XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение силы тяги ионного ветра

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Сахов А.М. 1

---

1Негосударственное учреждение "Школа "Престиж"

Усенов Е.А. 1

---

1КазНУ имени аль-Фараби

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Предыдущая работа над двигателями EHD Электрогидродинамика была впервые предложена в качестве возможного механизма тяги аспирантом Томасом Таунсендом Брауном в 1920-х годах. Хотя Браун не опубликовал никаких научных работ по этой работе, в течение следующих нескольких десятилетий была выдана серия патентов США и Великобритании , начиная с GB300311 [4]. Бахдер и Фази подробно описали историю этих патентов и разработки, которые, по-видимому, произошли с точки зрения понимания лежащей в их основе физики за это время [3]. Открытие силы, тогда называвшейся эффектом Бифельда-Брауна, было сделано во время экспериментов на Трубки Кулиджа. Механизм, ответственный за силу, не был хорошо понят, как видно из патента Брауна, ссылающегося на связь электромагнетизма и гравитации. К концу 1950-х годов Браун задумал конструкцию “подъемника”, на что указывают включенные эскизы в патенте 1960 года [5]. Браун сделал несколько ключевых замечаний, хотя некоторые из них с тех пор оказались ложными:

1. Поднятие малого электрода до положительного напряжения создает наибольшую силу

2. Эффект может функционировать как движущее устройство, так и насос для диэлектрической жидкости

3. Эффект наблюдается в диэлектрической среде, но сила не сводится к нулю в вакууме.

2.1 Ранние исследования Концепция электрического ветра, или чистого движения

Слегка ионизированного газа в электрическом поле, была рассмотрена Ченгом в исследовательской работе Управления военно-морского флота 1961 года [9]. Ченг использовал одномерную модель, состоящую из вышеупомянутого электрического ветра, а также электрического давления. Модель показала взаимосвязь между тягой и давлением окружающего газа, а именно, что тяга изменялась как p 2 . Этот вывод свидетельствует о том, что утверждение Брауна о тяге Бифельда-Брауна в вакууме является ложным и что для любого применения в космосе потребуется запасенное топливо. Другим ключевым открытием было то, что в области тлеющих разрядов аномальный тлеющий разряд создает большую тягу на единицу площади разряда, но оптимальной рабочей точкой будет тлеющий разряд, покрывающий весь электрод, из-за его меньшего удельного энергопотребления. Однако был сделан вывод о том, что тлеющий разряд имеет ограниченный потенциал в качестве основного двигательного устройства из-за отсутствия источников электропитания с достаточно высоким

Это уравнение имеет дополнительный коэффициент (1 +φ) по сравнению с уравнением 1.27. φ = вопрос 2 ρμ2 рассматривается как константа для конкретного газа со значением φ ≈ 0,02 для воздуха. Это изменение является результатом различий в определении плотности тока. Определение плотности тока Кристенсоном включало не только скорость дрейфа ионов, но и индуцированную скорость в нейтральном газе:

Термин u µe имеет ту же размерность, что и φ Кристенсона, что подтверждает согласие между двумя выводами. Из-за его небольшого значения перед лицом упрощений, сделанных при выводе, предполагается, что в настоящем исследовании безопасно пренебрегать этим фактором. Кристенсон также провел серию экспериментов для проверки этой теории. Излучатель состоял из заостренных алюминиевых стержней, прикрепленных в распределенном по площади распределении к ряду концентрических колец. Коллектор представлял собой еще одну серию концентрических колец с закругленными верхними поверхностями, максимальный диаметр которых составлял 1,167 фута. Два электрода были закреплены зажимами таким образом, чтобы можно было регулировать расстояние между ними. Результаты экспериментов подтвердили зависимость плотности тока j ∝ V (V − Vo). Также было проверено соотношение тяги к мощности, и было замечено, что оно согласуется с теоретическими прогнозами, использующими значения подвижности ионов для насыщенного и сухого воздуха. Измерения скорости проводились с помощью воздушного фильтра с лопастями

2.2 Противоречивые идеи о механизме тяги

Примерно в 1960-х годах “лифтеры” приобрели популярность среди любителей, отчасти благодаря статьям в популярных журналах, таких как “Ионокрафт” де Северского в популярном журнале 1964 года Механика [13]. С увеличением числа людей, работающих над двигателями EHD, были выдвинуты другие гипотезы о характере создания тяги. Одной из популярных идей была сила отдачи от ионов, ускоряемых излучателем. Эта идея, предполагающая 35 баллистическая траектория для зарядов, пренебрегающая силой в противоположном направлении, создаваемой столкновениями ионов с коллектором. Бахдер и Фази в Армейском исследовательском центре Лаборатория провела математический анализ для изучения достоинств этой гипотезы [3]. Рассмотрев верхний предел тяги, предполагающий отсутствие силы на коллекторе, они пришли к выводу, что сила отдачи все равно будет по меньшей мере на три порядка меньше, чем наблюдаемая в экспериментах. Для теории дрейфа ионов была сделана масштабная оценка, подобная той, которая использовалась плата за изображение. Однако это было качественно отвергнуто, поскольку это обязательно было бы силой притяжения, приводящей к нисходящей силе, противоположной подъему, наблюдаемому в предыдущих экспериментах. Окончательной теорией была картина дрейфа ионов, изученная ранее. Числа, предсказанные этой моделью, согласуются с их экспериментальными измерениями с использованием установки, состоящей из двух цилиндрических асимметричных конденсаторов, вращающихся вокруг вертикальной оси. Эксперименты также проводились в нескольких различных условиях, включая пониженное давление, чистый азот и чистый аргон. Силы были замечены во всех случаях, хотя и слабее, чем при стандартном давлении воздуха. Результаты также были обобщены в презентации конференции AIAA [7].

2.3 Недавняя Работа

Модели до этого момента в основном использовали одно измерение для простоты. Чжао создал компьютерное моделирование, основанное на методах граничных и конечных элементов, а также методе характеристик для вычисления двумерного электрического поля или эквивалента бесконечно длинных электродов [26]. Кроме того, воздушный поток был рассчитан в FLUENT. Модель была основана на конструкции “подъемника” с эмиттерным проводом (кругом) и коллекторной фольгой. Моделирование предполагало, что сила полностью обусловлена дрейфом ионов. Электрическое поле было рассчитано на сетке, и результирующие силы были включены в поток ТЕКУЧЕГО газа в качестве сил тела. Это позволило рассчитать распределение как скорости, так и давления. Также были рассчитаны три силы: кулоновская сила, вязкое сопротивление и силы давления. В 2009 году исследователи из Национальных лабораторий Сандии внесли главу о двигателях EHD в книгу AIAA по движению [18]. В этой работе двигатель типа “подъемник” был сконструировансинусоидальное напряжение практически не влияло на силу. Интересным наблюдением было то, что точка максимального энергопотребления не соответствовала максимальной тяге. Эффекты изменений геометрии были изучены при возбуждении переменным током. При заданном напряжении меньшее расстояние между зазорами приводило к большему усилию. Также был установлен небольшой локальный максимум для зазоров в диапазоне от 45 до 50 мм, точный зазор зависит от рабочего напряжения. Было показано, что глубина пластины или высота фольги не влияют на тягу, что предполагает меньшую фольгу для экономии массы. Помимо возбуждения постоянным и переменным током, было протестировано влияние магнитного поля на EHD-двигатель. Двигатель был испытан в поле В, на порядок превышающем поле Земли , ориентированном вертикально вдоль оси двигателя. Это не имело никакого эффекта в пределах точности измерений 10 мкг. Примерно в то же время Уилсон провел ряд тестов, исследующих различные аспекты двигателей EHD для НАСА [25]. Первыйбыли проведены на пяти дискретных расстояниях в диапазоне от 19 до 95 мм, и самая высокая производительность наблюдалась между промежутками от 57 до 70 мм. При рассмотрении F / P было отмечено, что при более высокой тяге соотношение сжимается вместе для разных длин зазоров, но при более низких значениях тяги они разделяются так, что большие зазоры имеют более высокие коэффициенты. Уилсон, чтобы получить более высокие значения тяги, также протестировал двигатели большего размера. Были сконструированы две рамы длиной 457 и 914 мм. Коллекторы были изготовлены из алюминиевых трубок, выполненных в форме грубого профиля с отношением толщины к длине хорды 0,5. Было проведено еще одно испытание излучателя, на этот раз сравнивались проволока, штыри, серия лезвий бритвы и один излучатель, острый как бритва. Бритвенные излучатели показывали меньшую тягу, чем проволока или штыри, и снова штыри превосходили проволоку. Затем коллектор был изменен для изучения его воздействия. Общая форма, включая отношение толщины к длине, равное 0,5, была сохранена, но длинавоздушный поток [11]. Моделирование в COMSOL MULTIPHYSICS позволило спроектировать конфигурацию проволока-цилиндр-пластина, которая выровняла бы электрическое поле параллельно вектору тяги. Однопроводной излучатель образовывал зону ионизации с двумя заземленными цилиндрами, а нижележащие пластины были смещены для наилучшей формы поля. Для измерения скорости использовалась стеклянная трубка Пито, а тяга рассчитывалась по профилям скорости. По сравнению с эталонной конфигурацией, состоящей только из проволоки и пластин, было достигнуто увеличение тяги на 46% при увеличении энергопотребления на 16%. Размеры зазора, использованные в этом исследовании, составляли 3 мм между проволокой и цилиндрами, 4 мм между цилиндрами и пластинами и 8 мм между двумя цилиндрами; эффекты для большей геометрии неизвестны. Другая команда из Университета Йонсей в Южной Корее изучала эффекты укладки нескольких ионных ветрогенераторов [16]. Каждый генератор состоял из круглого эмиттерного электрода с несколькими контактами, соединенными с более широким кольцевым кольцом

Основная часть

«Ионный ветер» – физическое явление, при котором движение воздуха создаётся с помощью электрического поля. Когда подаем высокое электрические напряжение на металлические электроды с острым концом, часть воздуха вблизи острия металла начинает ионизоваться. Ионизация - это процесс при котором нейтральные молекулы воздуха теряют или приобретают дополнительные электроны и становятся заряженными. Положительные заряженные ионы отталкиваются от плюсового полюса и начинают двигаться направленно в одну сторону. При этом они сталкиваются с нейтральными молекулами воздуха и передают им свой импульс. Так, создается движение молекул воздуха в одном направлении, что является ветром. На этом рисунке приведена картинка которая показывает возникновение ионного ветра.

Полученный ионный ветер создает тягу и силу этой тяги можно использовать для летательных аппаратов. Например, на картинке слева мы видим макет первого в мире самолета который может летать на силе тяги ионного ветра и при этом не имеет никаких движущихся деталей. Это значит в нем нет подшипников, шестеренок и так далее. При этом в качестве топлива используется воздух и электричество. Данный макет был сделан учеными их MIT (ЭмАйТи) в 2018 году. Справа на картинке приведено фото прототипа бесшумного дрона, летающей на силе ионной тяги. Она разработана стартап компанией из штата Флорида, США. Данные разработки показывают что исследование тяги очень актуально для будущих технологий.

Возникновение тяги при ионном ветре аналогично к тяге реактивных двигателей. Когда в одном направлении дует ионный ветер то он создает определенную силу малой величины. Согласно, третьему закону Ньютона возникает другая сила в противоположенном направлении. Как раз эта сила приводит к возникновению тяги для полета.

Цель проекта:

Измерить силу тяги ионного ветра на макете ионного двигателя и сравнить с

существующими прототипами.

Для достижения цели были запланированы и выполнены следующие.

Задачи:

Показать (продемонстрировать) силу тяги ионного ветра с помощью вращения

макетных самолетов

Собрать макет генератора ионного ветра и протестировать его работу

Измерить силу тяги с помощью бумажного маятника и сравнить полученный результат

Для демонстрации тяги ионного ветра был использован макет который расположен на высоковольтном электроде с тремя острыми концами. На каждом острие наклеены формы самолетиков (показываешь видео где вращаются самолеты). Как видно из видео, и фото самолетики сначала стоят неподвижно когда не включаем источник питания высокого напряжения. Но после включения, начинают вращаться. На конце острых электродов видны яркие свечения плазмы, которая возникает из-за ионизации воздуха.

Как я уже сказал, наша цель измерить силу тяги. Для этого мы собрали другой макет, в котором острые электроды стоят неподвижно. Каркас макета состоит собран из органического стекла. С одного торца расположены острые металлические электроды, которые подключаются в источнику питания высокого напряжения через проводы. Для измерения силы используется маятник сделанной из куска бумаги и который подвешен на нитку.

Как видно из видео, когда создается ионный ветер, то бумажный маятник начинает отклонятся.

Смещение бумажного маятника можно зафиксировать с помощью обычной видеокамеры. Наглядные фото рисунки приведены на этом слайде без включения генератора ионного ветра и с включенным генератором.

Поскольку мы знаем смещения маятника то можем из этого посчитать силу. Расчеты основаны на известной нам формуле математического маятника. Обработка фото из видеокадров приведена на рисунке справа. Здесь основные определяемые параметры это L - длина маятника и Х - длина смещения.

После получения результата, мы сравнили ее с результатами других ученых и инженеров мира. Например, макет ионного ветра ученых из Калифорнийского Университета в Берклей в США с среднем дает силу тяги около 300 микро Ньютон. В то время как инженеры из Технического Университета Дрездена на своем макете измерили силу около 20 микро Ньютон. Наш результат равен 80 микро Ньютон. Это является сравнительно сопоставимым значением с работами других. В основном, такая большая разница связана с тем что у всех, в том числе и у нас, используется макеты с разными размерами и источники питания с разными напряжениями и мощностью.