Electrohydrodynamic aircraft propulsion
ion propelled aircraft
Иондық қозғалтқышты ұшақ немесе ионокрафт – электрлік гидродинамика (ЭГД) арқылы жануды немесе жылғалы бөлшектерді пайдаланбастан ауада көтерілу немесе итергіш күш беруге арналған ұшақ. Қазіргі үлгілер адаммен басқарылатын ұшуға немесе пайдалы жүк тасуға жеткілікті итергіш күшті қамтамасыз етпейді.
An ion propelled aircraft or ionocraft is an aircraft that uses electrohydrodynamics (EHD) to provide lift or thrust in the air without requiring combustion or moving parts. Current designs do not produce sufficient thrust for manned flight or useful loads.
Шығу тегі
Электр энергиясы ашылғаннан кейін көп ұзамай, корона арқылы туындаған зарядталған бөлшектермен иондық желдің қозғалыс принципі ашылды, осыған қатысты сілтемелер 1709 жылы Фрэнсис Хоксбидің "Әртүрлі тақырыптар бойынша физико-механикалық эксперименттер" атты кітабында келтірілген.
The principle of ionic wind propulsion with corona generated charged particles was discovered soon after the discovery of electricity with references dating to 1709 in a book titled Physico Mechanical Experiments on Various Subjects by Francis Hauksbee.
VTOL "көтергіш" тәжірибелері
Америкалық экспериментатор Томас Таунсенд Браун өмірінің көп бөлігін осы принципті зерттеуге арнады, оны антигравитациялық эффект деп жаңылыс түсініп, Бифелд-Браун эффекті деп атады. Оның құрылғылары гравитация бағытына қарамастан, өріс градиенті бағытында итергіш күш тудырғандықтан және вакуумде жұмыс істемегендіктен, басқа зерттеушілер бұл эффектінің ЭХД-ға байланысты екенін түсінді. VTOL иондық қозғалтқыштары бар ұшақтар кейде "көтергіштер" деп аталады. Алғашқы үлгілер бір ваттқа шамамен бір грамм салмақты көтере алды, бірақ бұл ауыр жоғары кернеулі қуат көзін көтеруге жеткіліксіз болды, ол жерде қалды және ұзын, жұқа әрі икемді сымдар арқылы ұшаққа қуат жеткізді. EHD қозғалтқышын көтеру үшін пайдалануды 1950 және 1960 жылдары американдық ұшақ конструкторы, майор Александр Прокофьев де Северский зерттеді. Ол 1959 жылы "ионокеме" үшін патент алды. Ол әртүрлі аймақтардағы кернеуді өзгерту арқылы бүйірлік маневр жасай алатын VTOL ионокемесінің үлгісін жасады және сынады, бірақ қуат көзі сыртқы түрде қалды. 2008 жылғы қанаттары жоқ электромагниттік әуе көлігі (WEAV) – бетіне электродтар орнатылған, дискі тәрізді EHD көтергіші, жиырма бірінші ғасырдың басында Флорида университетінің Субрата Рой басқаратын зерттеушілер тобымен зерттелді. Қозғалтқыш жүйесі иондану тиімділігін арттыру үшін магниттік өрістерді пайдалануды қоса алғанда, көптеген инновацияларды қолданды. Сыртқы қуат көзімен жабдықталған модель минималды көтерілуге және ауада тұруға қол жеткізді.
American experimenter Thomas Townsend Brown spent much of his life working on the principle, under the mistaken impression that it was an anti gravity effect, which he named the Biefeld–Brown effect. Since his devices produced thrust in the direction of the field gradient, regardless of the direction of gravity, and did not work in a vacuum, other workers realized that the effect was due to EHD. VTOL ion propelled aircraft are sometimes called "lifters". Early examples were able to lift about a gram of weight per watt, This was insufficient to lift the heavy high voltage power supply necessary, which remained on the ground and supplied the craft via long, thin and flexible wires. The use of EHD propulsion for lift was studied by American aircraft designer Major Alexander Prokofieff de Seversky in the 1950s and 1960s. He filed a patent for an "ionocraft" in 1959. He built and flew a model VTOL ionocraft capable of sideways manoeuvring by varying the voltages applied in different areas, although the heavy power supply remained external. The 2008 Wingless Electromagnetic Air Vehicle (WEAV), a saucer shaped EHD lifter with electrodes embedded throughout its surface, was studied by a team of researchers led by Subrata Roy at the University of Florida in the early part of the twenty first century. The propulsion system employed many innovations, including the use of magnetic fields to enhance the ionisation efficiency. A model with an external supply achieved minimal lift off and hover.
Борттағы қуат
XXI ғасырдың қуат көздері жеңіл және тиімдірек. Өзінің бортындағы қуат көзін пайдаланып ұшып, көтерілген алғашқы иондық ұшақ 2006 жылы Electron Air компаниясының Этан Краус әзірлеген VTOL ұшақ құралы болды. Бұл құрал жылдам көтеріліп, немесе бірнеше минут бойы көлденең ұшуға жеткілікті күш өндірді. 2018 жылдың қараша айында алғашқы өздігінен қуаттандырылатын иондық қозғалтқышты тұрақты қанатты ұшақ, MIT EAD Airframe Version 2, 60 метрге ұшты. Оны Массачусетс технология институтының студенттерінің Стивен Барретт басқаратын тобы жасады. Оның қанаттарының ені 5 метр, ал салмағы 2,45 кг болды. Ұшақ серіппелі таспа арқылы катапультамен ұшырылды, ал EAD жүйесі ұшақты төмен биіктікте ұшу кезінде қолдап тұрды.
Twenty first century power supplies are lighter and more efficient. The first ion propelled aircraft to take off and fly using its own onboard power supply was a VTOL craft developed by Ethan Krauss of Electron Air in 2006. The craft developed enough thrust to rise rapidly or to fly horizontally for several minutes. In November 2018 the first self contained ion propelled fixed wing airplane, the MIT EAD Airframe Version 2 flew 60 meters. It was developed by a team of students led by Steven Barrett from the Massachusetts Institute of Technology. It had a 5 meter wingspan and weighed 2.45 kg. The craft was catapult launched using an elastic band, with the EAD system sustaining the aircraft in flight at low level.
Жұмыс істеу қағидаттары
Иондық ауамен жылғастыру – қозғалатын бөлшектері жоқ электр энергиясы арқылы ауа ағынын жасау әдісі. Осы себепті, ол кейде "қатты күйдегі" жетек деп сипатталады. Ол электрогидродинамика принципіне негізделген. Бастапқы түрінде ол екі параллель өткізгіш электродтан, алдыңғы эмитер сымынан және артындағы коллектордан тұрады. Мұндай құрылым миллиметрге киловольт шамасындағы жоғары кернеумен қуатталғанда, эмитер ауадағы молекулаларды иондайды, олар коллекторға қарай кері жылдамдықпен үдеп, әрекет ету нәтижесінде итергіш күш тудырады. Осы процесте бұл иондар электрлік бейтарап ауа молекулаларымен соқтығысып, оларды да үдетеді. Эффект тікелей электр полярлығына байланысты емес, себебі иондар оң немесе теріс зарядталған болуы мүмкін. Электродтардың полярлығын өзгерту қозғалыс бағытын өзгерте қоймайды, өйткені ол зарядты тасымалдайтын иондардың полярлығын да өзгертеді. Итергіш күш бірдей бағытта пайда болады. Оң корона үшін бастапқыда азот иондары пайда болады, ал теріс полярлық үшін оттегі иондары басты иондар болып табылады. Бұл екі типтегі иондар да бірден әртүрлі ауа молекулаларын тартып, екі түрлі зарядталған молекулалық кластерлік иондарды құрайды, олар заряд тасымалдаушылар рөлін атқарады. Қазіргі EHD жетектері дәстүрлі қозғалтқыштарға қарағанда әлдеқайда тиімсіз. MIT зерттеушісі иондық жетектердің әдеттегі реактивтік қозғалтқыштардан гөрі тиімді болуы мүмкін екенін атап өтті. Таза иондық жетек ракеталарынан айырмашылығы, электрогидродинамикалық принцип кеңістіктегі вакуумда қолданылмайды.
Ionic air propulsion is a technique for creating a flow of air through electrical energy, without any moving parts. Because of this it is sometimes described as a "solid state" drive. It is based on the principle of electrohydrodynamics. In its basic form, it consists of two parallel conductive electrodes, a leading emitter wire and a downstream collector. When such an arrangement is powered by high voltage (in the range of kilovolts per mm), the emitter ionizes molecules in the air that accelerate backwards to the collector, producing thrust in reaction. Along the way, these ions collide with electrically neutral air molecules and accelerate them in turn. The effect is not directly dependent on electrical polarity, as the ions may be positively or negatively charged. Reversing the polarity of the electrodes does not alter the direction of motion, as it also reverses the polarity of the ions carrying charge. Thrust is produced in the same direction, either way. For positive corona, nitrogen ions are created initially, while for negative polarity, oxygen ions are the major primary ions. Both these types of ion immediately attract a variety of air molecules to create molecular cluster ions of either sign, which act as charge carriers. Current EHD thrusters are far less efficient than conventional engines. An MIT researcher noted that ion thrusters have the potential to be far more efficient than conventional jet engines. Unlike pure ion thruster rockets, the electrohydrodynamic principle does not apply in the vacuum of space.
Ауа аралығы
Ауа саңылауы екі электродты оқшаулайды және эмиттерде пайда болған иондардың коллекторда зарядтан айырылуына дейін үдеуіне және бейтарап ауа молекулаларына импульс беруіне мүмкіндік береді. Ауа саңылауының ені әдетте 1 мм / кВ құрайды.
The air gap insulates the two electrodes and allows the ions generated at the emitter to accelerate and transfer momentum to neutral air molecules, before losing their charge at the collector. The width of the air gap is typically 1 mm / kV.
Жинақтаушы
Коллектор корона сымының астында тегіс эквипотенциалдық бетті қамтамасыз ететіндей етіп жасалған. Мұның нұсқаларына сым тор, параллель өткізгіш түтіктер немесе тегіс, дөңгелек жиегі бар фольгалық юбка жатады. Юбканың өткір жиектері өнімділікті нашарлатады, себебі ол итергіш механизмдегілерге қарама-қарсы полярлылықтағы иондарды тудырады.
The collector is shaped to provide a smooth equipotential surface underneath the corona wire. Variations of this include a wire mesh, parallel conductive tubes, or a foil skirt with a smooth, round edge. Sharp edges on the skirt degrade performance, as it generates ions of opposite polarity to those within the thrust mechanism.