Samolot o napędzie jonowym to statek powietrzny wykorzystujący elektrohydrodynamikę (EHD) do podnoszenia lub napędzania powietrza bez konieczności stosowania elementów spalania lub ruchomych części.
Ilustracja: Tworzenie typowej płaszczyzny jonów
Obecne projekty tego typu samolotów nie zapewniają wystarczającego ciągu dla lotów z załogą ludzką lub ładunków.
Zasada dryfu wiatru jonowego z naładowanymi cząstkami wytwarzanymi przez koronę została odkryta wkrótce po odkryciu wzmianek o elektryczności w 1709 roku w książce Francisa Hawksby’ego zatytułowanej Physical and Mechanical Experiments on Different Przedmioty.
Testy „liftingowe” VTOL
Amerykański eksperymentator Thomas Townsend Brown spędził większość swojego życia pracując nad tą zasadą, błędnie zakładając, że jest to efekt antygrawitacyjny, który nazwał efektem Beefelda-Browna. Ponieważ jego maszyny generowały ciąg w kierunku nachylenia pola, niezależnie od kierunku grawitacji i nie działały w próżni, inni pracownicy zdali sobie sprawę, że efekt ten jest spowodowany EHD.
Samoloty jonowe VTOL są czasami nazywane „windami”. Prototypy mogły unieść około jednego grama masy na wat, co nie wystarczyło do uniesienia zasilacza wysokiego napięcia, który pozostawał na ziemi i zasilał samolot długimi, cienkimi, elastycznymi przewodami.
Zastosowanie napędu EHD w windach badał amerykański projektant samolotów, major Alexander Prokofieff de Seversky, w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku. W 1959 roku złożył patent na śpiew. Zbudował i oblatał model samolotu jonowego VTOL, który potrafił manewrować w bok, zmieniając napięcia przyłożone w różnych obszarach. Jednak ciężki zasilacz pozostał zewnętrzny.
Bezskrzydły elektromagnetyczny pojazd powietrzny 2008 (WEAV), winda EHD w kształcie spodka z elektrodami osadzonymi na powierzchni, została opracowana przez zespół naukowców kierowany przez Subratę Roy z Uniwersytetu Florydy na początku XXI wieku. Studiowano. W układzie napędowym zastosowano wiele innowacji, w tym pola magnetyczne, w celu zwiększenia wydajności jonizacji. Model ze źródłem zewnętrznym osiągnął minimum wymagane do wznoszenia się i pływania.
Samowystarczalność
Zasilacze XXI wieku są lżejsze i bardziej wydajne. Pierwszym samolotem o napędzie jonowym, który wystartował i poleciał dzięki wewnętrznemu zasilaniu, był samolot VTOL opracowany przez Etrona Kraussa z Electron Air w 2006 roku. Jego wniosek patentowy został złożony w 2014 roku, a w 2017 roku otrzymał mikrogrant od Stardust Startupy, które wesprą jego projekt. Samolot zapewnił wystarczający ciąg, aby szybko wystartować lub latać poziomo przez kilka minut.
W listopadzie 2018 r. pierwszy samobieżny samolot ze skrzydłami stałojonowymi, MIT EAD Airframe Version 2, przeleciał 60 metrów. Samolot został opracowany przez zespół studentów pod kierunkiem Stevena Barretta z Massachusetts Institute of Technology. Jego rozpiętość skrzydeł wynosiła 5 metrów, a waga 2,45 kg. Samolot wystrzelono za pomocą katapulty za pomocą gumki, a system EAD utrzymywał samolot w locie na niskim poziomie.
Zasady działania
Jonowy napęd powietrzny to technika wytwarzania przepływu powietrza za pomocą energii elektrycznej bez użycia jakichkolwiek ruchomych części. Z tego powodu czasami określa się go mianem dryfu „stałego”. Opiera się to na zasadach elektrohydrodynamiki.
Jego pierwotna forma składa się z dwóch równoległych elektrod przewodzących, prowadzącego drutu emitera i kolektora znajdującego się za nim. Kiedy taki układ jest zasilany wysokim napięciem (w zakresie kilowoltów na milimetr), emiter jonizuje cząsteczki znajdujące się w powietrzu, które przyspieszają wstecz w kierunku kolektora i w odpowiedzi wytwarzają siłę napędową. Po drodze jony te zderzają się z elektrycznie obojętnymi cząsteczkami powietrza, przyspieszając je.
Efekt ten nie jest bezpośrednio związany z polaryzacją elektryczną, ponieważ jony mogą być naładowane dodatnio lub ujemnie. Odwrócenie polaryzacji elektrody nie zmienia kierunku ruchu, ponieważ odwraca jednocześnie polaryzację naładowanych jonów. Dryf powstaje w jednym kierunku w każdym kierunku. W przypadku korony dodatniej najpierw powstają jony azotu, podczas gdy jony tlenu są jonami głównymi w przypadku polarności ujemnej. Jony te natychmiast absorbują różne cząsteczki powietrza, tworząc molekularne skupiska jonów obu sygnałów, które pełnią rolę nośników ładunku.
Obecne napędy EHD są znacznie bardziej wydajne niż konwencjonalne silniki.
W przeciwieństwie do rakiet o napędzie czysto jonowym, zasady elektrohydrodynamiki nie mają zastosowania w próżni.
Elektrohydrodynamika
Ciąg generowany przez EHD jest przykładem efektu Biefelda-Browna i można go uzyskać poprzez zmodyfikowane zastosowanie równania Childa-Langmuira. Uogólnione podejście jednowymiarowe daje równanie: F = Id / k, gdzie
- F jest wypadkową siłą.
- Jestem prądem elektrycznym.
- D to szczelina powietrzna.
- Ruchliwość jonów K to płyn roboczy mierzony w układzie jednostek A s2 w przeliczeniu na A s2 kg – 1, ale zwykle opisywana w m2 V – 1 s – 1. Typowa wartość dla powietrza przy ciśnieniu powierzchniowym i temperaturze wynosi 1,5 × 10− 4 m2 V – 1 s – 1.
Zasada ta jest również znana jako elektroaerodynamika (EAD), ponieważ ma zastosowanie do gazów takich jak powietrze.
Drut koronowy wysokiego napięcia, zwykle od 20 do 50 kV, jest ładowany, gdy jednostka jest włączona. Kiedy drut koronowy osiąga około 30 kV, powoduje jonizację sąsiednich cząsteczek powietrza w miarę oddzielania się od nich elektronów. Kiedy to nastąpi, jony są wydalane z anody i absorbowane w kierunku kolektora, powodując przyspieszenie większości jonów w kierunku kolektora. Jony te poruszają się ze stałą średnią prędkością, zwaną prędkością dryfu. Prędkość taka zależy od średniej swobodnej drogi pomiędzy zderzeniami, siły zewnętrznego pola elektrycznego oraz masy jonów i obojętnych cząsteczek powietrza.
Konfiguracja samolotu
Podobnie jak typowy dryf reakcyjny, dryft EAD może być napędzany poziomo w celu napędzania stałopłata lub pionowo w celu wsparcia samolotu Powerlift, czasami określanego jako „winda”.
Plan
Elementy generatora ciągu Jonowy układ ciągu składa się z trzech części. Korona lub drut emitera, szczelina powietrzna i przewód lub pasek kolektora za emiterem. Lekka rama izolacyjna wspiera ten układ. Aby osiągnąć warunki przepływu w koronie nasycenia, które wytwarzają maksymalny ciąg, emiter i kolektor powinny znajdować się jak najbliżej siebie, tj. w odległości mniej więcej wąskiej szczeliny powietrznej. Jeśli jednak emiter znajduje się zbyt blisko kolektora, ma on tendencję do wyginania się w poprzek szczeliny. Jonowe systemy napędowe wymagają wielu środków ostrożności ze względu na wymagane wysokie napięcie.
emiter
Emiter przewodowy jest zwykle podłączony do dodatniego zacisku zasilacza wysokiego napięcia. Zwykle jest wykonany z gołego drutu przewodzącego o małej średnicy. Chociaż można zastosować drut miedziany, miedź nie działa tak dobrze, jak stal nierdzewna. Podobnie cieńsze druty, takie jak grubość 44 lub 50, zwykle działają lepiej niż bardziej popularne i większe rozmiary, takie jak grubość 30, ponieważ silniejsze pole elektryczne wokół drutu o mniejszej średnicy prowadzi do lepszej jonizacji i większego prądu ulotowego.
Emiter jest czasami nazywany „drutem koronowym”, ponieważ podczas użytkowania emituje blask fioletowego wyładowania koronowego.
Szczelina powietrzna
Szczelina powietrzna izoluje dwie elektrody i pozwala jonom wytwarzanym w emiterze przyspieszać i przekazywać pęd obojętnym cząsteczkom powietrza, zanim stracą ładunek w kolektorze. Szerokość szczeliny powietrznej wynosi zwykle 1 mm / kV.
Kolektor
Kolektor tworzy gładką powierzchnię potencjału pod drutem koronowym. Typy obejmują siatkę drucianą, równoległe rurki przewodzące lub spódnice foliowe z gładkimi, zaokrąglonymi krawędziami. Ostre krawędzie płaszcza zmniejszają wydajność, ponieważ wytwarza jony o przeciwnej polaryzacji do tych w mechanizmie ciągu.
Wytłaczarki elektrohydrodynamiczne
EHD oznacza Electro Hydro Dynamics, czyli badanie przepływu płynu pod wpływem pola elektrycznego. Zasada jonowego ciągu powietrza z naładowanymi cząstkami wytwarzanymi z korony była znana od najwcześniejszych dni odkrycia elektryczności.
Jedna z pierwszych wzmianek o pomiarze poruszającego się powietrza w pobliżu wężowej rurki pojawiła się w 1709 roku w książce F. Hauksbee pt. „Eksperymenty fizyczne i mechaniczne na różne tematy”. Zjawisko to badało wielu innych pionierów elektryczności, w tym Newton, Faradaya i Maxwella. Niestety, EHD nie jest powszechnym tematem w większości programów nauczania w szkołach średnich, dlatego większość ludzi jest zdezorientowana, widząc takie urządzenia w praktyce.
Efekt wytłaczarki elektrohydrodynamicznej
Wytłaczarka EHD to urządzenie elektrohydrodynamiczne, które jonizuje powietrze i przesuwa naładowaną chmurę jonów w kierunku przekazującym pęd neutralnym cząsteczkom powietrza. Ustaliliśmy, że wg Trzecia zasada dynamiki Newtona, akcja jest równa reakcji i przeciwna do niej oraz że śmigło EHD porusza się w kierunku przeciwnym do chmury jonowej. Ionocrafts, czyli samolot jonowy, to nazwa nadana pierwszemu typowi pędników EHD do pionowego startu, zaprojektowanym na początku lat 60. XX wieku i należącym do rodziny napędów EHD.
Praca ta zyskała popularność pod nieodpowiednim tytułem „Balaguer”, który odnosi się do pewnego rodzaju efektu antygrawitacyjnego, ponieważ coraz więcej osób nie jest świadomych EHD.
Wiadomo, że urządzenia te wytwarzają ciąg wzdłuż własnej osi, a nie siłę grawitacji, jakiej oczekuje się od grawitacyjnego urządzenia antygrawitacyjnego. Napęd EHD w najprostszej postaci składa się z dwóch elektrod, jednej z ostrą krawędzią, jonizatora, a drugiej z płaską krawędzią, czyli kolektora, który zasilany wysokim napięciem stałym (kilka kilowoltów) przeciwdziała sile ciągu . Środowisko zwykle tworzy powietrze.
Rysunek: Elektrohydrodynamiczny diagram dryfu
Poniższy diagram przedstawia EHDT w jego najbardziej podstawowej formie. Składa się z cienkiego drutu zawieszonego na arkuszu folii aluminiowej na lekkim nośniku izolacyjnym, takim jak drewno balsa. Jeśli podłączone jest źródło wysokiego napięcia prądu stałego, generowany jest ciąg, który przesuwa urządzenie w kierunku przewodu dodatniego. Dryf ten wynika z ruchu powietrza lub innego płynu dielektrycznego (izolacji) wokół urządzenia, co opisano poniżej.
Ostra elektroda górna jonizuje powietrze. Wolne elektrony w jego pobliżu przyspieszają w jego kierunku, jeśli elektroda jest dodatnia, oddzielając pozostałe elektrony od cząsteczek powietrza wokół ostrego drutu.
Zatem chmura zawiera ciężkie ładunki dodatnie, a lawiny elektronów zbliżające się do ostrej elektrody powodują prąd wieńcowy i jonizację. W szalonym ataku z emitera jonów na gładką elektrodę ujemną, jony dodatnie zderzają się z cząsteczkami powietrza neutralnego – cząsteczkami powietrza bez ładunku.
Siła wywierana na nie przez pole elektryczne jest kompensowana przez siłę tarcia powstałą w wyniku zderzenia jonów z cząsteczkami obojętnego powietrza. W rezultacie jony przemieszczają się przez szczelinę powietrzną z prawie stałą prędkością Vd, która jest proporcjonalna do pola elektrycznego wyrażonego wzorem Vd = kE, gdzie stała proporcjonalności k nazywana jest ruchliwością jonów; im wyższa wartość, tym większa mobilność (lub większa prędkość) i mniejsze tarcie.
Ilustracja: Zdjęcie windy elektrohydrodynamicznej
Masywne uderzenie podczas tych zderzeń wyrzuca w dół masę neutralnego powietrza wraz z jonami.
Odległość, w centymetrach, jaką przebyła cząsteczka zjonizowanego powietrza, aby zderzyć się z cząsteczką neutralnego powietrza, jest wyrażona jako średnia droga swobodna i jest równa 5 x 10-3 / P, gdzie P = 760 Torr znajduje się na poziomie morza. . Im większa szczelina powietrzna niż średnia swobodna droga, która wynosi 6,6 x 10-6 cm, tym większe jest prawdopodobieństwo, że jon będzie wielokrotnie uderzał w cząsteczki obojętne. Dzięki temu otrzymamy skuteczniejsze wstrząsy i w konsekwencji pchnięcie. W tych zderzeniach ładunek jonowy nie jest przekazywany do ciał neutralnych.
Kiedy jony, które są jeszcze dodatnie, dotrą do dolnej gładkiej elektrody, zderzają się z nią i neutralizują. Ale sieć nie przyciąga neutralnych cząstek powietrza, które się zderzyły. Zatem powietrze przepływa wzdłuż boków dolnej elektrody, tworząc strumień neutralnego powietrza pod urządzeniem EHD.
Fakt, że większość jonów jest w kolektorze neutralizowana, wyjaśnia, dlaczego odczyt, jaki otrzymujemy z ustawienia jonometrów pod takimi urządzeniami, nie uwzględnia mierzonego dryftu. Tak naprawdę dla dobrego sterownika EHD taki wskaźnik powinien być bliski zeru. Jeśli jednak dokładnie zmierzymy siłę wywieraną przez powietrze wylotowe z kolektora na płaską powierzchnię, okaże się, że siła ta jest równa i przeciwna sile ciągu urządzenia.
Wniosek
Chociaż w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku prowadzono szeroko zakrojone badania nad wykorzystaniem napędu elektrycznego w międzyplanetarnych lotach kosmicznych, wiele obiecujących koncepcji musiało zostać odrzuconych ze względu na ograniczenia technologiczne stosowanych wówczas systemów klimatyzacji.
Zrozumiałe jest również, że badania i rozwój napędu jonowego prowadzone przez NASA w tamtych czasach dotyczyły głównie międzyplanetarnych lotów kosmicznych. Fakt, że rzemiosło potrzebuje płynnego środowiska do pracy, sprawił, że te niezwykłe urządzenia w dużej mierze wycofały się ze społeczeństwa.
Pobieranie premium motywów WordPressPobierz zerowe motywy WordPressPobierz zerowe motywy WordPressPobierz bezpłatne motywy WordPress Premiumkurs Lyndy do pobrania za darmopobierz oprogramowanie redmiPobieranie premium motywów WordPresskurs udemy do pobrania za darmo
