이온 추진 항공기

Ion-propelled aircraft
이 기사는 이온 추진 항공기에 관한 것이다.이온 추진 우주선은 이온 추진 우주선을 참조한다.

이온 추진 항공기 또는 이오노크래프트는 전기유체역학(EHD)을 이용해 연소나 움직이는 부품 없이 공중에서 인양이나 추력을 제공하는 항공기다.현재의 설계는 유인 비행이나 유용한 하중을 위한 충분한 추력을 생산하지 못한다.

역사

오리진스

이온풍 추진 원리는 프란치스코 하우크스비의 '다양한 주제에 관한 물리-기계적 실험'이라는 책에서 1709년에 이르는 참조를 가진 전기를 발견한 직후에 발견되었다.

VTOL "lifter" 실험

미국의 실험자 토머스 타운젠드 브라운은 반중력 효과라는 잘못된 인상을 받아 이 원리에 대한 연구를 하면서 일생의 대부분을 보냈는데, 비펠드-브라운 효과라고 이름 붙였다.그의 장치는 중력의 방향에 관계없이 필드 경사 방향으로 추력을 발생시켰고 진공 상태에서는 작동하지 않았기 때문에 다른 작업자들은 그 영향이 EHD 때문이라는 것을 깨달았다.[1][2]

VTOL 이온 추진 항공기를 "라이프터"라고 부르기도 한다.초기 예들은 와트당 약 1그램의 중량을 들어올릴 수 있었는데,[3] 이것은 지상에 남아 길고 얇고 유연한 전선을 통해 우주선을 공급하는, 필요한 중전압 전원공급장치를 들어올리기에 불충분했다.

양력을 위한 EHD 추진력의 사용은 1950년대와 1960년대에 미국의 항공기 설계자 알렉산더 프로코피프 드 세베르스키 소령이 연구했다.그는 1959년에 "이온크래프트"에 대한 특허를 출원했다.[4]그는 비록 중전원 공급은 외부로 남아있지만, 다른 영역에 적용되는 전압을 변화시켜 측면 기동이 가능한 VTOL 이오노크래프트 모델을 제작하고 비행했다.[5]

표면 전체에 전극이 박혀 있는 접시 모양의 EHD 리프터인 2008 Wingless Electronic Air Vehicle(WEAV)은 21세기 초 플로리다 대학의 Subrata Roy가 이끄는 연구팀에 의해 연구되었다.추진 시스템은 이온화 효율을 높이기 위해 자기장을 사용하는 등 많은 혁신을 채택했다.외부 공급 장치가 있는 모델은 최소 리프트-오프 및 공기부양 효과를 달성했다.[6][7]

온보드 파워

21세기 전력 공급은 더 가볍고 효율적이다.[8][9]자체 탑재 전력 공급장치를 이용해 이착륙한 최초의 이온 추진 항공기는 2006년 일렉트로닉에어의 에단 크라우스가 개발한 VTOL 기종이었다.[10]그의 특허 출원은 2014년 접수됐으며, 2017년 스타더스트 스타트업으로부터 프로젝트 지원 마이크로그랜트를 받았다.[11]이 우주선은 빠르게 상승하거나 수평으로 몇 분 동안 날 수 있을 만큼 충분한 추진력을 개발했다.[10][12]

2018년 11월, 최초의 자급식 이온 추진 고정익 비행기인 MIT EAD 에어프레임 버전 2가 60m를 비행했다.그것은 매사추세츠 공과대학교의 스티븐 배럿이 이끄는 학생 팀에 의해 개발되었다.그것은 날개 폭이 5미터였고 무게는 2.45킬로그램이었다.[13]이 우주선은 탄성 밴드를 사용하여 캐터펄트 발사되었고, EAD 시스템은 낮은 레벨에서 비행 중인 항공기는 탄성 밴드를 사용하여 발사되었다.

작동 원리

이온 공기 추진은 움직이는 부품 없이 전기 에너지를 통해 공기 흐름을 만들어 내는 기술이다.이 때문에 "솔리드 스테이트" 드라이브로 설명되기도 한다.전기유체역학의 원리에 근거하고 있다.

그것의 기본 형태에서, 그것은 선도적인 이미터 와이어와 다운스트림 컬렉터 두 개의 병렬 전도성 전극으로 구성되어 있다.그러한 배열이 고전압(mm당 킬로볼트 범위)에 의해 구동될 때, 방출체는 공기 중의 분자를 이온화하여 수집기로 역방향으로 가속시켜 반작용으로 추력을 생성한다.도중에 이온들은 전기적으로 중성적인 공기 분자와 충돌하여 그것들을 차례로 가속시킨다.

이온은 양전하 또는 음전하일 수 있으므로 효과는 전기 극성에 직접 의존하지 않는다.전극의 극성을 반전시키면 전하를 전달하는 이온의 극성도 반전되기 때문에 운동 방향이 바뀌지 않는다.추력은 어느 쪽이든 같은 방향으로 생산된다.양의 코로나의 경우 초기에 질소 이온이 생성되는 반면 음극성의 경우 산소 이온이 주요 1차 이온이다.이 두 가지 유형의 이온은 즉시 다양한 공기 분자를 끌어들여 전하 전달체 역할을 하는 두 부호의 분자 군집을[14] 생성한다.

기존 EHD 추진기는 기존 엔진보다 효율이 훨씬 떨어진다.[15]

순수 이온 추진 로켓과 달리 전기유체역학적 원리는 우주의 진공에서 적용되지 않는다.[16]

전기유체역학

주요 기사:전기유체역학

EHD 장치에 의해 발생하는 추력은 Biebeld-Brown 효과의 예로서 Child-Langmuir 방정식의 변형된 사용을 통해 도출될 수 있다.[17]일반화된 1차원 처리방법은 다음과 같은 방정식을 제공한다.

어디에

  • F는 결과적인 힘이다.
  • 나는 전류다.
  • d는 공극이다.
  • k는 작동 유체의 이온 이동성으로 [18]SI 단위에서 A s kg2−1 단위로 측정되지만 일반적으로 m V2−1 s−1. A 표면 압력 및 온도에서 공기에 대한 일반적인 값은 1.5×10−4 m V2−1−1)[18]이다.

공기와 같은 기체에 적용되는 원리를 전기역학(EAD)이라고도 한다.

이오노크래프트를 켜면 코로나 와이어는 보통 20~50kV의 높은 전압으로 충전된다.코로나 와이어가 약 30 kV에 이르면 주변의 공기 분자가 전자를 벗겨 이온화되게 한다.이렇게 되면 이온은 양극에서 밀어내서 집열기 쪽으로 끌어당겨져 이온의 대다수가 집열기 쪽으로 가속하게 된다.이온들은 표류 속도라고 불리는 일정한 평균 속도로 이동한다.그러한 속도는 충돌 사이의 평균 자유 경로, 외부 전기장의 강도, 이온과 중성 공기 분자 질량에 따라 달라진다.

전류가 코로나 방전(긴밀하게 연결된 호가 아닌)에 의해 전달된다는 것은 움직이는 입자가 팽창하는 이온구름으로 확산되어 중립적인 공기 분자와 자주 충돌한다는 것을 의미한다.추력을 일으키는 것은 이 충돌이다.이온 구름의 추진력은 충돌하는 중립 공기 분자에 부분적으로 전달되며, 이 분자는 중립적이기 때문에 두 번째 전극으로 다시 이동하지 않는다.대신 그들은 중립적인 바람을 일으키면서 같은 방향으로 계속 이동한다.이러한 중립적인 분자들이 이오노크래프트에서 배출됨에 따라 뉴턴의 제3법칙과 일치하여 동등한 힘과 반대의 힘이 있으므로 이오크래프트는 동일한 힘으로 반대 방향으로 이동한다.발휘되는 힘은 순풍에 버금간다.그 결과 발생하는 추력은 기압과 온도, 가스 구성, 전압, 습도, 공극 거리 등의 다른 외부 요인에 따라 달라진다.

전극 사이의 간격에 있는 공기 질량은 높은 드리프트 속도로 움직이는 흥분된 입자에 의해 반복적으로 충격을 받는다.이로 인해 전기 저항이 발생하며, 이를 극복해야 한다.이 과정에서 걸린 중립 공기의 최종 결과는 모멘텀에서 효과적으로 교환을 유발하여 추력을 발생시키는 것이다.공기가 무겁고 밀도가 높을수록 결과적인 추력이 높아진다.

항공기 구성

기존의 반동 추진력과 마찬가지로 EAD 추진력은 고정익 비행기에 동력을 공급하기 위해 수평으로 또는 때로는 "라이프터"라고 불리는 동력 리프트 크래프트를 지지하기 위해 수직으로 향할 수 있다.

디자인

대표적인 이온크래프트 구조

이온 추진 시스템의 추력 발생 구성요소는 코로나 또는 이미터 와이어, 공극, 이미터 하류에서 수집기 와이어 또는 스트립의 세 부분으로 구성된다.경량 절연 프레임은 배치를 지지한다.방출기와 집열기는 최대 추력을 생성하는 포화 코로나 전류 조건을 달성하기 위해 공극이 좁고 가능한 한 서로 가까이 있어야 한다.그러나 방출체가 수집기에 너무 가까이 있으면 그 간격을 가로질러 호를 긋는 경향이 있다.[citation needed]

이온 추진 시스템은 필요한 고전압 때문에 많은 안전 예방 조치를 필요로 한다.

이미터

이미터 와이어는 일반적으로 고전압 전원 공급기의 양극 단자에 연결된다.일반적으로 작은 게이지 맨 전도성 와이어로 만들어진다.구리선을 사용할 수 있지만 스테인리스처럼 잘 작동하지 않는다.마찬가지로, 44 또는 50 게이지와 같은 얇은 와이어는 더 일반적인 크기, 30 게이지와 같은 더 큰 크기를 능가하는 경향이 있는데, 이는 더 작은 직경의 와이어 주위의 강한 전기장이 더 나은 이온화와 더 큰 코로나 전류를 야기하기 때문이다.[citation needed]

방출기는 사용 중 보라색 코로나 방전 광채를 발산하는 경향이 있어 "코로나 와이어"라고 부르기도 한다.[citation needed]이것은 단순히 이온화의 부작용이다.

공극

공극은 두 개의 전극을 절연하고 방출기에서 생성된 이온이 가속하여 중성 공기 분자로 모멘텀을 전달하고 수집기에서 전하를 잃게 한다.공극의 폭은 일반적으로 1 mm / kV이다.[19]

수집기

집열기는 코로나 와이어 아래에 매끄러운 등전위 표면을 제공하도록 형상화되었다.이것의 변형으로는 철망, 평행 전도관, 또는 가장자리가 매끄럽고 둥근 포일 스커트가 있다.스커트의 날카로운 가장자리는 추력 메커니즘 내의 이온과 반대 극성의 이온을 발생시키기 때문에 성능을 저하시킨다.[citation needed]

참고 항목

참조

  1. ^ Thompson, Clive (August 2003). "The Antigravity Underground". Wired Magazine.
  2. ^ Tajmar, M. (2004). "Biefeld–Brown Effect: Misinterpretation of Corona Wind Phenomena". AIAA Journal. 42 (2): 315–318. Bibcode:2004AIAAJ..42..315T. doi:10.2514/1.9095.
  3. ^ 이온 속도 "J L Naudin's Lifter-3 펄스 HV 1.13g/Watt"와 관련된 리프터 효율성 관련 2014-08-08년 웨이백 머신에 보관
  4. ^ 미국 특허 3,130,945, 1959년 8월 31일, 1954년 4월 28일 발행.
  5. ^ Major de Seversky's Ion-Propelled Aircraft. Vol. 122. Popular mechanics. August 1964. pp. 58–61.
  6. ^ Greenemeier, Larry (7 July 2008). "The World's First Flying Saucer: Made Right Here on Earth". Scientific American.
  7. ^ Roy, Subrata; Arnold, David; Lin, Jenshan; Schmidt, Tony; Lind, Rick; et al. (2011). Air Force Office of Scientific Research; University of Florida (eds.). Demonstration of a Wingless Electromagnetic Air Vehicle (PDF) (Report). Defense Technical Information Center. ASIN B01IKW9SES. AFRL-OSR-VA-TR-2012-0922.
  8. ^ Borg, Xavier; "포화 코로나 전류 조건에서 EHD 스러스터에 대한 완전한 분석 및 설계 솔루션", The General Science Journal(비 피어 검토), 2004, 2006년 업데이트.
  9. ^ Granados, Victor H.; Pinheiro, Mario J.; Sa, Paulo A. (July 2016). "Electrostatic propulsion device for aerodynamics applications". Physics of Plasmas. 23 (7): 073514. Bibcode:2016PhPl...23g3514G. doi:10.1063/1.4958815.
  10. ^ a b "Ion-Powered Aircraft Invention". The Stardust-Startup Factory. 2019-02-27. Retrieved 2019-08-15. The flying device originally lifted its power supply directly off of the ground with no moving parts in 2006.
  11. ^ us 10119527
  12. ^ YouTube
  13. ^ Hern, Alex (2018-11-21). "First ever plane with no moving parts takes flight". the Guardian. Retrieved 2018-11-25.
  14. ^ Harrison, R. G. (2003). "Ion-aerosol-cloud processes in the lower atmosphere". Reviews of Geophysics. 41 (3). doi:10.1029/2002rg000114. ISSN 8755-1209.
  15. ^ Chen, Angus. "Silent and Simple Ion Engine Powers a Plane with No Moving Parts". Scientific American. Retrieved 2019-08-15.
  16. ^ "Ion Propulsion" (PDF).
  17. ^ "Electrokinetic devices in air" (PDF). Retrieved 2013-04-25.
  18. ^ a b Tammet, H. (1998). "Reduction of air ion mobility to standard conditions". Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 103: 13933–13937. doi:10.1029/97JD01429. hdl:10062/50224.
  19. ^ Meesters, Koos; Terpstra, Wessel (2019-12-02). "ion drives and sustainability" (PDF). Retrieved 2019-12-03.

원천

외부 링크