Jondrivna flygplan

Den här artikeln handlar om jondrivna flygplan. För jondrivna rymdfarkoster, se Ion thruster .

Ett jondrivet flygplan eller jonofarkost är ett flygplan som använder elektrohydrodynamik (EHD) för att ge lyft eller dragkraft i luften utan att kräva förbränning eller rörliga delar . Nuvarande konstruktioner ger inte tillräcklig dragkraft för bemannad flygning eller användbara laster.

Historia

Ursprung

Principen för jonisk vindframdrivning med korona -genererade laddade partiklar upptäcktes strax efter upptäckten av elektricitet med hänvisningar till 1709 i en bok med titeln Physico-Mechanical Experiments on Various Subjects av Francis Hauksbee .

VTOL "lyftare" experiment

Den amerikanske experimenteraren Thomas Townsend Brown tillbringade mycket av sitt liv med att arbeta efter principen, under det felaktiga intrycket att det var en antigravitationseffekt, som han kallade Biefeld-Brown-effekten . Eftersom hans enheter producerade dragkraft i fältgradientens riktning, oavsett tyngdkraftens riktning, och inte fungerade i ett vakuum, insåg andra arbetare att effekten berodde på EHD.

VTOL jondrivna flygplan kallas ibland "lyftare". Tidiga exempel kunde lyfta ungefär ett gram vikt per watt . Detta var otillräckligt för att lyfta den tunga högspänningsförsörjningen som var nödvändig, som låg kvar på marken och försörjde farkosten via långa, tunna och flexibla ledningar.

Användningen av EHD-framdrivning för lyft studerades av den amerikanske flygplansdesignern Major Alexander Prokofieff de Seversky på 1950- och 1960-talen. Han ansökte om patent på en "ionocraft" 1959. Han byggde och flög en modell VTOL ionocraft som kunde manövrera i sidled genom att variera spänningarna som applicerades i olika områden, även om den kraftiga strömförsörjningen förblev extern.

2008 års Wingless Electromagnetic Air Vehicle (WEAV), en tefatformad EHD-lyftare med elektroder inbäddade på hela ytan, studerades av ett team av forskare ledda av Subrata Roy vid University of Florida i början av det tjugoförsta århundradet. Framdrivningssystemet använde många innovationer, inklusive användningen av magnetiska fält för att förbättra joniseringseffektiviteten. En modell med extern försörjning uppnådde minimalt lyft och svävning.

Kraft ombord

Det tjugoförsta århundradets strömförsörjning är lättare och effektivare. Det första jondrivna flygplanet som lyfte och flög med sin egen strömförsörjning ombord var ett VTOL-farkost som utvecklades av Ethan Krauss från Electron Air 2006. Hans patentansökan lämnades in 2014 och han tilldelades ett mikrobidrag för att stödja sitt projekt av Stardust Startups 2017. Farkosten utvecklade tillräckligt med dragkraft för att stiga snabbt eller flyga horisontellt i flera minuter.

I november 2018 flög det första fristående jondrivna flygplanet med fast vingar, MIT EAD Airframe Version 2 60 meter. Den utvecklades av ett team av studenter ledda av Steven Barrett från Massachusetts Institute of Technology . Den hade ett vingspann på 5 meter och vägde 2,45 kg. Farkosten lanserades med katapulter med hjälp av ett elastiskt band, med EAD-systemet som stödjer flygplanet under flygning på låg nivå.

Funktionsprinciper

Jonisk luftframdrivning är en teknik för att skapa ett luftflöde genom elektrisk energi , utan några rörliga delar. På grund av detta beskrivs den ibland som en "solid-state"-enhet. Den är baserad på principen om elektrohydrodynamik.

I sin grundläggande form består den av två parallella ledande elektroder , en ledande emittertråd och en nedströms kollektor. När ett sådant arrangemang drivs av hög spänning (i intervallet kilovolt per mm), joniserar sändaren molekyler i luften som accelererar bakåt till kollektorn, vilket producerar dragkraft i reaktion. Längs vägen kolliderar dessa joner med elektriskt neutrala luftmolekyler och accelererar dem i sin tur.

Effekten är inte direkt beroende av elektrisk polaritet, eftersom jonerna kan vara positivt eller negativt laddade. Att vända om elektrodernas polaritet ändrar inte rörelseriktningen, eftersom det också vänder polariteten hos de joner som bär laddningen. Dragkraft produceras i samma riktning, oavsett. För positiv korona skapas kvävejoner initialt, medan för negativ polaritet är syrejoner de huvudsakliga primära jonerna . Båda dessa typer av joner attraherar omedelbart en mängd olika luftmolekyler för att skapa molekylära klusterjoner av båda tecknen, som fungerar som laddningsbärare .

Nuvarande EHD-propeller är mycket mindre effektiva än konventionella motorer.

Till skillnad från rena jonpropellerraketer gäller inte den elektrohydrodynamiska principen i rymdens vakuum.

Elektrohydrodynamik

Huvudartikel: Elektrohydrodynamik

Den dragkraft som genereras av en EHD-enhet är ett exempel på Biefeld-Brown-effekten och kan härledas genom en modifierad användning av Child-Langmuir-ekvationen. En generaliserad endimensionell behandling ger ekvationen:

var
  • F är den resulterande kraften.
  • Jag är den elektriska strömmen.
  • d är luftgapet.
  • k är jonrörligheten för arbetsvätskan, mätt i A s 2 kg −1 i SI-enheter, men mer allmänt beskriven i enheter av m 2 V −1 s −1. Ett typiskt värde för luft vid yttryck och temperatur är 1,5×10 −4 m 2 V −1 s −1 ).

När den tillämpas på en gas som luft, kallas principen även för elektroaerodynamik (EAD).

När jonocraften är påslagen laddas koronatråden med hög spänning , vanligtvis mellan 20 och 50 kV . När koronatråden når ungefär 30 kV gör det att luftmolekylerna i närheten joniseras genom att deras elektroner tas bort från dem. När detta händer stöts jonerna bort från anoden och attraheras mot kollektorn, vilket gör att majoriteten av jonerna accelererar mot kollektorn. Dessa joner färdas med en konstant medelhastighet som kallas drifthastigheten . Sådan hastighet beror på medelvägen mellan kollisioner, styrkan hos det yttre elektriska fältet och massan av joner och neutrala luftmolekyler.

Det faktum att strömmen bärs av en koronaurladdning (och inte en tätt begränsad båge ) innebär att de rörliga partiklarna diffunderar in i ett expanderande jonmoln och kolliderar ofta med neutrala luftmolekyler. Det är dessa kollisioner som skapar dragkraft. Jonmolnets rörelsemängd överförs delvis till de neutrala luftmolekylerna som det kolliderar med, som, eftersom de är neutrala, inte migrerar tillbaka till den andra elektroden. Istället fortsätter de att resa i samma riktning, vilket skapar en neutral vind. Eftersom dessa neutrala molekyler stöts ut från jonocraften, finns det, i överensstämmelse med Newtons tredje rörelselag , lika och motsatta krafter, så jonocraften rör sig i motsatt riktning med en lika stor kraft. Kraften som utövas är jämförbar med en mild bris. Den resulterande dragkraften beror på andra yttre faktorer inklusive lufttryck och temperatur, gassammansättning, spänning, fuktighet och luftgapsavstånd.

Luftmassan i gapet mellan elektroderna påverkas upprepade gånger av exciterade partiklar som rör sig med hög drifthastighet. Detta skapar elektriskt motstånd, som måste övervinnas. Slutresultatet av den neutrala luften som fångas i processen är att effektivt orsaka ett utbyte av momentum och därmed generera dragkraft. Ju tyngre och tätare luften är, desto högre blir dragkraften.

Flygplanskonfiguration

Som med konventionell reaktionskraft kan EAD-kraften riktas antingen horisontellt för att driva ett flygplan med fast vingar eller vertikalt för att stödja en motordriven lyftfarkost , ibland kallad "lyftare".

Design

Typisk jonocraftkonstruktion

De dragkraftsgenererande komponenterna i ett jonframdrivningssystem består av tre delar; en korona- eller emittertråd, en luftgap och en kollektortråd eller -remsa nedströms från emittern. En lätt isolerande ram stöder arrangemanget. Emitter och kollektor bör vara så nära varandra som möjligt, dvs med ett smalt luftgap, för att uppnå ett mättat koronaströmtillstånd som ger maximal dragkraft. Men om emittern är för nära kollektorn tenderar den att båga tvärs över gapet. [ citat behövs ]

Jonframdrivningssystem kräver många säkerhetsåtgärder på grund av den höga spänningen.

Sändare

Emittertråden är vanligtvis ansluten till den positiva polen på högspänningsförsörjningen. I allmänhet är den gjord av en liten kaliber ledande tråd . Även om koppartråd kan användas, fungerar den inte lika bra som rostfritt stål . På liknande sätt tenderar tunnare tråd som 44 eller 50 gauge att prestera bättre än vanligare, större storlekar som 30 gauge, eftersom det starkare elektriska fältet runt tråden med mindre diameter resulterar i lägre joniseringsstartspänning och en större koronaström som beskrivs av Peeks lag .

Emittern kallas ibland för "koronatråden" på grund av dess tendens att avge en lila koronaurladdningsglöd under användning. [ citat behövs ] Detta är helt enkelt en bieffekt av jonisering.

Lufthål

Luftgapet isolerar de två elektroderna och tillåter de joner som genereras vid emittern att accelerera och överföra momentum till neutrala luftmolekyler, innan de förlorar sin laddning vid kollektorn. Bredden på luftgapet är vanligtvis 1 mm / kV.

Samlare

Kollektorn är formad för att ge en jämn potentialutjämningsyta under koronatråden. Variationer av detta inkluderar ett trådnät, parallella ledande rör eller en foliekjol med en slät, rund kant. Skarpa kanter på kjolen försämrar prestandan, eftersom den genererar joner med motsatt polaritet till de som finns i tryckmekanismen. [ citat behövs ]

Se även

Källor

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ion-propelled_aircraft&oldid=1140242086 "