stringtranslate.com

Гидравлика

Модуль с двумя входными потоками вверху, выходным блоком AND посередине и выходным потоком XOR внизу.

Гидравлическая логика , или жидкостная логика , представляет собой использование жидкости для выполнения аналоговых или цифровых операций, аналогичных тем, которые выполняются с помощью электроники .

Физической основой гидродинамики являются пневматика и гидравлика , основанные на теоретических основах гидродинамики . Термин «струйная техника» обычно используется, когда устройства не имеют движущихся частей , поэтому обычные гидравлические компоненты, такие как гидравлические цилиндры и золотниковые клапаны, не считаются и не называются жидкостными устройствами.

Струя жидкости может быть отклонена более слабой струей, ударяющей в нее сбоку. Это обеспечивает нелинейное усиление , аналогичное транзистору , используемому в электронной цифровой логике. Он используется в основном в средах, где электронная цифровая логика ненадежна, например, в системах, подверженных высоким уровням электромагнитных помех или ионизирующего излучения .

Нанотехнологии рассматривают струйную технику как один из своих инструментов. В этой области такие эффекты, как силы на границе раздела жидкость-твердое тело и жидкость-жидкость, часто имеют большое значение. Гидравлическая техника также использовалась в военных целях.

История

В 1920 году Никола Тесла запатентовал клапанный трубопровод или клапан Теслы , который работает как жидкостный диод. Это негерметичный диод, т.е. обратный поток не равен нулю при любой приложенной разнице давлений. Клапан Теслы также имеет нелинейный отклик, поскольку его диодность имеет частотную зависимость. Его можно использовать в жидкостных цепях, таких как двухполупериодный выпрямитель, для преобразования переменного тока в постоянный. [1] В 1957 году Билли М. Хортон из лаборатории Harry Diamond Laboratories (которая позже стала частью армейской исследовательской лаборатории ) впервые высказал идею жидкостного усилителя, когда он понял, что может перенаправить направление дымовых газов, используя небольшой сильфон . [2] Он предложил теорию взаимодействия потоков, утверждая, что можно добиться усиления, отклоняя поток жидкости другим потоком жидкости. В 1959 году Хортон и его коллеги, доктор Р. Э. Боулз и Рэй Уоррен, сконструировали семейство работающих вихревых усилителей из мыла, линолеума и дерева. [3] Их опубликованный результат привлек внимание нескольких крупных отраслей промышленности и вызвал всплеск интереса к применению гидродинамики (тогда называемой гидродинамической амплификацией) к сложным системам управления, который продолжался на протяжении 1960-х годов. [4] [5] Хортону приписывают разработку первого устройства управления гидроусилителем и начало области гидродинамики. [6] В 1961 году Хортон, Уоррен и Боулз были среди 27 лауреатов, получивших первую армейскую премию за достижения в области исследований и разработок за разработку устройства управления жидкостным усилителем. [7]

Логические элементы

Можно построить логические вентили, в которых для питания функции вентиля используется вода вместо электричества. Для их правильной работы требуется расположение в одной ориентации. Вентиль ИЛИ — это просто две соединяющиеся трубы, а вентиль НЕ (инвертор) состоит из «А», отклоняющего поток подачи для производства À. На схеме изображены вентили AND и XOR. Инвертор также может быть реализован с использованием логического элемента XOR, поскольку A XOR 1 = À. [8]

Другой вид жидкостной логики — пузырьковая логика . Пузырьковые логические элементы сохраняют количество битов, входящих и выходящих из устройства, поскольку пузырьки не создаются и не уничтожаются в ходе логической операции, аналогично компьютерным элементам бильярдного шара . [9]

Компоненты

Видео, моделирующее внутренний поток генератора с жидкостной обратной связью.

Усилители

Гидравлический усилитель, показывающий поток в обоих состояниях, из патента США № 4000757 .

В гидроусилитель подача жидкости, которой может быть воздух, вода или гидравлическая жидкость , поступает снизу. Давление, приложенное к портам управления C1 или C2 , отклоняет поток, так что он выходит через порт O1 или O2 . Поток, поступающий в порты управления, может быть значительно слабее отклоняемого, поэтому устройство имеет коэффициент усиления .

Это базовое устройство можно использовать для создания других элементов жидкостной логики, а также жидкостных генераторов , которые можно использовать аналогично триггерам . [10] Таким образом, можно построить простые системы цифровой логики.

Гидравлические усилители обычно имеют полосу пропускания в диапазоне низких килогерц , поэтому системы, построенные на их основе, работают довольно медленно по сравнению с электронными устройствами.

Триоды

Были изобретены жидкостный триод , устройство усиления , в котором для передачи сигнала используется жидкость , а также жидкостные диоды, жидкостный осциллятор и множество гидравлических «схем», в том числе одна, не имеющая электронного аналога. [11]

Использование

Компьютер MONIAC , построенный в 1949 году, представлял собой аналоговый компьютер на жидкостной основе, который использовался для обучения экономическим принципам, поскольку он мог воссоздавать сложные симуляции, которые в то время не могли делать цифровые компьютеры. От двенадцати до четырнадцати домов было построено и приобретено предприятиями и учебными заведениями.

Компьютер FLODAC был построен в 1964 году как доказательство концепции жидкостного цифрового компьютера . [12]

Гидравлические компоненты присутствуют в некоторых гидравлических и пневматических системах, в том числе в некоторых автомобильных автоматических трансмиссиях . По мере того, как электронная цифровая логика стала более широко применяться в промышленном управлении, роль струйной техники в промышленном управлении снизилась.

На потребительском рынке растет популярность и присутствие продуктов с жидкостным управлением, которые устанавливаются в самые разные предметы: от игрушечных распылителей до душевых насадок и форсунок для гидромассажных ванн; все они создают колеблющиеся или пульсирующие потоки воздуха или воды. Также были исследованы ткани с поддержкой логики для применения в носимых технологиях . [13]

Гидравлическую логику можно использовать для создания клапана без движущихся частей, например, в некоторых наркозных аппаратах . [14]

Гидравлические генераторы использовались при разработке аппаратов искусственной вентиляции легких, запускаемых по давлению и предназначенных для 3D-печати , для борьбы с пандемией COVID-19 . [15] [16] [17]

Гидравлические усилители используются для генерации ультразвука для неразрушающего контроля путем быстрого переключения сжатого воздуха с одного выхода на другой. [18]

В настоящее время исследуются возможности использования впрыска жидкости в самолетах для управления направлением двумя способами: управление циркуляцией и управление вектором тяги . В обоих случаях более крупные и сложные механические детали заменяются жидкостными системами, в которых большие силы в жидкостях периодически отклоняются меньшими струями или потоками жидкости, чтобы изменить направление движения транспортных средств. При управлении циркуляцией вблизи задних кромок крыльев системы управления полетом самолета , такие как элероны , рули высоты , элевоны , закрылки и флапероны , заменяются отверстиями, обычно рядами отверстий или удлиненными щелями, из которых выбрасываются потоки жидкости. [19] [20] [21] При изменении вектора тяги в соплах реактивных двигателей поворотные части заменены отверстиями, которые нагнетают потоки жидкости в струи. [22] Такие системы отводят тягу за счет воздействия жидкости. Испытания показывают, что воздух, попадающий в струю выхлопных газов реактивного двигателя, может отклонять тягу до 15 градусов. [22] В таких случаях струйная техника желательна для снижения массы, стоимости (до 50 % меньше), сопротивления (до 15 % меньше во время использования), инерции (для более быстрого и сильного реагирования на управление), сложности (механически проще, меньше или вообще нет движущихся частей или поверхностей, меньше обслуживания), а также радиолокационная эффективность для малозаметности . [23] [24] Вероятно, он будет использоваться во многих беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), истребителях 6-го поколения и кораблях .

Известно, что по состоянию на 2023 год как минимум две страны будут исследовать жидкостный контроль. В Великобритании компания BAE Systems провела испытания двух беспилотных летательных аппаратов с жидкостным управлением: один с 2010 года под названием Demon , [25] [26] и другой с 2017 года под названием MAGMA, совместно с Манчестерским университетом . [27] В Соединенных Штатах программа Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны ( DARPA ) под названием « Управление революционными самолетами с новыми эффекторами» (CRANE) направлена ​​на «...спроектировать, построить и провести летные испытания нового X-plane, который включает в себя активные управление потоком (AFC) как основной элемент конструкции. ... В 2023 году самолет получил официальное обозначение X-65». [28] [29] Зимой 2024 года началось строительство на дочерней компании Boeing Aurora Flight Sciences . [30] Летом 2025 года должны начаться летные испытания. [30]

Octobot , прототип автономного робота с мягким телом, созданный в 2016 году и содержащий микрофлюидную логическую схему , был разработан исследователями из Института биологической инженерии Висса Гарвардского университета . [31]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Нгуен, Куинь; Абуэзи, Джоанна; Ристроф, Лейф (17 мая 2021 г.). «Ранняя турбулентность и пульсирующие потоки усиливают диодичность макрожидкостного клапана Теслы». Природные коммуникации . 12 (12): 2884. arXiv : 2103.17222 . Бибкод : 2021NatCo..12.2884N. дои : 10.1038/s41467-021-23009-y . ПМЦ  8128925 . ПМИД  34001882.
  2. ^ МакКетта, Джон (21 ноября 1985). Энциклопедия химической обработки и проектирования: Том 23 – Поток жидкости. ЦРК Пресс. п. 28. ISBN 9780824724733.
  3. ^ Брэдбери, Уилбур (19 мая 1967). Люси, Генри (ред.). «Просроченная идея, записанная в блокнот». Жизнь . Время . стр. 115–116.
  4. ^ Джойс, Джеймс В. (август 1983 г.). «Гидравлика: основные компоненты и приложения». Центр оборонной технической информации . Мэриленд. Архивировано из оригинала 11 декабря 2021 г. Проверено 10 июля 2018 г.
  5. ^ Готтрон, Р.; Кумар, В.; Коррадо, А. (август 1975 г.). «Гидравлические приложения в Северной Америке». Тома трудов МФБ . 8 (1): 531–538. дои : 10.1016/S1474-6670(17)67511-6 .
  6. ^ «Люди». IEEE-спектр . 12 (4): 108–109. Апрель 1975 г. doi :10.1109/MSPEC.1975.6368799.
  7. ^ «CRD объявляет победителей 22 наград за достижения в области НИОКР» (PDF) . Журнал армейских исследований и разработок . Том. 2, нет. 8. Август 1961 года . Проверено 10 июля 2018 г.
  8. ^ Бликштейн, Пауло. «Программируемая вода: вычисления – это не только электроника». Консультация Бликштейна . Стэндфордский Университет . Проверено 23 июня 2019 г.
  9. ^ Пракаш, Ману (8 февраля 2007 г.). «Ману Пракаш: Исследование: логика пузыря». Массачусетский технологический институт (MIT). Архивировано из оригинала 26 января 2012 г. Проверено 23 июня 2019 г.
  10. ^ Тесарж, Вацлав (9 августа 2019 г.). «Схемы задержки времени для жидкостных генераторов и формирователей импульсов». Энергии . 12 (16): 3071. дои : 10.3390/en12163071 . ISSN  1996-1073.
  11. ^ Стонг, CL (август 1962 г.). «Ученый-любитель. Как потоки воды можно использовать для создания аналогов электронных ламп и схем». Научный американец . стр. 128–138 . Проверено 28 апреля 2020 г.
  12. ^ «Материалы осенней совместной компьютерной конференции» (PDF) . 1964. стр. 631–641.
  13. ^ Раджаппан, Ануп; Жюме, Барклай; Шведа, Рэйчел А.; Декер, Колтер Дж.; Лю, Чжэнь; Да, Те Фэй; Санчес, Ванесса; Престон, Дэниел Дж. (30 августа 2022 г.). «Текстиль с поддержкой логики». Труды Национальной академии наук . 119 (35): e2202118119. Бибкод : 2022PNAS..11902118R. дои : 10.1073/pnas.2202118119. ISSN  0027-8424. ПМЦ 9436326 . ПМИД  35994641. 
  14. ^ Мейер, Джеймс А.; Джойс, Джеймс В. (1968). «Жидкостный усилитель и его применение в медицинских приборах». Анестезия и анальгезия . 47 (6): 710–716. дои : 10.1213/00000539-196811000-00015. PMID  5247311. S2CID  28322668.
  15. ^ «3D-печатный аппарат искусственной вентиляции легких с открытым исходным кодом для медицинских целей» . Проверено 28 апреля 2020 г.
  16. ^ "Всемирный вентилятор" . Проверено 28 апреля 2020 г.
  17. ^ «Волонтеры разрабатывают аппарат искусственной вентиляции легких, который можно распечатать на 3D-принтере, на основе конструкции армии США 1965 года» . 09.04.2020 . Проверено 28 апреля 2020 г.
  18. ^ Бюлинг, Бенджамин; Странгфельд, Кристоф; Маак, Стефан; Швейцер, Торге (01 апреля 2021 г.). «Экспериментальный анализ акустического поля ультразвукового импульса, индуцированного жидкостным переключателем». Журнал Акустического общества Америки . 149 (4): 2150–2158. Бибкод : 2021ASAJ..149.2150B. дои : 10.1121/10.0003937 . ISSN  0001-4966. PMID  33940860. S2CID  233568721.
  19. ^ Джон, П. (2010). «Программа комплексных промышленных исследований безлопаточных летательных аппаратов (FLAVIR) в авиационной технике». Труды Института инженеров-механиков, Часть G: Журнал аэрокосмической техники . Лондон: Публикации машиностроения. 224 (4): 355–363. дои : 10.1243/09544100JAERO580. hdl : 1826/5579 . ISSN  0954-4100. S2CID  56205932. Архивировано из оригинала 17 мая 2018 г.
  20. ^ «Витрина с БПЛА демонстрирует безлоскутный полет» . БАЕ Системс. 2010. Архивировано из оригинала 7 июля 2011 г. Проверено 22 декабря 2010 г.
  21. ^ «БПЛА-демон влетает в историю, летая без закрылков» . Metro.co.uk . Лондон: Associated Newspapers Limited. 28 сентября 2010 г.
  22. ^ Аб Ягл, П.Дж.; Миллер, Д.Н.; Джинн, КБ; Хамстра, JW (2001). «Демонстрация перекоса жидкостного горла для векторизации тяги в конструктивно фиксированных соплах». Журнал техники газовых турбин и энергетики . 123 (3): 502–508. дои : 10.1115/1.1361109.
  23. ^ Уппал, Рахеш (3 марта 2022 г.). «Активное управление потоком для самолетов-невидимок и дронов». Международная оборона, безопасность и технологии (IDST) . Проверено 30 мая 2023 г.
  24. ^ Делаем самолет менее заметным (видео). Европа, США: Организация Североатлантического договора (НАТО). 03.08.2018 . Проверено 30 мая 2023 г.
  25. ^ Кристофер, Домбровский (05.10.2010). «Новый испытательный самолет летает без рулей». Арс Техника . Группа проводных медиа . Проверено 21 июня 2019 г.
  26. ^ Акс, Дэвид (13 февраля 2019 г.). «Бомбардировщики F-22 и B-2 устарели: грядет новое поколение суперстелсов». Национальный интерес . Центр национальных интересов . Проверено 21 июня 2019 г.
  27. ^ «Успешное завершение первых летных испытаний беспилотного летательного аппарата МАГМА» . БАЕ Системс . 13 декабря 2017 г. Проверено 21 июня 2019 г.
  28. ^ Влезиен, Ричард. «Управление революционными самолетами с помощью новых эффекторов (CRANE)». Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов ( DARPA ) . Проверено 4 октября 2023 г.
  29. ^ Тримбл, Стив (16 мая 2023 г.). «DARPA получает обозначение X-65 для эксперимента с активным потоком» . Неделя авиации и космических технологий . Проверено 4 октября 2023 г.
  30. ^ Аб Смит, Кармен (3 января 2024 г.). «Аврора начинает создание полномасштабного самолета X-Plane с активным управлением потоком». Aurora Flight Sciences , Boeing (Пресс-релиз) . Проверено 1 февраля 2024 г.
  31. ^ Берроуз, Лия (2016). «Первый автономный, полностью мягкий робот» . Проверено 12 июня 2019 г.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с гидродинамикой .