[image]

Твердотельный (ионный) двигатель в авиации

Теги:авиация
 
LT Bredonosec #09.05.2022 10:26
+
+1
-
edit
 
С год назад была любопытная презентация модельки с ионным двигателем.

Твердотельный движитель.

Мы привыкли, что самолет - это нечто, имеющее или пропеллер, или ГТД, или на крайняк машущее крыло, словом, некий движущийся элемент, создающий поток воздуха для создания тяги. Подобное кажется неизбежным, однако это не так.

В конце 2018 года в журнале Nature была опубликована статья
"Flight of an aeroplane with solid-state propulsion"

Flight of an aeroplane with solid-state propulsion - Nature

A solid-state propulsion system can sustain powered flight, as demonstrated by an electroaerodynamically propelled heavier-than-air aeroplane. //  www.nature.com
 

Что это за солид-стейт создание тяги? Как оказывается, это известный нам по космосу ионник. Ионный двигатель.
Грубо принцип действия состоит в том, что мощное ЭМ поле ионизирует газ и разгоняет ионы (заряженные частицы) до высоких скоростей (в космических вариантах двигателя до десятков км/с), что создает реактивную тягу.

До сих пор считалось, что КПД подобного двигателя в атмосфере откровенно недостаточен для поддержания полета, однако исследователи из MIT под руководством Стивена Баррета после многих лет оптимизаций смогли создать демонстратор технологий, способный пусть и кратковременно, но лететь с использованием ионой тяги.

Аппарат весом 2.5 кг с размахом крыла 5м оснащен 2 рядами проводов в крыле и под ним. Поданная разница потенциалов в 40 киловольт (!!) ионизирует молекулы атмосферного азота, разгоняет их, создавая тягу, достаточную для горизонтального полета. Источником служит обычная литий-ионная батарея плюс высоковольтный трансформатор.

В деталях "двигатель" выглядит как провод, на который подано +20кВ. Он вытягивает электроны у близ пролетающих молекул азота, превращая их в положительные ионы, которые притягиваются находящимся позади аэродинамическим профилем, на который подано -20кВ. Поток ионов разгоняет и близлежащие нейтральные атомы газа, уменьшая среднюю скорость потока, но увеличивая его массу, тем снижая потери и увеличивая реактивную тягу. Грубо теоретически прикинуть тягу в килограммах можно, умножив ток утечки в амперах на число электронов в Кулоне, и на массу иона азота. Для оценки мощности также нужна скорость потока, она равна напряженности поля (разность потенциалов делить на расстояние меж электродами) умножить на подвижность иона (зависит от элемента и температуры).
Вероятно, выбор системы параметров (разность потенциалов, расстояния, форма, длина и число проводников), позволяющих захватить потоком максимальное число нейтральных частиц, и тем нарастить КПД движителя, а также плотность тяги (величина тяги на единицу размера движителя) и были предметом оптимизации.

Пока демонстратор технологий (а это именно он, не надо ждать от него утилитарного применения) смог продержаться в воздухе 12 секунд, пролетев 60 метров. Разгон для взлета тоже катапультный. Как сообщается, на полет было потрачено 50% заряда батареи.

Для людей, не обладающих инженерным мышлением, глава проекта обьясняет визию в образах: традиционные аппараты сжигают топливо в камерах сгорания, создают шум пропеллерами и турбинами. А будущее авиации видится ему как нечто тихое и чистое, с голубоватым свечением, как картинки из "Стар Трека" и подобных киносказок.

На ближайшее будущее транспортировка людей подобными системами даже не предполагается ввиду ограничений, накладываемых плотностью мощности (нельзя располагать проводники плотнее - будет атмосферный пробой, нельзя заметно увеличить скорость: система проводников создает сопротивление. Увеличение движителя без масштабирования упирается в пролемы структурной прочности, т.д.). Но для мелких аппаратов, к тому же подпитываемых от СБ, это в пределах реально осуществимого.
 

Ion drive: The first flight

Смотрите онлайн Ion drive: The first flight 5 мин 5 с. Видео от 19 марта 2021 в хорошем качестве, без регистрации в бесплатном видеокаталоге ВКонтакте! 4094 — просмотрели. 27 — оценили. //  vk.com
 

Тогда тяги едва хватало на преодоление горизонтального сопротивления комнатной модельки (порядка 1/20-1/30 от собственного веса).

На новый год технологию сумели продвинуть до того, что новая модель 25 секунд вертикально висела в воздухе

Ion Propulsion Drone Flight Mission II (Dec 21, 2021)

Смотрите онлайн Ion Propulsion Drone Flight Mission II (Dec.. 38 с. Видео от 9 мая 2022 в хорошем качестве, без регистрации в бесплатном видеокаталоге ВКонтакте! 9 — просмотрели. //  vk.com
 

сейчас заявляется, что сумели заставить модель провисеть уже 2.5 минуты.

Технология, кмк, имеет будущее - летающие машины без движущихся частей открывают достаточно большие возможности
   91.091.0
ZA Татарин #09.05.2022 14:25  @Bredonosec#09.05.2022 10:26
+
-
edit
 

Татарин

координатор
★★★★★
Bredonosec> Технология, кмк, имеет будущее - летающие машины без движущихся частей открывают достаточно большие возможности
Есть проблема с эффективностью этого двигателя.
Точнее, проблемы. Фундаментальные, ну или, по крайней мере, такие, что никто пока не придумал как их обойти.

1. Ты ускоряешь единичные ионы, и они уже передают импульс другим молекулам воздуха, причём, бОльшая часть энергии тратится при этом на нагрев, потому что атомы сталкиваются не идеально лоб-в-лоб.
2. Энергия ионизации - несколько эВ, и она бесполезно теряется при рекомбинации. Ион должен иметь достаточное время жизни и успеть передать достаточный импульс, чтобы окупить такие расходы. Это нужно сделать на протяжении короткого тракта, к которому приложено ускоряющее напряжение. Даже при никакущем пропульсивном КПД, тракт получается большой, а это парусность.
По той же причине (желание избежать разряда и бесполезной траты энергии в тепло) ток конкретного источника ионов не может быть большим. А это бьёт по удельной мощности.
3. Химические потери (на образование озона и высших окислов азота) - это нее только потери энергии, это ещё и выхлоп.

Плюс к этому масса технических проблем (радиопомехи от ионизатора, например).

От батареек ионные двигатели имеют гораздо больше смысла (не требуется преобразовывать тепло сначала в электричество), но пока эти две замороки не решены.
   100.0.4896.127100.0.4896.127
LT Bredonosec #09.05.2022 16:32  @Татарин#09.05.2022 14:25
+
-
edit
 
Татарин> Есть проблема с эффективностью этого двигателя.
Татарин> Точнее, проблемы. Фундаментальные, ну или, по крайней мере, такие, что никто пока не придумал как их обойти.
согласен, что они есть.
И год назад, увидев ту первую модельку, решил, что это только как курьёз.
Сейчас, увидев это - вижу, что решаемо. Даже если дальше не продвинутся, уже рисуются любопытные варианты использования с распределенной нагрузкой - висячие ретрансляторы или глаза на СБ, имеющие меньшую парусность и заметность, нежели воздушные шары..

Татарин> 1. Ты ускоряешь
да, я изначально эти же возражения к той модельке приводил, считая её курьезом. :)

Татарин> От батареек ионные двигатели имеют гораздо больше смысла (не требуется преобразовывать тепло сначала в электричество), но пока эти две замороки не решены.
да, только в исключительно электрическом варианте это и имеет смысл.
   91.091.0
ZA Татарин #09.05.2022 18:13  @Bredonosec#09.05.2022 16:32
+
+1
-
edit
 

Татарин

координатор
★★★★★
Татарин>> Есть проблема с эффективностью этого двигателя.
Татарин>> Точнее, проблемы. Фундаментальные, ну или, по крайней мере, такие, что никто пока не придумал как их обойти.
Bredonosec> согласен, что они есть.
Bredonosec> И год назад, увидев ту первую модельку, решил, что это только как курьёз.
Первые модельки - это 60-е. Как бы ещё "Юный Техник" и "Техника Молодёжи" ещё в то время всё обсосали.

Bredonosec> Сейчас, увидев это - вижу, что решаемо.
Не вижу как. Не вижу поводов так думать.
Всё, что сейчас сделали - реализовали демонстратор эффекта с нормальным подходом.
Вместо пионерской наколеночной модели с блоком высоковольтного питания от телевизора взяли нормальный бюджет и помучались уже не пионеры.
Получили нечто более продвинутое, предельное для заданого уровня технологий.
Но тем не менее, КМК, столь же тупиковое, как и раньше. Ибо ключевые проблемы-то - по сути не решены.

У тебя есть предел по ускоряющему полю - напряжение пробоя. У тебя есть предел(пределы) по току. Соотвественно, по мощности на объём - тоже проблемы.
У тебя есть пределы по КПД (ионизация реально дорогая, это эквивалентно нагреву до десятков тысяч К).
Электрон и отрицательные ионы переносят импульс обратно, разгоняя поток в обратную сторону за счёт всё той же энергии. И т.п. и т.д.

Супротив простого винта с приличным КПД.

Ну разве что шуму меньше.
   100.0.4896.127100.0.4896.127
LT Bredonosec #10.05.2022 10:51  @Татарин#09.05.2022 18:13
+
-
edit
 
Bredonosec>> И год назад, увидев ту первую модельку, решил, что это только как курьёз.
Татарин> Первые модельки - это 60-е. Как бы ещё "Юный Техник" и "Техника Молодёжи" ещё в то время всё обсосали.
и они летали?? На чисто ионнике? А можно поглядеть на то чудо?

Татарин> Получили нечто более продвинутое, предельное для заданого уровня технологий.
а почему ты думаешь, что предельное?
и если оно способно давать тягу, равную или превышающую собственный вес, то что мешает сделать самолет-этажерку (или просто чего-то типа АД ножей вдоль верхней поверхности крыла намутить с катодом спереди и анодом сзади, диэлектрик для аэродинамичности посередине) и получить нечто летающее на длительный период ввиду потребной тяги в 1/20 - 1/30 от массы?

Татарин> У тебя есть предел по ускоряющему полю - напряжение пробоя. У тебя есть предел(пределы) по току. Соотвественно, по мощности на объём - тоже проблемы.
зато есть запас по тяге. см выше :)

Татарин> У тебя есть пределы по КПД (ионизация реально дорогая, это эквивалентно нагреву до десятков тысяч К).
но мы же греем не всю массу, а только отдельные ионы. В итоге на массу ускоряемого ими воздуха выходитзаметно меньше, разве нет?

Татарин> Электрон и отрицательные ионы переносят импульс обратно, разгоняя поток в обратную сторону за счёт всё той же энергии. И т.п. и т.д.
импульс электрона пренебрежим, а про ионы не подумал.

Татарин> Ну разве что шуму меньше.
я б больше обратил внимание на движущиеся части, имеющие износ в отличие от твердотельного движителя.
   91.091.0
EE Татарин #10.05.2022 11:03  @Bredonosec#10.05.2022 10:51
+
-
edit
 

Татарин

координатор
★★★★★
Bredonosec>>> И год назад, увидев ту первую модельку, решил, что это только как курьёз.
Татарин>> Первые модельки - это 60-е. Как бы ещё "Юный Техник" и "Техника Молодёжи" ещё в то время всё обсосали.
Bredonosec> и они летали?? На чисто ионнике? А можно поглядеть на то чудо?
Конечно, летали. Блок питания был на земле, но конструкция из фольги и иголочек летала.

Татарин>> Получили нечто более продвинутое, предельное для заданого уровня технологий.
Bredonosec> а почему ты думаешь, что предельное?
Ну, потому что там были более-менее взрослые инженеры с нормальным бюджетом.

Bredonosec> и если оно способно давать тягу, равную или превышающую собственный вес, то что мешает сделать самолет-этажерку (или просто чего-то типа АД ножей вдоль верхней поверхности крыла намутить с катодом спереди и анодом сзади, диэлектрик для аэродинамичности посередине) и получить нечто летающее на длительный период ввиду потребной тяги в 1/20 - 1/30 от массы?
Ну, кроме массы крыльев ничего, наверняка ещё и сделают.
Но какие из этого практические следствия? Та же этажерка с обычным двигателем и винтом будет в десятки раз лучше, а если увеличить винт - то и в сотни раз.

Bredonosec> я б больше обратил внимание на движущиеся части, имеющие износ в отличие от твердотельного движителя.
Ну, в электродвигателе это один или два подшипника. Довольно надёжная штука.
Машина со сроком службы 100 лет и машина со сроком службы 10000 лет с практической точки зрения для авиации одинаково хороши. То есть, не то чтобы улучшение этого параметра малозначимо, оно после некоторого предела не значимо вообще, не даёт преимуществ.
Тем более, что высоковольтные системы сами по себе имеют значимый износ.
   101.0.4951.54101.0.4951.54
+
-
edit
 

Полл

координатор
★★★★★
Данные двигателя имеют смысл в микроавиации. Где нормальные двигателя как раз работают плохо.
   2222
LT Bredonosec #10.05.2022 14:50  @Татарин#10.05.2022 11:03
+
-
edit
 
Татарин> Конечно, летали. Блок питания был на земле,
не, это не считается. Считается только вся конструкция :)
Иначе вон и фотонолёты есть - только лазер находится на земле, а летает только юла из фольги.

Bredonosec>> а почему ты думаешь, что предельное?
Татарин> Ну, потому что там были более-менее взрослые инженеры с нормальным бюджетом.
но кто сказал, что они именно продвинулись до предела? Есть много областей, где нормальные инженеры с даже ненормальными бюджетами что-то делают, потом делают лучше, потом еще лучше..

Татарин> Ну, кроме массы крыльев ничего, наверняка ещё и сделают.
распределенная конструкция.

Татарин> Но какие из этого практические следствия? Та же этажерка с обычным двигателем и винтом будет в десятки раз лучше, а если увеличить винт - то и в сотни раз.
движущиеся детали - это износ. Это необходимость обеспечить работу в условиях среды, попадающей внутрь.

Татарин> Ну, в электродвигателе это один или два подшипника. Довольно надёжная штука.
при условии чистой среды, к примеру.
и только воздуха.
А движитель без движущихся частей не требует того, ему важна только электропроницаемость среды.

Или, кстати, да - микроминиатюризация ЛА.
Машущие крылья на пьезоэффекте я выкладывал несколько мес назад. Тоже казалось бы неэффективно, но при уменьшении масштаба играет.
   91.091.0
RU Дем #13.05.2022 18:37  @Bredonosec#10.05.2022 14:50
+
-
edit
 

Дем
Dem_anywhere

аксакал
★☆

Bredonosec> движущиеся детали - это износ. Это необходимость обеспечить работу в условиях среды, попадающей внутрь.
Трущиеся детали. Но в принципе винт можно и безконтактно подвесить.
А трением аппарата о воздух как правило можно пренебречь.
   100.0100.0
EE Татарин #13.05.2022 21:13  @Bredonosec#10.05.2022 14:50
+
-
edit
 

Татарин

координатор
★★★★★
Bredonosec> А движитель без движущихся частей не требует того, ему важна только электропроницаемость среды.
Нет, ему нужна газовая среда. Определённая, при определённом давлении.
В тумане, например, ионолёт просто не полетит. В дождь, пусть самый маленький, - не полетит. И т.п. и т.д.
   101.0.4951.54101.0.4951.54
LT Bredonosec #14.05.2022 10:35  @Татарин#13.05.2022 21:13
+
-
edit
 
Bredonosec>> А движитель без движущихся частей не требует того, ему важна только электропроницаемость среды.
Татарин> Нет, ему нужна газовая среда. Определённая,
Так я и пишу про электропроницаемость.
   51.0.2704.10651.0.2704.106
EE Татарин #14.05.2022 13:38  @Bredonosec#14.05.2022 10:35
+
-
edit
 

Татарин

координатор
★★★★★
Bredonosec>>> А движитель без движущихся частей не требует того, ему важна только электропроницаемость среды.
Татарин>> Нет, ему нужна газовая среда. Определённая,
Bredonosec> Так я и пишу про электропроницаемость.
Не понимаю. Если ты про диэлектрическую проницаемость, то она как бы немного про другое.
Если про проводимость - то тоже другое.

И условия применения сильно более жёсткие, чем для винта.

...малошумность же - следствие небольших потоков (читать как мылый импульс и тяга). Если систему каким-то образом довести до того, что она будет мощной, шум никуда не денется - появится.
   101.0.4951.54101.0.4951.54
LT Bredonosec #14.05.2022 17:41  @Татарин#14.05.2022 13:38
+
-
edit
 
Bredonosec>> Так я и пишу про электропроницаемость.
Татарин> Не понимаю. Если ты про диэлектрическую проницаемость, то она как бы немного про другое.
Да, некорректно выразился. Электропрочность.

Татарин> И условия применения сильно более жёсткие, чем для винта.
да, к электропроводящим средам оно чувствительно.
Но своя ниша у них может иметься. Напр, коррозионные среды..
   98.098.0
CA Fakir #17.05.2022 12:58  @Татарин#14.05.2022 13:38
+
+1
-
edit
 

Fakir

BlueSkyDreamer
★★★★☆
Татарин> ...малошумность же - следствие небольших потоков (читать как мылый импульс и тяга). Если систему каким-то образом довести до того, что она будет мощной, шум никуда не денется - появится.

Так шум же не вполне однозначно связан с мощностью. Важно, какие гармоники присутствуют, какие нет. Это как, к примеру, кувыркаются с законцовками вертолётных лопастей, и таким образом значительно снижают мощность и меняют характер шума при той же самой мощности на винте и тяге.
Шум - всегда же проявление какого-то колебательного процесса в потоке. Или в самом потоке, или в прилегающем твёрдом теле, вызванные потоком - и всё это сильно зависит от (ну, куча духовых инструментов от сирены до органа включительно намекает). Большую роль играет турбулентность и неоднородность потока (собственно, порождающая турбулентность, от исходной неоднородности зависит получающаяся турбулентность, какое там будет распределение вихрей по масштабам-энергиям, т.е. спектр шума).
А у "ионодува" с ламинарностью довольно хорошо, собственно, может быть, это один из лучших источников высоколаминарного потока (лучше разве хонейкомбы, наверное). В отличие от воздушного винта любого типа, который как ни крути, а вихрей и возмущений в поток напихает.
   56.056.0
EE Татарин #17.05.2022 13:07  @Fakir#17.05.2022 12:58
+
-
edit
 

Татарин

координатор
★★★★★
Fakir> А у "ионодува" с ламинарностью довольно хорошо
...почему, собссно?

Там же инжектор/генератор ионов есть прямо в потоке, нейтрализаторы (отрицательный электрод) - в потоке.
Пропускная способность на точку ограничена, сталыть, много всего находится прямо в потоке и генерирует вихри. Ну, разве что скорость потока меньше у потока при лопасти винта, чем у потока ионодува. Но всё же...

Да, шум неоднозначно связан с мощностью даже у винта. Но именно поэтому ионодув не имеет критического преимущества: отполируй лопасти идеальной формы, подави вихреобразование, снизь скорость потока, и вот она, малошумность.
   101.0.4951.54101.0.4951.54
CA Fakir #17.05.2022 13:33  @Татарин#17.05.2022 13:07
+
-
edit
 

Fakir

BlueSkyDreamer
★★★★☆
Татарин> ...почему, собссно?
Татарин> Там же инжектор/генератор ионов есть прямо в потоке, нейтрализаторы (отрицательный электрод) - в потоке.

"Размер имеет значение".
Даже не пускаясь в гидродинамические рассуждения - посмотри на обычный комнатный вентилятор, у которого лопасти упрятаны в защитную решётку или там сетку. Гудит, да? Убери решётку - многое изменилось?
Характерный размер острий и нейтрализаторов - как у той вентиляторной сетки.

Конечно, при большой скорости потока ситуация количественно поменяется, но общая идея остаётся.

Татарин> Пропускная способность на точку ограничена, сталыть, много всего находится прямо в потоке и генерирует вихри.

Маленькие, значит, с другими частотами.

Могут еще пойти колебания более длинноволновые по кельвин-гельмгольцеву механизму, ну типа развевающегося флага. Но они зависят от поперечного профиля скорости потока, если нет резких перепадов - инкременты малы или вовсе отсутствуют. У потока постоянной скорости с резкими границами на границах будут колебания, если же поток с профилем с плавным уменьшением скорости от центра к периферии - этого можно избежать или как минимум уменьшить раскачку, подбирая профиль. А у ионодува пучок поддаётся тонкой профилировке достаточно легко.
   56.056.0

в начало страницы | новое
 
Поиск
Настройки
Твиттер сайта
Статистика
Рейтинг@Mail.ru