Ion-propelled fly - Ion-propelled aircraft

Denne artikkelen handler om ionedrevne fly. For ionedrevne romfartøy, se Ionpropeller .

Et ionedrevet fly eller ionocraft er et fly som bruker elektrohydrodynamikk (EHD) for å gi løft eller skyvekraft i luften uten å kreve forbrenning eller bevegelige deler . Nåværende design gir ikke tilstrekkelig skyvekraft for bemannet flyging eller nyttige belastninger.

Historie

Opprinnelse

Prinsippet om ionisk vinddrift med korona- genererte ladede partikler ble oppdaget kort tid etter oppdagelsen av elektrisitet med referanser fra 1709 i en bok med tittelen Physico-Mechanical Experiments on Various Subjects av Francis Hauksbee .

VTOL "løfter" eksperimenter

Den amerikanske eksperimentøren Thomas Townsend Brown brukte mye av livet sitt på å arbeide med prinsippet, under feilaktig inntrykk av at det var en anti-tyngdekraftseffekt , som han kalte Biefeld – Brown-effekten . Siden utstyrene hans produserte trykk i retning av feltgradienten, uavhengig av tyngdekraftsretningen, og ikke virket i vakuum, innså andre arbeidere at effekten skyldtes EHD.

VTOL ionedrevne fly kalles noen ganger "løftere". Tidlige eksempler var i stand til å løfte omtrent et gram vekt per watt . Dette var ikke tilstrekkelig til å løfte den tunge høyspenningsstrømforsyningen som var nødvendig, som ble liggende på bakken og forsynte håndverket via lange, tynne og fleksible ledninger.

Bruken av EHD-fremdrift for heis ble studert av den amerikanske flydesigneren Major Alexander Prokofieff de Seversky på 1950- og 1960-tallet. Han arkiverte patent på et "ionocraft" i 1959. Han bygget og fløy en modell VTOL ionocraft som var i stand til å manøvrere fra siden ved å variere spenningene som ble brukt i forskjellige områder, selv om den kraftige kraftforsyningen forble ekstern.

2008 Wingless Electromagnetic Air Vehicle (WEAV), en tallerkenformet EHD-løfter med elektroder innebygd i hele overflaten, ble studert av et forskerteam ledet av Subrata Roy ved University of Florida i begynnelsen av det tjueførste århundre. Framdriftssystemet benyttet mange innovasjoner, inkludert bruk av magnetiske felt for å forbedre ioniseringseffektiviteten. En modell med ekstern forsyning oppnådde minimal løfting og sveving.

Innebygd kraft

Det tjueførste århundre strømforsyninger er lettere og mer effektive. Det første ionedrevne flyet som startet og flyr ved hjelp av egen strømforsyning ombord, var et VTOL-fartøy utviklet av Ethan Krauss fra Electron Air i 2006. Patentsøknaden hans ble inngitt i 2014. Fartøyet utviklet nok skyvekraft til å stige raskt eller til å fly horisontalt i flere minutter.

I november 2018 fløy det første selvgående ioneflytende flyet med fast ving, MIT EAD Airframe versjon 2 60 meter. Den ble utviklet av et team av studenter ledet av Steven Barrett fra Massachusetts Institute of Technology . Den hadde 5 meters vingespenn og veide 2,45 kg. Båten ble katapult-lansert ved hjelp av et elastisk bånd, med EAD-systemet som opprettholder flyet under flyging på lavt nivå.

Prinsipper for drift

Ionisk luftfremdrift er en teknikk for å skape en strøm av luft gjennom elektrisk energi , uten bevegelige deler. På grunn av dette blir det noen ganger beskrevet som en "solid-state" -stasjon. Det er basert på prinsippet om elektrohydrodynamikk.

I sin grunnleggende form består den av to parallelle ledende elektroder , en ledende emitterledning og en nedstrøms kollektor. Når et slikt arrangement drives av høyspenning (i området kilovolt per mm), ioniserer emitteren molekyler i luften som akselererer bakover til samleren, og produserer trykk i reaksjonen. Underveis kolliderer disse ionene med elektrisk nøytrale luftmolekyler og akselererer dem etter tur.

Effekten er ikke direkte avhengig av elektrisk polaritet, da ionene kan være positivt eller negativt ladet. Å reversere polariteten til elektrodene endrer ikke bevegelsesretningen, da det også reverserer polariteten til ionene som bærer ladning. Støt produseres i samme retning, uansett. For positiv korona skapes nitrogenioner i utgangspunktet, mens oksygenioner er de viktigste primære ionene for negativ polaritet. Begge disse typer ioner tiltrekker seg umiddelbart en rekke luftmolekyler for å skape molekylære klyngere av begge tegn, som fungerer som ladningsbærere .

Nåværende EHD-thrustere er langt mindre effektive enn konvensjonelle motorer.

Til forskjell fra ren ion thruster raketter, den elektrohydro ikke prinsipp ikke gjelder i vakuum plass.

Elektrohydrodynamikk

Hovedartikkel: Elektrohydrodynamikk

Drivkraften generert av en EHD-enhet er et eksempel på Biefeld – Brown-effekten og kan utledes ved en modifisert bruk av Child – Langmuir-ligningen . En generalisert endimensjonal behandling gir ligningen:

hvor
  • F er den resulterende kraften.
  • Jeg er den elektriske strømmen.
  • d er luftspalten.
  • k er ionemobiliteten til arbeidsfluidet, målt i As 2  kg -1 i SI-enheter, men mer vanlig beskrevet i enheter på m 2  V -1  s -1. En typisk verdi for luft ved overflatetrykk og temperatur er 1,5 × 10 −4 m 2  V −1  s −1 ).

Som brukt på en gass som luft, blir prinsippet også referert til som elektroaerodynamikk (EAD).

Når ionocraften slås på, blir koronatråden ladet med høy spenning , vanligvis mellom 20 og 50 kV . Når koronatråden når omtrent 30 kV, får den luftmolekylene i nærheten til å ioniseres ved å fjerne elektronene fra dem. Når dette skjer, avvises ionene fra anoden og tiltrekkes mot samleren, noe som får flertallet av ionene til å akselerere mot samleren. Disse ionene beveger seg med en konstant gjennomsnittshastighet betegnet drivhastigheten . Slik hastighet avhenger av den gjennomsnittlige frie banen mellom kollisjoner, styrken til det eksterne elektriske feltet og massen av ioner og nøytrale luftmolekyler.

Det faktum at strømmen bæres av en koronautladning (og ikke en tett begrenset bue ) betyr at de bevegelige partiklene diffunderer inn i en ekspanderende ionesky, og kolliderer ofte med nøytrale luftmolekyler. Det er disse kollisjonene som skaper trykk. Momentet til ioneskyen blir delvis overført til de nøytrale luftmolekylene som den kolliderer med, som, fordi de er nøytrale, ikke migrerer tilbake til den andre elektroden. I stedet fortsetter de å reise i samme retning og skape en nøytral vind. Ettersom disse nøytrale molekylene blir kastet ut fra ionocraften, er det, i samsvar med Newtons tredje lov om bevegelse , like og motsatte krefter, slik at ionocraft beveger seg i motsatt retning med samme styrke. Kraften som utøves er sammenlignbar med en mild bris. Den resulterende kraften avhenger av andre eksterne faktorer, inkludert lufttrykk og temperatur, gassammensetning, spenning, fuktighet og luftspalteavstand.

Luftmassen i gapet mellom elektrodene påvirkes gjentatte ganger av eksiterte partikler som beveger seg med høy drivhastighet. Dette skaper elektrisk motstand, som må overvinnes. Sluttresultatet av nøytral luft fanget i prosessen er å effektivt forårsake en utveksling i momentum og dermed generere skyvekraft. Jo tyngre og tettere luften er, desto høyere blir den resulterende skyvekraften.

Flykonfigurasjon

Som med konvensjonell reaksjonskraft, kan EAD-skyv rettes enten horisontalt for å drive et fly med fast ving eller vertikalt for å støtte et drevet heisefartøy, noen ganger referert til som en "løfter".

Design

Typisk ionocraft-konstruksjon

Drivkraftgenererende komponenter i et ionedrivningssystem består av tre deler; en korona- eller emittertråd, et luftgap og en kollektortråd eller stripe nedstrøms emitteren. En lett isolasjonsramme støtter arrangementet. Emitteren og samleren skal være så nær hverandre som mulig, dvs. med et smalt luftspalte, for å oppnå en mettet koronastrømtilstand som gir maksimal trykk. Imidlertid, hvis emitteren er for nær samleren, har den en tendens til å bue over gapet.

Ionfremdriftssystemer krever mange sikkerhetsforanstaltninger på grunn av den nødvendige høyspenningen.

Emitter

Emitterledningen er vanligvis koblet til den positive terminalen på høyspenningsstrømforsyningen. I alminnelighet, er det laget av en liten sporvidde bart ledende ledning . Selv om kobbertråd kan brukes, fungerer det ikke like bra som rustfritt stål . Tilsvarende har tynnere ledning som 44 eller 50 gauge en tendens til å overgå mer vanlige, større størrelser som 30 gauge, ettersom det sterkere elektriske feltet rundt ledningen med mindre diameter resulterer i bedre ionisering og en større koronastrøm.

Emitteren blir noen ganger referert til som "koronatråden" på grunn av sin tendens til å avgi en lilla koronautladningsglød mens den er i bruk. Dette er rett og slett en bivirkning av ionisering.

Luft mellomrom

Luftspalten isolerer de to elektrodene og lar ionene som genereres ved emitteren akselerere og overføre momentum til nøytrale luftmolekyler, før de mister ladningen ved samleren. Bredden på luftspalten er typisk 1 mm / kV.

Samler

Samleren er formet for å gi en jevn potensialoverflate under koronatråden. Variasjoner av dette inkluderer et trådnett, parallelle ledende rør eller et folie skjørt med en glatt, rund kant. Skarpe kanter på skjørtet forringer ytelsen, ettersom det genererer ioner med motsatt polaritet til de innenfor skyvmekanismen.

Se også

Referanser

Kilder

Eksterne linker