Samoloty z napędem jonowym - Ion-propelled aircraft

Ten artykuł dotyczy samolotów z napędem jonowym. Dla statku kosmicznego z napędem jonowym, patrz Ionowy silnik .

Samolot o napędzie jonowym lub jonokraft to samolot, który wykorzystuje elektrohydrodynamikę (EHD) do zapewnienia unoszenia lub ciągu w powietrzu bez konieczności spalania lub ruchomych części . Obecne konstrukcje nie wytwarzają wystarczającej siły ciągu do lotu załogowego lub obciążeń użytkowych.

Historia

Początki

Zasada jonowego napędu wiatrem z naładowanymi cząstkami wytworzonymi przez koronę została odkryta wkrótce po odkryciu elektryczności z odniesieniami datowanymi na 1709 w książce Physico-Mechanical Experiments on Various Subjects autorstwa Francisa Hauksbee .

Eksperymenty VTOL "podnośnik"

Amerykański eksperymentator Thomas Townsend Brown spędził większość swojego życia pracując nad tą zasadą, mając mylne wrażenie, że jest to efekt antygrawitacyjny , który nazwał efektem Biefelda-Browna . Ponieważ jego urządzenia wytwarzały ciąg w kierunku gradientu pola, niezależnie od kierunku grawitacji i nie działały w próżni, inni pracownicy zdali sobie sprawę, że efekt jest spowodowany przez EHD.

Samoloty o napędzie jonowym VTOL są czasami nazywane „podnośnikami”. Wczesne egzemplarze były w stanie podnieść ciężar około grama na wat , co było niewystarczające do podniesienia niezbędnego ciężkiego źródła zasilania wysokiego napięcia, które pozostawało na ziemi i zasilało statek za pomocą długich, cienkich i elastycznych przewodów.

Wykorzystanie napędu EHD do podnoszenia było badane przez amerykańskiego konstruktora samolotów majora Aleksandra Prokofiewa de Seversky'ego w latach 50. i 60. XX wieku. Złożył patent na „jonokraft” w 1959 roku. Zbudował i pilotował model jonokraftu VTOL zdolny do manewrowania na boki poprzez zmianę napięć stosowanych w różnych obszarach, chociaż ciężki zasilacz pozostał na zewnątrz.

2008 Wingless elektromagnetyczna Air Vehicle (WEAV), spodek w kształcie EHD unoszące z elektrod osadzonych w całej jego powierzchni, badano przez zespół naukowców kierowany przez Subrata Roy na University of Florida w pierwszej połowie XXI wieku. W układzie napędowym zastosowano wiele innowacji, w tym wykorzystanie pól magnetycznych do zwiększenia wydajności jonizacji. Model z zewnętrznym zasilaniem osiągnął minimalne uniesienie i zawis.

Moc na pokładzie

Zasilacze XXI wieku są lżejsze i wydajniejsze. Pierwszym samolotem o napędzie jonowym, który startował i latał z własnym pokładowym zasilaczem, był statek VTOL opracowany przez Ethana Kraussa z Electron Air w 2006 roku. Jego zgłoszenie patentowe zostało złożone w 2014 roku. poziomo przez kilka minut.

W listopadzie 2018 r. MIT EAD Airframe Version 2, pierwszy samodzielny samolot o stałym skrzydle o napędzie jonowym, przeleciał 60 metrów. Został opracowany przez zespół studentów kierowany przez Stevena Barretta z Massachusetts Institute of Technology . Miał 5 metrów rozpiętości skrzydeł i ważył 2,45 kg. Samolot został wystrzelony z katapulty za pomocą elastycznej taśmy, a system EAD utrzymywał samolot w locie na niskim poziomie.

Zasady działania

Jonowy napęd powietrzny to technika tworzenia przepływu powietrza przez energię elektryczną , bez żadnych ruchomych części. Z tego powodu jest czasami określany jako dysk „solid-state”. Opiera się na zasadzie elektrohydrodynamiki.

W swojej podstawowej postaci składa się z dwóch równoległych elektrod przewodzących , wiodącego przewodu emiterowego i dolnego kolektora. Gdy taki układ jest zasilany wysokim napięciem (w zakresie kilowoltów na mm), emiter jonizuje cząsteczki w powietrzu, które przyspieszają z powrotem do kolektora, wytwarzając w reakcji ciąg . Po drodze jony te zderzają się z obojętnymi elektrycznie cząsteczkami powietrza i z kolei je przyspieszają.

Efekt nie jest bezpośrednio zależny od polaryzacji elektrycznej, ponieważ jony mogą być naładowane dodatnio lub ujemnie. Odwrócenie polaryzacji elektrod nie zmienia kierunku ruchu, jak również odwraca polaryzację jonów przenoszących ładunek. Siła ciągu jest wytwarzana w tym samym kierunku, tak czy inaczej. W przypadku korony dodatniej początkowo tworzone są jony azotu , natomiast w przypadku polaryzacji ujemnej głównymi jonami pierwotnymi są jony tlenu. Oba te typy jonów natychmiast przyciągają różne cząsteczki powietrza, tworząc jony molekularne o dowolnym znaku, które działają jako nośniki ładunku .

Obecne stery strumieniowe EHD są znacznie mniej wydajne niż silniki konwencjonalne.

W przeciwieństwie do rakiet z czystymi jonami , zasada elektrohydrodynamiczna nie ma zastosowania w próżni kosmicznej.

Elektrohydrodynamika

Główny artykuł: Elektrohydrodynamika

Ciąg generowany przez urządzenie EHD jest przykładem efektu Biefelda-Browna i może być wyprowadzony poprzez zmodyfikowane użycie równania Childa-Langmuira . Uogólnione traktowanie jednowymiarowe daje równanie:

gdzie
  • F jest siłą wynikową.
  • Ja to prąd elektryczny.
  • d to szczelina powietrzna.
  • k to ruchliwość jonów płynu roboczego, mierzona w As 2  kg -1 w jednostkach SI, ale częściej wyrażana w jednostkach m 2  V -1  s -1. Typowa wartość dla powietrza przy ciśnieniu powierzchniowym i temperaturze wynosi 1,5×10 -4 m 2  V -1  s -1 ).

W przypadku gazu, takiego jak powietrze, zasada ta jest również określana jako elektroaerodynamika (EAD).

Po włączeniu jonokraftu drut koronowy zostaje naładowany wysokim napięciem , zwykle od 20 do 50 kV . Kiedy drut koronowy osiąga około 30 kV, powoduje jonizację cząsteczek powietrza w pobliżu poprzez oderwanie od nich elektronów . Gdy to się dzieje, jony są odpychane od anody i przyciągane w kierunku kolektora, powodując przyspieszenie większości jonów w kierunku kolektora. Jony te poruszają się ze stałą średnią prędkością, zwaną prędkością dryfu . Taka prędkość zależy od średniej swobodnej drogi między zderzeniami, siły zewnętrznego pola elektrycznego oraz masy jonów i obojętnych cząsteczek powietrza.

Fakt, że prąd jest przenoszony przez wyładowanie koronowe (a nie przez ciasny łuk ) oznacza, że ​​poruszające się cząstki dyfundują do rozszerzającej się chmury jonowej i często zderzają się z obojętnymi cząsteczkami powietrza. To właśnie te zderzenia tworzą ciąg. Pęd chmury jonowej jest częściowo przenoszony na obojętne cząsteczki powietrza, z którymi się zderza, a ponieważ są one obojętne, nie migrują z powrotem do drugiej elektrody. Zamiast tego kontynuują podróż w tym samym kierunku, tworząc neutralny wiatr. Ponieważ te neutralne cząsteczki są wyrzucane z jonokraftu, zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona występują równe i przeciwne siły, tak więc jonokraft porusza się w przeciwnym kierunku z jednakową siłą. Wywierana siła jest porównywalna z delikatną bryzą. Wynikowy ciąg zależy od innych czynników zewnętrznych, w tym ciśnienia i temperatury powietrza, składu gazu, napięcia, wilgotności i odległości szczeliny powietrznej.

Na masę powietrza w szczelinie między elektrodami wielokrotnie wpływają wzbudzone cząstki poruszające się z dużą prędkością dryfu. Tworzy to opór elektryczny, który należy pokonać. Końcowym rezultatem powietrza obojętnego złapanego w procesie jest skuteczne wywołanie wymiany pędu, a tym samym wygenerowanie ciągu. Im cięższe i gęstsze powietrze, tym wyższy wynikowy ciąg.

Konfiguracja samolotu

Podobnie jak w przypadku konwencjonalnego ciągu reakcyjnego, ciąg EAD może być skierowany albo poziomo, aby napędzać samolot ze stałymi skrzydłami, albo pionowo, aby wspierać pojazd z napędem , czasami określany jako „podnośnik”.

Projekt

Typowa konstrukcja jonocraft

Komponenty generujące ciąg jonowego układu napędowego składają się z trzech części; przewód koronowy lub emiter, szczelina powietrzna i przewód lub pasek kolektora za emiterem. Całość wspiera lekka rama izolacyjna. Emiter i kolektor powinny znajdować się jak najbliżej siebie, tj. z wąską szczeliną powietrzną, aby osiągnąć stan nasycenia prądu koronowego, który daje maksymalny ciąg. Jeśli jednak emiter znajduje się zbyt blisko kolektora, ma tendencję do łuku w poprzek szczeliny.

Systemy napędu jonowego wymagają wielu środków ostrożności ze względu na wymagane wysokie napięcie.

Emiter

Przewód emitera jest zwykle podłączony do dodatniego zacisku zasilacza wysokiego napięcia. Na ogół jest wykonany z cienkiego drutu przewodzącego o małej średnicy . Chociaż można użyć drutu miedzianego , nie działa on tak dobrze, jak stal nierdzewna . Podobnie cieńszy drut, taki jak 44 lub 50 G, ma tendencję do przewyższania bardziej powszechnych, większych rozmiarów, takich jak 30 G, ponieważ silniejsze pole elektryczne wokół drutu o mniejszej średnicy skutkuje lepszą jonizacją i większym prądem koronowym.

Emiter jest czasami określany jako „drut koronowy” ze względu na jego tendencję do emitowania purpurowej poświaty wyładowania koronowego podczas użytkowania. To po prostu efekt uboczny jonizacji.

Szczelina powietrzna

Szczelina powietrzna izoluje dwie elektrody i umożliwia jonom generowanym w emiterze przyspieszenie i przeniesienie pędu na neutralne cząsteczki powietrza, zanim stracą swój ładunek w kolektorze. Szerokość szczeliny powietrznej wynosi zwykle 1 mm / kV.

Kolektor

Kolektor jest ukształtowany tak, aby zapewnić gładką powierzchnię ekwipotencjalną pod drutem koronowym. Odmiany tego obejmują siatkę drucianą, równoległe przewodzące rurki lub fartuch foliowy z gładką, zaokrągloną krawędzią. Ostre krawędzie na spódnicy obniżają wydajność, ponieważ wytwarzają jony o przeciwnej polaryzacji do jonów w mechanizmie ciągu.

Zobacz też

Bibliografia

Źródła

Linki zewnętrzne