Ионный летательный аппарат или ионокрафт — это летательный аппарат , который использует электрогидродинамику (ЭГД) для обеспечения подъема или тяги в воздухе без необходимости сгорания или движущихся частей . Текущие конструкции не обеспечивают достаточной тяги для пилотируемого полета или полезной нагрузки.
Принцип ионного ветрового движения с использованием заряженных частиц, генерируемых коронным разрядом, был открыт вскоре после открытия электричества ; упоминания о нем датируются 1709 годом и встречаются в книге Фрэнсиса Хоксби «Физико-механические эксперименты по различным предметам» .
Американский экспериментатор Томас Таунсенд Браун провел большую часть своей жизни, работая над этим принципом, ошибочно полагая, что это антигравитационный эффект, который он назвал эффектом Бифельда-Брауна . Поскольку его устройства создавали тягу в направлении градиента поля, независимо от направления силы тяжести, и не работали в вакууме, другие исследователи поняли, что эффект был вызван ЭГД. [1] [2]
Самолеты с вертикальным взлетом и посадкой на ионном топливе иногда называют «подъемниками». Ранние образцы могли поднимать около грамма веса на ватт [3] , этого было недостаточно для подъема необходимого тяжелого источника питания высокого напряжения, который оставался на земле и снабжал аппарат через длинные, тонкие и гибкие провода.
Использование EHD-движения для подъема изучал американский авиаконструктор майор Александр Прокофьев де Северский в 1950-х и 1960-х годах. Он подал патент на «ионокрафт» в 1959 году. [4] Он построил и запустил модель VTOL-ионокрафта, способного маневрировать вбок, изменяя напряжение, подаваемое в разных областях, хотя мощный источник питания оставался внешним. [5]
Бескрылый электромагнитный летательный аппарат (WEAV) 2008 года , EHD-подъемник в форме блюдца с электродами, встроенными по всей его поверхности, был изучен группой исследователей под руководством Субраты Роя в Университете Флориды в начале двадцать первого века. В двигательной системе использовалось множество инноваций, включая использование магнитных полей для повышения эффективности ионизации. Модель с внешним питанием достигла минимального подъема и зависания. [6] [7]
Источники питания двадцать первого века стали легче и эффективнее. [8] [9] Первым летательным аппаратом на ионном двигателе, который взлетел и полетел, используя собственный бортовой источник питания, был аппарат вертикального взлета и посадки, разработанный Итаном Крауссом из Electron Air в 2006 году. [10] Его патентная заявка была подана в 2014 году, и в 2017 году он получил микрогрант на поддержку своего проекта от Stardust Startups. [11] Аппарат развивал достаточную тягу, чтобы быстро подняться или лететь горизонтально в течение нескольких минут. [10] [12]
В ноябре 2018 года первый автономный самолет с фиксированным крылом на ионном двигателе, MIT EAD Airframe Version 2, пролетел 60 метров. Он был разработан группой студентов под руководством Стивена Барретта из Массачусетского технологического института . Он имел размах крыльев 5 метров и весил 2,45 кг. [13] Аппарат запускался с помощью катапульты с использованием эластичной ленты, а система EAD поддерживала самолет в полете на низкой высоте.
Ионно -воздушный двигатель — это метод создания потока воздуха с помощью электрической энергии без каких-либо движущихся частей. Из-за этого его иногда называют «твердотельным» приводом. Он основан на принципе электрогидродинамики.
В своей базовой форме он состоит из двух параллельных проводящих электродов , ведущего провода эмиттера и нисходящего коллектора. Когда такое устройство питается высоким напряжением (в диапазоне киловольт на мм), эмиттер ионизирует молекулы в воздухе, которые ускоряются назад к коллектору, создавая тягу в реакции. По пути эти ионы сталкиваются с электрически нейтральными молекулами воздуха и ускоряют их в свою очередь.
Эффект не зависит напрямую от электрической полярности, так как ионы могут быть заряжены положительно или отрицательно. Изменение полярности электродов не меняет направления движения, так как оно также меняет полярность ионов, несущих заряд. Тяга создается в одном и том же направлении, в любом случае. Для положительной короны изначально создаются ионы азота , тогда как для отрицательной полярности основными первичными ионами являются ионы кислорода. Оба этих типа ионов немедленно притягивают различные молекулы воздуха, создавая молекулярные кластерные ионы [14] любого знака, которые действуют как носители заряда .
Современные двигатели EHD гораздо менее эффективны, чем обычные двигатели. [15] Исследователь Массачусетского технологического института отметил, что ионные двигатели могут быть гораздо более эффективными, чем обычные реактивные двигатели. [16]
В отличие от ракет с чисто ионными двигателями , электрогидродинамический принцип не применяется в вакууме космоса. [17]
Тяга, создаваемая устройством EHD, является примером эффекта Бифельда-Брауна и может быть получена путем модифицированного использования уравнения Чайлда-Ленгмюра. [18] Обобщенная одномерная обработка дает уравнение:
где
Применительно к газу, такому как воздух, этот принцип также называют электроаэродинамикой (ЭАД).
Когда ионокрафт включается, коронирующий провод заряжается высоким напряжением , обычно от 20 до 50 кВ . Когда коронирующий провод достигает приблизительно 30 кВ, он заставляет молекулы воздуха поблизости ионизироваться , отрывая от них электроны . Когда это происходит, ионы отталкиваются от анода и притягиваются к коллектору, заставляя большинство ионов ускоряться к коллектору. Эти ионы движутся с постоянной средней скоростью, называемой скоростью дрейфа . Такая скорость зависит от средней длины свободного пробега между столкновениями, силы внешнего электрического поля и массы ионов и нейтральных молекул воздуха.
Тот факт, что ток переносится коронным разрядом (а не плотно замкнутой дугой ), означает, что движущиеся частицы диффундируют в расширяющееся ионное облако и часто сталкиваются с нейтральными молекулами воздуха. Именно эти столкновения создают тягу. Импульс ионного облака частично передается нейтральным молекулам воздуха, с которыми он сталкивается, которые, поскольку они нейтральны, не мигрируют обратно ко второму электроду. Вместо этого они продолжают двигаться в том же направлении, создавая нейтральный ветер. Когда эти нейтральные молекулы выбрасываются из ионокрафта, существуют, в соответствии с третьим законом движения Ньютона , равные и противоположные силы, поэтому ионокрафт движется в противоположном направлении с равной силой. Прилагаемая сила сравнима с легким ветерком. Результирующая тяга зависит от других внешних факторов, включая давление и температуру воздуха, состав газа, напряжение, влажность и расстояние воздушного зазора.
Воздушная масса в зазоре между электродами многократно подвергается воздействию возбужденных частиц, движущихся с высокой скоростью дрейфа. Это создает электрическое сопротивление, которое необходимо преодолеть. Результатом попадания нейтрального воздуха в процесс является эффективное возникновение обмена импульсом и, таким образом, создание тяги. Чем тяжелее и плотнее воздух, тем выше результирующая тяга.
Как и в случае с обычной реактивной тягой, тяга EAD может быть направлена либо горизонтально для приведения в действие самолета с фиксированным крылом , либо вертикально для поддержки подъемного аппарата с двигателем, иногда называемого «подъемником».
Компоненты тяги, генерирующие ионную двигательную установку, состоят из трех частей: коронного или эмиттерного провода, воздушного зазора и коллекторного провода или полосы ниже по потоку от эмиттера. Легкая изолирующая рама поддерживает конструкцию. Эмиттер и коллектор должны быть расположены как можно ближе друг к другу, то есть с узким воздушным зазором, чтобы достичь состояния насыщенного коронного тока, которое создает максимальную тягу. Однако, если эмиттер находится слишком близко к коллектору, он имеет тенденцию образовывать дугу поперек зазора. [ необходима цитата ]
Ионные двигательные установки требуют принятия множества мер безопасности из-за высокого напряжения.
Провод эмиттера обычно подключается к положительному выводу источника питания высокого напряжения. В общем, он изготавливается из тонкого оголенного проводника . Хотя медный провод можно использовать, он не работает так же хорошо, как нержавеющая сталь . Аналогично, более тонкий провод, такой как 44 или 50 калибра, имеет тенденцию превосходить более распространенные, более крупные размеры, такие как 30 калибра, поскольку более сильное электрическое поле вокруг провода меньшего диаметра приводит к более низкому напряжению начала ионизации и большему току короны, как описано в законе Пика . [20]
Излучатель иногда называют «коронным проводом» из-за его тенденции излучать фиолетовое свечение коронного разряда во время использования. [ необходима цитата ] Это просто побочный эффект ионизации.
Воздушный зазор изолирует два электрода и позволяет ионам, генерируемым на эмиттере, ускоряться и передавать импульс нейтральным молекулам воздуха, прежде чем они потеряют свой заряд на коллекторе. Ширина воздушного зазора обычно составляет 1 мм/кВ. [21]
Коллектор имеет форму, обеспечивающую гладкую эквипотенциальную поверхность под коронирующим проводом. Вариации этого включают проволочную сетку, параллельные проводящие трубки или юбку из фольги с гладким круглым краем. Острые края юбки ухудшают производительность, так как они генерируют ионы противоположной полярности по отношению к тем, которые находятся внутри тягового механизма. [ необходима цитата ]
Первоначально летательное устройство поднимало свой источник питания прямо над землей без каких-либо движущихся частей в 2006 году.
…В своих экспериментах они обнаружили, что ионный ветер создает 110 ньютонов тяги на киловатт по сравнению с 2 ньютонами на киловатт реактивного двигателя…
«Полный анализ и проектные решения для двигателей EHD в условиях насыщенного коронного тока НАСА 2004
https://www.gsjournal.net/h/papers_download.php?id=1830
