簡介

? ? ? ? 離子推進(jìn)飛機(jī)（簡稱電離飛機(jī)）是使用電動流體力學(xué)（EHD）來提供空氣中的升力或推力而無需燃燒或運(yùn)動部件的飛機(jī)。 當(dāng)前的設(shè)計(jì)不能為載人飛行或有用載荷產(chǎn)生足夠的推力。

歷史

起源

? ? ? ? 電被發(fā)現(xiàn)后不久就發(fā)現(xiàn)了帶有電暈產(chǎn)生的帶電粒子的離子風(fēng)推進(jìn)原理，該參考文獻(xiàn)的歷史可追溯到1709年，由弗朗西斯·豪克斯比（Francis Hauksbee）著有《關(guān)于各種主題的物理機(jī)械實(shí)驗(yàn)》一書。

VTOL"飄升機(jī)"實(shí)驗(yàn)

? ? ? ? 美國實(shí)驗(yàn)師托馬斯·湯森·布朗（Thomas Townsend Brown）畢生致力于該原理，但錯誤地認(rèn)為這是一種反重力效應(yīng)，他將其命名為比費(fèi)爾德布朗效應(yīng)。 由于他的設(shè)備會在磁場梯度方向上產(chǎn)生推力，而與重力方向無關(guān)，并且無法在真空中工作，因此他的同事意識到這種效果是由于EHD引起的。

? ? ? ? VTOL離子推進(jìn)飛機(jī)有時(shí)被稱為“飄升機(jī)”。 早期的示例能夠每瓦舉起大約一克的重量，這不足以舉起必需的笨重的高壓電源，該高壓電源留在地面上，并通過長而細(xì)的柔性電線為飛船供電。

? ? ? ? 1950年代和1960年代，美國飛機(jī)設(shè)計(jì)師少校亞歷山大·普羅科菲耶夫·德·塞韋斯基（Alexander Prokofieff de Seversky）研究了EHD升力提升系統(tǒng)的使用。 他于1959年為“電離飛機(jī)”申請了專利。他建造并飛行了VTOL電離模型，該模型可以通過改變在不同區(qū)域施加的電壓來進(jìn)行側(cè)向操縱，盡管仍然需要大量的外部電源。

? ? ? ? 2008年的無翼電磁飛行器（WEAV）是一種碟形EHD飄升機(jī)，其整個(gè)表面都嵌有電極，在21世紀(jì)初期由佛羅里達(dá)大學(xué)的Subrata Roy領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員進(jìn)行了研究。 推進(jìn)系統(tǒng)采用了許多創(chuàng)新技術(shù)，包括使用磁場來提高電離效率。 具有外部電源的模型實(shí)現(xiàn)了最小的提起和懸停。

內(nèi)置電源

? ? ? ? 進(jìn)入21世紀(jì)，飄升機(jī)的電源更加輕便，更加高效。第一架使用自己的機(jī)載電源起飛并飛行的離子動力飛機(jī)是由Electron Air的Ethan Krauss在2006年研發(fā)的VTOL工藝。他的專利申請于2014年提交。飛行器產(chǎn)生了足夠的推力，可以迅速上升或水平飛行幾分鐘。

? ? ? ? ?2018年11月，第一架獨(dú)立式離子推進(jìn)固定翼飛機(jī)MIT EAD機(jī)身版本2飛行了60米。 它是由麻省理工學(xué)院的史蒂芬·巴雷特（Steven Barrett）領(lǐng)導(dǎo)的一組學(xué)生開發(fā)的。 它的翼展為5米，重2.45公斤。飛機(jī)是用彈力帶彈射的，EAD系統(tǒng)可以使飛機(jī)處于低空飛行。

工作原理

? ? ? ? 離子空氣推進(jìn)是一種通過電能產(chǎn)生空氣流而沒有任何活動部件的技術(shù)。 因此，有時(shí)將其描述為“固態(tài)”驅(qū)動器。 它基于電動流體力學(xué)原理。

? ? ? ? 它的基本形式包括兩個(gè)平行的導(dǎo)電電極，一個(gè)發(fā)射極引線和一個(gè)下游集電極。 當(dāng)這種裝置由高壓（每毫米千伏范圍內(nèi)）供電時(shí)，發(fā)射器會使空氣中的分子離子化，這些分子會向后加速到收集器，從而產(chǎn)生反作用力。 一路上，這些離子與電中性的空氣分子碰撞并依次加速它們。

? ? ? ? 由于離子可能帶正電或帶負(fù)電，因此效果并不直接取決于極性。 反轉(zhuǎn)電極的極性不會更改運(yùn)動方向，因?yàn)樗€會反轉(zhuǎn)離子的極性以進(jìn)行匹配。 任一方向都沿相同方向產(chǎn)生推力。 對于正向發(fā)射極，氮離子是主要的電荷載體，而對于負(fù)向發(fā)射極，氧離子是主要的電荷，臭氧的產(chǎn)生量更高。

? ? ? ? EHD推進(jìn)器的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)。

? ? ? ?與純離子推進(jìn)器火箭不同，電動流體力學(xué)原理不適用于太空真空。

電動流體力學(xué)

? ? ? ?EHD設(shè)備產(chǎn)生的推力是比費(fèi)爾德-布朗效應(yīng)的一個(gè)例子，可以通過修改使用Child-Langmuir方程來推導(dǎo)。廣義一維處理給出以下方程式：

其中：

F是升力，I是電流，d是氣隙，b是工作流體的離子遷移系數(shù)(或稱離子運(yùn)動參數(shù))，空氣的標(biāo)稱值為2×10^-4 m^2·V^-1·s^-1，Φ是流體性能參數(shù)，空氣的標(biāo)稱值為2x10^-2。

? ? ? ? 當(dāng)應(yīng)用于諸如空氣的氣體時(shí)，該原理也稱為電空氣動力學(xué)（EAD）。

? ? ? ? 當(dāng)電離器打開時(shí)，電暈絲會充滿高壓，通常在20到50 kV之間。 當(dāng)電暈絲達(dá)到約30 kV時(shí)，它會剝奪附近的空氣分子的電子，從而使它們離子化。 發(fā)生這種情況時(shí)，離子會從陽極排斥，并被吸引到集電極，從而導(dǎo)致大部分離子朝集電極加速。 這些離子以稱為漂移速度的恒定平均速度傳播。 這種速度取決于碰撞之間的平均自由程，外部電場的強(qiáng)度以及離子和中性空氣分子的質(zhì)量。

? ? ? ? 電流由電暈放電（而不是緊密約束的電?。┏休d的事實(shí)意味著運(yùn)動的粒子擴(kuò)散到膨脹的離子云中，并經(jīng)常與中性空氣分子碰撞。 這些碰撞產(chǎn)生推力。 離子云的動量部分地傳遞給與之碰撞的中性空氣分子，由于它們是中性的，因此不會遷移回第二電極。 相反，它們繼續(xù)沿相同方向行進(jìn)，從而產(chǎn)生中性風(fēng)。 當(dāng)這些中性分子從電離飛行器中彈出時(shí)，與牛頓第三運(yùn)動定律一致，存在相同和相反的力，因此電離飛行器以相等的力沿相反的方向運(yùn)動。 施加的力量相當(dāng)于輕柔的微風(fēng)。 產(chǎn)生的推力取決于其他外部因素，包括氣壓和溫度，氣體成分，電壓，濕度和氣隙距離。

? ? ? ? 電極之間間隙中的空氣質(zhì)量受到以高漂移速度運(yùn)動的受激粒子的反復(fù)影響。 這產(chǎn)生了必須克服的電阻。 在此過程中捕獲的中性空氣的最終結(jié)果是有效地引起了動量的交換并因此產(chǎn)生了推力。 空氣越重和密度越大，推力越大。

配置

? ? ? ? 與常規(guī)反作用推力一樣，EAD推力可以水平定向以為固定翼飛機(jī)提供動力，也可以垂直定向以支撐有時(shí)被稱為“飄升機(jī)”的機(jī)動式升降機(jī)。

設(shè)計(jì)

? ? ? ? ?離子推進(jìn)系統(tǒng)的推力產(chǎn)生組件包括三個(gè)部分： 電暈或發(fā)射極線，氣隙和發(fā)射極下游的集電極線或帶。 輕質(zhì)的絕緣框架支撐該布置。 發(fā)射極和集電極應(yīng)盡可能靠近，即具有狹窄的氣隙，以達(dá)到產(chǎn)生最大推力的飽和電暈電流狀態(tài)。 但是，如果發(fā)射極距離集電極太近，則往往會在間隙上產(chǎn)生電弧。

? ? ? ? 由于需要高壓，因此離子推進(jìn)系統(tǒng)需要采取許多安全預(yù)防措施。

?? ? ? 發(fā)射極線通常連接到高壓電源的正極。 通常，它是由小規(guī)格裸露的導(dǎo)線制成的。 盡管可以使用銅線，但它的效果不如不銹鋼。 同樣，較細(xì)的線材（例如44或50號線規(guī)）往往勝過更常見的較大尺寸的線材（例如30線規(guī)），因?yàn)橹睆捷^小的線材周圍的強(qiáng)電場會導(dǎo)致更好的電離作用和更大的電暈電流。

? ? ? ? 發(fā)射極有時(shí)被稱為“電暈絲”，因?yàn)樗谑褂脮r(shí)會發(fā)出紫色的電暈放電輝光。這僅僅是電離的副作用。

氣隙

? ? ? ? 氣隙使兩個(gè)電極絕緣，并允許在發(fā)射極產(chǎn)生的離子加速并轉(zhuǎn)移動量到中性空氣分子，然后在收集器上失去它們的電荷。 氣隙的寬度通常為1 mm / kV

集電極

? ? ? ? 集電極的形狀可在電暈絲下提供光滑的等勢面。 其變化形式包括金屬絲網(wǎng)，平行的導(dǎo)電管或具有光滑圓形邊緣的箔裙。 裙緣上的鋒利邊緣會降低性能，因?yàn)樗鼤a(chǎn)生與推力機(jī)構(gòu)中的極性相反的離子。