные результаты и численное моделирование показывают, что за счет сокращения зазора между электродами до микронного размера, [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] плотность электрической силы в области разряда увеличивается как минимум на порядок, а мощность, необходимая для плазменного разряда, снижается на порядок. Следовательно, с этими так называемыми микроактуаторами можно использовать физически меньшие и более легкие источники питания. Исследования показали, что скорости, индуцированные микромасштабным плазменным актуатором, на каждый актуатор сопоставимы со стандартными, макромасштабными аналогами, хотя и с на порядок меньшей тягой. [ 2 ] Однако из-за снижения требований к мощности микромасштабных плазменных актуаторов эксперименты предполагают эффективное макроскопическое управление потоком с помощью больших массивов микромасштабных плазменных актуаторов. [ 22 ] [ 23 ]
Новые материалы
[ редактировать ]В дополнение к экспериментальным конструкциям и геометрии плазменных приводов WEAV исследовал характеристики большого количества изоляционных материалов для использования в диэлектрическом барьерном слое, включая гибкие материалы, такие как силиконовый каучук и сегнетоэлектрический модифицированный цирконат-титанат свинца (PZT) и кремнеземный аэрогель. . [ 24 ]
| Материал | Толщина (мкм) |
|---|---|
| Акрил | 500, 1000, 3000 |
| Цирлекс | 254, 2540 |
| ПДМС (полидиметилсилоксан) | ~1000 |
| Силиконовая резина (высокая чистота) | 127 |
| Торлон | 250 |
| ЦТС | 3000 |
| Кремнезем Аэрогель | 6000 |
Взлет
[ редактировать ]
Ранний прототип WEAV был способен поддерживать полет на высоте нескольких миллиметров над землей в течение примерно 3 минут. Прототипы различных радиусов также были успешно испытаны, что свидетельствует о масштабируемости конструкции. [ нужна ссылка ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Гринмайер, Ларри (7 июля 2008 г.). «Первая в мире летающая тарелка: сделана прямо здесь, на Земле» . Научный американец .
- ^ Перейти обратно: а б с д Рой, Субрата; Арнольд, Дэвид; Лин, Дженшан; Шмидт, Тони; Линд, Рик; и др. (20 декабря 2011 г.). 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 г.
- ^ Таунсенд, Элли (1 июля 2009 г.). «НАСА бросается на патент на плазменную технологию НЛО» . Популярная механика .
- ^ «Кафедра машиностроения и аэрокосмической техники Университета Флориды» .
- ^ Патент США 8382029 , Субрата Рой, «Бескрылый парящий микровоздушный аппарат», выдан 26 февраля 2013 г., передан Исследовательскому фонду Университета Флориды Inc.
- ^ Патент США 8960595 , Субрата Рой, «Бескрылый парящий микровоздушный аппарат», выдан 24 февраля 2015 г., передан Исследовательскому фонду Университета Флориды Inc.
- ^ Патент Гонконга № 1129642B, выданный 29 июня 2012 г.
- ^ Патент Китая ZL200780036093.1, выданный 19 октября 2011 г.
- ^ Европейский патент EP 2046640, выданный 12 октября 2011 г.
- ^ Патент Японии №. 5 220 742 выдано 15 марта 2013 г.
- ^ Перейти обратно: а б Дуршер, Райан; Рой, Субрата (январь 2011 г.). «О многобарьерных плазменных приводах» (PDF) . АИАА 2011-958 . 49-е совещание AIAA по аэрокосмическим наукам, включая форум «Новые горизонты» и аэрокосмическую выставку. Орландо, Флорида. дои : 10.2514/6.2011-958 .
- ^ Корк, Томас; Энло, Синтия; Уилкинсон, Стивен (1 января 2010 г.). «Плазменные приводы с диэлектрическим барьерным разрядом для управления потоком». Ежегодный обзор механики жидкости . 42 (1): 505–529. Бибкод : 2010AnRFM..42..505C . doi : 10.1146/annurev-fluid-121108-145550 .
- ^ Перейти обратно: а б Дуршер, Райан; Рой, Субрата (январь 2010 г.). «Новые многобарьерные плазменные приводы повышенной тяги». АИАА 2010-965 . 48-е совещание AIAA по аэрокосмическим наукам, включая форум «Новые горизонты» и аэрокосмическую выставку. Орландо, Флорида. дои : 10.2514/6.2010-965 .
- ^ Эрфани Р., Заре-Бехташ Х., Хейл С., Контис К. (19 января 2015 г.). «Разработка плазменных приводов DBD: электрод с двойной капсулой» . Акта Астронавтика . 109 : 132–143. Бибкод : 2015AcAau.109..132E . дои : 10.1016/j.actastro.2014.12.016 .
- ^ Рой С., Ван CC (31 декабря 2008 г.). «Модификация объемного потока с помощью подковообразных и змеевидных плазменных приводов». Журнал физики D: Прикладная физика . 42 (3): 032004. doi : 10.1088/0022-3727/42/3/032004 . S2CID 31538819 .
- ^ Рот Дж., Шерман Д., Уилкинсон С. (7 июля 2000 г.). «Электрогидродинамическое управление потоком с помощью поверхностной плазмы тлеющего разряда». Журнал АИАА . 38 (7): 1166–1172. Бибкод : 2000AIAAJ..38.1166R . дои : 10.2514/2.1110 .
- ^ Сантанакришнан А., Джейкоб Дж. (19 января 2007 г.). «Управление потоком с помощью плазменных синтетических струйных приводов». Журнал физики D: Прикладная физика . 40 (3): 637–651. Бибкод : 2007JPhD...40..637S . дои : 10.1088/0022-3727/40/3/s02 . S2CID 121639330 .
- ^ Дуршер Р., Рой С. (4 января 2012 г.). «Трехмерные измерения потока, вызванного змеевидными плазменными приводами в спокойном воздухе». Журнал физики D: Прикладная физика . 45 (3): 035202. Бибкод : 2012JPhD...45c5202D . дои : 10.1088/0022-3727/45/3/035202 . S2CID 122030906 .
- ^ Зито Дж., Дуршер Р., Сони Дж., Рой С., Арнольд Д. (8 мая 2012 г.). «Создание потока и силы с использованием приводов разряда с диэлектрическим барьером микронного размера» . Письма по прикладной физике . 100 (19): 193502. Бибкод : 2012ApPhL.100s3502Z . дои : 10.1063/1.4712068 .
- ^ Ван CC, Рой С. (10 июля 2009 г.). «Микромасштабные плазменные приводы для повышения плотности тяги». Журнал прикладной физики . 106 (1): 013310–013310–7. Бибкод : 2009JAP...106a3310W . дои : 10.1063/1.3160304 . S2CID 119803236 .
- ^ Ван CC, Рой С. (28 августа 2009 г.). «Формирование потока с помощью трехмерного микромасштабного газового разряда». Письма по прикладной физике . 95 (8): 081501. Бибкод : 2009ApPhL..95х1501W . дои : 10.1063/1.3216046 . S2CID 122606897 .
- ^ Пескини Э., Де Джорджи М., Франчиозо Л., Шольти А., Фикарелла А. (май 2014 г.). «Влияние плазменного привода микродиэлектрического барьерного разряда на спокойный поток» . IET Наука, измерения и технологии . 8 (3): 135–142. дои : 10.1049/iet-smt.2013.0131 . S2CID 110753749 .
- ^ Аоно Х., Ямакава С., Ивамура К., Хонами С., Исикава Х. (17 мая 2017 г.). «Микродиэлектрические барьерные плазменные приводы прямого и изогнутого типа для активного управления потоком». Экспериментальная тепловая и гидрологическая наука . 88 : 16–23. doi : 10.1016/j.expthermflusci.2017.05.005 .
- ^ Дуршер Р., Рой С. (9 декабря 2011 г.). «Аэрогели и сегнетоэлектрические диэлектрические материалы для плазменных приводов». Журнал физики D: Прикладная физика . 45 (1): 012001. doi : 10.1088/0022-3727/45/1/012001 . S2CID 122128615 .
