https://madrid.hostmaster.org/articles/electroaerodynamic_propulsion/is.html
Þær innsýn sem kynntar eru í þessu ritstörfum koma frá tugum tilrauna sem höfundurinn framkvæmdi milli 2016 og 2018, þar sem kannað var rafmagnsloftdrifs með fjölbreyttu úrval af orkusolum (AC og DC), rafskautageometrum og tegundum jónageislara. Þessar rannsóknir náðu hámarki í smíði 80 cm snúðsins sem sýndur er hér að neðan, sem náði snúningshraða upp á 18 rpm með minna en 6 kV og einungis um 100 mW af rafmagns innslætti.
Þetta tilraunarævintýri afhjúpaði að frammistöðunni er mun meira háð dreifingu og geometríu rafspenna en hreyfingu lofts eða jónastraumnum sjálfum. Þessar athuganir lögðu grunninn að þeim kenningalegu endurformun rafmagnsloftdrifs sem fylgir.
Rafmagnsloftdrifs (EAD) - oft nefnt rafmagnsflæðisdrifs (EHD) eða „jónavindur“ - er ein af þeim sjaldgæfu tækni sem lítur út eins og vísindaskáldskapur: tæki sem þögull fer í gegnum loftið án hreykjanlegra hluta, án brennslu og án sýnilegrar útblásturs. Almenningsins heyrdi í fyrsta sinn um þetta á fyrstu áratug 2000. í gegnum „lifter“ verkefni í bakgarðinum og aftur árið 2018 þegar MIT sýndi „jónaflugvél“ sem svífði yfir íþróttahús.
En undirliggjandi eðlisfræði hefur lengri og flóknari sögu. Næstum öld fyrr höfðu Thomas Townsend Brown og Paul Biefeld athugað að háspennukondensatorar gætu myndað lítið en stöðugt drif. Brown kenndi áhrifunum „andgravitation“. Nútímafræði, vopnuð lögum Maxwell og Coulomb, viðurkennir að sannleikurinn er fínlegri - og á mörgum háttum, dýpri.
EAD drifs snýst ekki um að blása lofti með jónum. Það snýst um ** að móta rafmagnsspenna** þannig að afleiðandi rafspennaþrýstingur mynið netthreyfingu. Því miður er EAD tæki knúin af Maxwell og Coulomb: geometríu og hreyfingu rafmagnsspennunnar sjálfrar.
Spurðu flestar verkfræðinga um EHD drifs og þú munt heyra einfalda sögu: skarpur geisari framleiðir jóna í gegnum krónuútflæði; þessir jónar hröðast á móti safnarrafskaut, rekast á hlutlaus loftagnmolekyl á leiðinni og flytja þeim hreyfingu. Hlutlaus gas hreyfast - sá svo nefndi „jónavindur“ - og samkvæmt þriðju lögmáli Newtons upplifir tækið jafngildi og andstæðan drifkraft.
Þetta mynd er ekki röng, en hún er ófullnægjandi.
Í raunvísindum bera jónarnir ómerkileg massa. Árekstrar þeirra við hlutlausa eru tíðir, já, en hreyfingin sem flutt er á hverjum árekstri er lítil. Mikilvægara er, engin veruleg vélræn kraftur starfar beint á nálaspítnum eða safnaranum. „Vindurinn“ er afleiðing, ekki uppspretta, drifsins.
Þessi raunverulegi vél er í rafmagnsspennunni sem hröðun þessara jóna - í endurdreifingu rafspennaþjóðarinnar þegar rúmgeðslin myndast og streymir.
Maxwell jafnvægi lýsa því hvernig rafmagnsspennur geyma og flytja hreyfingu í gegnum Maxwell spennutensurinn:
\[ \mathbf{T} = \varepsilon_0(\mathbf{E}\mathbf{E} - \tfrac{1}{2}E^2\mathbf{I}) \]
Samræming þessarar tensur yfir yfirborð hvaða líkam sem er gefur nettó rafspennutrygging sem starfar á honum. Þessi þrýstingur - ekki hreyfing lofts - er það sem ýtir EHD drifinu áfram.
Þegar krónuútflæði á sér stað myndast ský af jónum í kringum geisarann. Þessir jónar gera tvö mikilvæg atriði:
Þeir skermingu hlutið rafmagnsspennu geisarans. Staðbundin spennustyrkur fellur nálægt spítnum, en verður sterkur í umhverfisrúminu.
Þeir trufla heildargeometríu spennunnar. Á annarri hlið geisarans enda spennulínur á nálægum hlaðnum yfirborðum eða jarðtengdum uppbyggingum. Á hinni hliðinni lengjast þær út, að hluta til hlutlausar af rúmgeðslunni.
Niðurstaðan er ójafnvægi í rafspennutryggingu á geisara-safnarakerfinu - nettó kraftur. Hreyfingin streymir frá spennunni til rafskautanna, ekki í gegnum efnamólekúlaárekstra.
Á einfaldasta stigi eru þær kröftur sem koma við sögu lýst af lögum Coulomb:
\[ \mathbf{F} = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{q_1 q_2}{r^2} \hat{r} \]
Hvert hlaðið yfirborðsatriði EHD uppbyggingarinnar laðar að sér eða hrindir frá sér hvert öðru hlaðna svæði í umhverfi sínu. Heildardrifkrafturinn er vektor-summan af þessum ófáum Coulomb-samskiptum, sem endurmyndað eru stöðugt af hreyjandi jónum sem stýra spennunni.
Í stöðugri krónu situr þunn skel af jákvæðum jónum milli háspennugeisara og tiltölulega neikvæðs safnara (eða umhverfisins). Þessir jónar þjóna sem miðlarar: þeir skermingu að hluta til aðdráttarafl milli geisarans og safnarans, og með hreyfingu endursetja þau stöðugt spennuójafnvægið. Stöðugur rafmagnsinnslátturinn viðheldur þessu ójafnvægi, breytir rafspennupotentiali í vélrænan kraft.
Í byrjun 2000. endurskoðuðu NASA og verktakar þess Biefeld-Brown gerð tækja undir Gravitec og Talley AIAA rannsóknum. Með notkun háspennu ójafnvægis kondensatora í loft- og vakúmumhverfi voru tilraunirnar ætlaðar til að prófa hvort áhrifin gætu haldist án lofti.
Niðurstöðurnar voru ótvírætt - og óviljandi afhjúpende.
Í loftstillingum náðu snúðarnir varla mælanlegum snúningi (1–2 rpm) og drifkrafti í 10–100 μN sviði - stærðarstigum lægra en vænta mátti ef tækin nýttu raunverulega gravítasónuefni. Hreyfingin var alfarið kennd við hefðbundna krónuútflæði og veik jónavind.
Í vakúmi, við þrýstinga niður í \(10^{-6}\) Torr, stoppaði hreyfingin alveg. Öll fljótleg merki voru rekjuð til gasútstreymis eða afgangs yfirborðshleðslu. án loftamólekúla til að viðhalda jónagerð, varð rafspennuspennan samræmd, og krafturinn hverfaði.
Rannsóknarmennirnir höfðu niðurstöðu um að drifkrafturinn skalaði gróflega línulega með loftþéttleika - niðurstaða sem oft er vitnað í til að „hafna“ EHD drifs sem ómögulegt í vakúmi. En það sem það sýndi raunverulega var eitthvað dýpra: án miðils til að bera rúmgeðslu, missir rafmagnsspennan ójafnvægið sem skapar rafspennutryggingarsvið.
Með öðrum orðum, þessi fyrstu prófanir staðfestu óviljandi Maxwell-spennutúlkun rafmagnsloftdrifs. Það var ekki gravítasón, né bara jónadrag - það var tilvist hleðslumiðlað spennuójafnvægi sem skipti máli.
Gravitec tækin, smíðuð fyrir einfaldleika og samræmi, skortuðu hvaða verulegan hleðslugeymsluhólf eða spennumótandi díeléktrik sem er. Opin geometrur þeirra dreifðu spennulínum í umhverfið og sóuðu flestum rafspennaþjóðinni.
Á móti þessum, EPS-alúminíum snúðurinn sem hér er lýst einbeitti hleðslu ásamt vel skilgreindri leiðandi húð, sem leyfði rúmgeðslusvæðinu að móta staðbundna spennuna. Niðurstaðan: nothæfur drifkraftur með minna en 6 kV og um 100 mW - frammistöðu næstum tveimur stærðarstigum betri í orkuávögu.
Þessar niðurstöður enduróma samræmt þema: rafmagnsloftdrifsávögu kemur ekki frá spennu eða loftstreymi, heldur stjórn hleðslutopologíu og spennugeometríu.
Létt fólía yfir stífan, einangrandi kjarn er meira en bara leiðari - það myndar stórt yfirborðs hleðslugeymsluhólf sem margfalda ójafnvægi rafmagnsspennunnar. Í núverandi hönnun þjónar stækkað polystyren (EPS) eingöngu sem léttra uppbyggingarstuðning, yfirborð þess allt vafið í alúminíumfóliu sem er rafmagnsleglega samfelld við háspennuafhendinguna. EPS bætir við ómerkilegri rafmagnsstarfi; gildi þess liggur í að gera stórt leiðandi yfirborð við lágmarksþyngd.
Þessi víðfeðma leiðandi húð geymir hleðslu beint frá orkusætninu, sem leyfir krónuútflæðinu að starfa gegn forhleðslu rafspennu frekar en að byggja hana upp frá grunni í hverri lotu. Há yfirborðs svæði fóliunnar eykur virka getu dramatískt - á stærðarstigi 10–100 pF cm⁻², eftir yfirborðsvef og bogastærð - og breytir hógværum beittum spennu í miklu sterkari staðbundinn rafmagnsspennugráðu.
Þegar krónan kveikir starfar fólið sem stöðug potentialviðmið. Útgefið jónarnir breyta staðbundinni spennu lítilsháttar en ráða ekki yfir henni; í staðinn heldur geymd yfirborðshleðslan stöðugu ójafnvægi sem framleiðir stöðugt drifkraft við mjög lága orku.
Frá sjónarmiði Maxwell spennu er krafturinn hlutfallslegur við heildun spennustyrkleika og gráðu hans:
\[ F \approx \varepsilon_0 \int (E \cdot \nabla E), dV \]
og stóra, vel hlaðna fólið hámarkar báða liðina án þess að krefjast hærri spennu eða hærri straums. Þetta útskýrir af hverju lágorku, lágspennu snúður gæti náð verulegum snúningi: hann settist geymda rafspennuþjóð í stað þungra jónastraums taps hefðbundinna „jónavindur“ geometra - hagnýt form af rafspennuávögu.
Ávögu EHD drifs er ekki ákvarðað af loftstreymishraða, heldur hversu áhrifaríkt rafmagnsspennan er mótuð. Lykilviðmið eru:
Hönnun sem takmarkar og mótar spennuna - til dæmis með því að setja breitt, andstæða hlaðið yfirborð nálægt geisaranum - getur náð stærðarstigum bætingum í drifkrafti á hverja vött. Rafmagnsspennan vinnur verkið; jónarnir gera bara kleift að spennan verði ójafnvæg og hreyfanleg.
Fyrstu athuganir Browns á drifkrafti frá ójafnvægis kondensatorum eru á undan nútíma skilningi okkar á plasmafræði. án ramma Maxwell spennu eða rúmgeðsludynamík var eðlilegt að halda að áhrifin kæmu við gravítasón. Það staðreynd að EHD drif búa til kraft „gegn“ spennuvektor (og stundum lóðrétt upp) dýpkaði aðeins leyndardómnum.
Skoðuð í gegnum nútímalinsu var „andgravitation“ Browns einfaldlega rafspennutrygging gerð sýnileg. Likanleiki í stærðfræðilegri formi - bæði gravítasónu og rafspennupotential þjóð fellur sem \(1/r^2\) - gerði ruglinn sögulega skiljanlegt, en eðlisfræðin er algjörlega rafmagns.
Nýleg greining og samrunaumræður styrkja þessa endurformun rafmagnsloftdrifs sem spennugráðufyrirbæri frekar en jónavindur vél. Í klassískum lifter stillingum gefa krónustraumar á stærðarstigi milliampera við tugir kílóvölt spennutíðni í ör- til millinewton sviði á vött - speglun á því hversu lítið af rafmagnsspennuþjóðinni endar sem stefnuleg vélræn spenna. Á móti þessum breytir fóluumhlaðinn EPS snúður sömu eðlisfræði í hleðsluknúna ferli: breitt leiðandi yfirborð heldur sterkum \(E\)-gráðu með lágmarksstraumi, skiptir drifstap fyrir geymda-spennuþjóð.
Þessi greining endurómar breiðari breytingu í samtíðar rannsóknum. Díeléktrik-hindrunarútflæðisvirkjar í loftdrifsstýringu leiða einnig yfirborðskraft sinn frá Maxwell spennu frekar en frá massaloftstreymi, ná 10–100 N kW⁻¹ ávögu þegar rafskautageometría er stillt fyrir ójafnvægi. Svífandi-rafskaut og takmarkanir geometrur undir rannsóknum hjá ONERA og innan EU EHD forrita sýna tvö- til fimm-faldar aukningu í drifkrafti með mótingu jónahylkisins - nákvæmlega hönnunarlogic hleðslugeymslusnúðsins. Og í þunnlofts umhverfum, svo sem efri stratósférunni eða marslofti, þar sem jónadrag veikist en rafspennuþrýstingur heldur, geta hleðsluríkir yfirborðar haldið drifi lengi eftir að hefðbundnar hönnun mistekst.
Eðlisfræðin fellur fallega saman við Poynting-hreyfingarramma klassískrar rafmagns: drifkrafturinn svarar spennuþjóðníðgráðu,
\[ F \approx \varepsilon_0 \int (E \cdot \nabla E), dV \]
sem þýðir að kerfið dregur hreyfingu beint úr rafmagnsspennunni. Jónarnir eru hataldar sem viðhalda ójafnvæginu, ekki efnisviðbragð sjálft. Þetta útskýrir af hverju drifkrafturinn hverfur í vakúmtilraunum þar sem spennan verður samræmd - \(\nabla E\) liðurinn hruni. Á móti þessu heldur getuhúðin í fólu-geymslusnúðnum \(E\) bratt og stefnulegt, framleiðir um \(0.1\)–\(1\ \text{mN}\) snúningssamband drifkraft frá einungis \(100\ \text{mW}\) innsláttarorku - 10–100 sinnum ávögu jónadragstækja.
| Viðmið | Hefðbundin Jónavindur Hönnun | Fólu Hleðslugeymsla Snúður | Afleiðing |
|---|---|---|---|
| Spenna | 20–50 kV | < 6 kV | Minni brotthlutunarrisk, auðveldara skala |
| Orka | 1–10 W | ≈ 0.1 W | 10–100× hærri drifkraft / W |
| Drifkraftur Mekanismi | Jón-hlutlaus árekstrar | Spennugráða (Maxwell spenna) | Stórlega óháð loftþéttleika |
| Lykil Virkjar | Geisari-safnar bil | Getufólu geymsla | Geymd hleðsla > tímabundinn straumur |
| Ávögu (N kW⁻¹) | 0.01–0.1 | 1–10 (ætlað) | Hæft fyrir ört UAV |
Slík samanburðir koma í ljós hugtakið snúning: frá straumknúnu til hleðsluknús drifs, frá efni hreyfingu til að móta spennur. Næsta mörk er það sem gæti nefnt rafspennuarkitektúr - notkun útreikningsbætingar og háþróaðra efna (koltrefna-nanóhólf geislar, myndaðar fóliur, metaeðlisfræði díeléktrik) til að hámarka \(\int E \cdot \nabla E\). Hybrid púlsu-DC stillingar gætu nýtt enn meira tímabundna hleðslugeymslu á meðan kemískir aukaproduktar minnka.
Rafmagnsloftdrifs er ekki eksótísk nýleika eða dulvísueðlisfræði óeðlileiki. Það er bein birting laga Maxwell og Coulomb - makróskópísk vél sem breytir rafspennupotentiali í hreyfingu í gegnum stýrðu spennuójafnvægi.
Þar sem snemma uppfinningamenn sáu „andgravitation“ og nútíma verkefni sjá „jónavind“, er raunveruleg saga einfaldari og dýpri: rafmagnsspennur hafa spennu. Mótuðu þessa spennu, og þú getur dregið þig í gegnum loftið án hreykjanlegra hluta, án eldsneytis og án hljóðs.
Það er þögnar snilld rafmagnsloftdrifs - sannlega, knúið af Maxwell og Coulomb.