Ионные двигатели в авиации

Тема: Ионные двигатели в авиации

06.02.2021 krylat пишет:
Сообщить модератору
Ссылка на это сообщение
 

О ПЕРСПЕКТИВАХ ИОННЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ В АВИАЦИИ
Д.А. Боев, А.В. Ефимов, ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова"

Современное авиационное двигателестроение переживает время совершенства газотурбинных двигателей. Путь интенсификации процессов в ГТД достиг своего практического потолка. Проектируются ГТД с электрическим генератором и приводом. Уменьшаются и становятся более мощными моторы и источники энергии.
…Но может быть и нет необходимости снова превращать электрическую энергию в механическую, чтобы получить тягу для полёта и стоит вспомнить о существовании, например, ионных двигателей?
Электростатическим, или ионным, двигателем называют двигатель, в котором частицы рабочего тела, обладающие электрическим заря дом, подвергаются действию ускоряющих сил в электростатических полях. Истекающие частицы могут быть атомарными ионами, молекулярными ионами, заряженными коллоидальными частицами или даже пылинками или капля ми. Скорость истечения, приобретаемая частицами после про хождения ускоряющей камеры, определяется разностью потенциалов на концах камеры, зарядом частиц и их массой:

где: - заряд частицы - масса частицы Основными элементами ионного двигателя являются: иониза тор, ускоряющая камера, эмиттер электронов и нейтрализатор. По оценке некоторых авторов (см. например Э. Штулингер Ионные двигатели для космических полетов М. 1968 г.), достижимы скорости 30-200 км/с! Для авиации такие скорости не нужны. Здесь достаточно иметь скорость, сопоставимую со скоростью полета. Главное условие: разница импульса по замкнутому контуру вокруг летательного аппарата в проекции к направлению движения, должна быть не ниже аэродинамического сопротивления, чтобы создавать положительный им пульс тяги.
В то время как ускоряющая камера ионного двигателя выбрасывает заряженные частицы только одного знака, аппарат с ионными двигателями, чтобы остаться нейтральным, должен выделять с одинаковой интенсивностью положительно и отрицательно за ряженные частицы.
Причём, двигатель этот может работать в ЛЮБОЙ среде: если ионизировать можно газ, окружающий данный ускоритель частиц (например воздух атмосферы) - тогда мы имеем дело с атмосферным двигателем/движителем. Если ионизируется окружающая наш аппарат токопроводящая жидкость - например, морская вода, получается судовой движитель. А если разгоняются специально полученные от источника ионов частицы, то всё равно, в какой среде движется аппарат, приводимый в действие таким энергетическим источником – и это уже двигатель и для внеатмосферного аппарата.
Модель такого двигателя в своё время изготовили и с успехом демонстрировали… школьники на нескольких выставках серии «Архимед». Под руководством одного из авторов данной статьи А.В. Ефимова, в школе для особо одарённых детей "Интеллектуал" провели более подробное исследование. В его ходе постарались замерить различные параметры устройства: электрический потенциал в различных точках, возни кающую силу, протекающие токи и д.р. Журнал "Двигатель" писал об этом в №4 2009 и №3 2010 года. Этот коллектив уже имел опыт исследования подобных устройств, когда работал над проектом электростатического двигателя ("Двигатель" № 2 2008 и №2 2009). Ими были проведены испытания электростатического двигателя в вакууме и получены довольно интересные результаты. Стало очевидно, что электростатический двигатель использует как ионный ветер, так и явления с ним непосредственно не связанные.

V м/c. Напряжение 21.4 Киловольта Ток 0.15 микроампер.

Распределение скорости по ширине на разных высотах: - 10 (красная}; - 30 (фиолетовая) и - 60 мм (синяя)

В 2010 г. в ЦИАМ, в лаборатории Маслова В.П. были произведены методом PIV измерения скорости движения по токов ионизированного воздуха в школьном ионолете. Правда, при напряжении меньшем "рабочего".
В результате измерения получено максимальное значение скорости - 0.77 м/c. Из соображения сохранности аппаратуры напряжение выше не поднималось, но раз наш аппарат летает, то должны получит при 30-37 КВ скорость порядка - 1.33-1.4 м/с. Необходимо только помнить, что для ионизации и последующего разгона ионов нужно напряжении не менее 2Кв! (Желательно - выше 30Кв!)
Ионный двигатель возможно будет весьма эффективен для привода, скажем, высотных беспилотников различного рода. В частности - аппаратов легче воздуха с дистанционной беспроводной передачей энергии. А для летательного аппарата тяжелее воздуха таким ионным движителем может быть и все крыло целиком, когда источником ионов - эмиттером является передняя кромка, а поверхность крыла, превращенная в совокупность коллекторов, последовательно разгоняет ионы до требуемых скоростей. В качестве двигателя (или совокупности большого числа таких двигателей) может выступать и вся внешняя поверхность летательного аппарата.
Рассматривая тему надо всегда иметь в виду главное: электростатический двигатель – не «средство для левитации», как его пытаются представить, а именно агрегат для создания тяги в горизонтальном полёте.
Минимальная мощность на которой уже летают спортивные и экспериментальные самолёты с электродвигателем, работающим на пропеллер - порядка 50 киловатт. Мощные ВСУ для "полностью электрического" самолёта, типа представленных на салоне МАКС 2015 года - 200 КВт. Мощность, которую можно получить от маршевых ГТД, используя их как ГТУ привода электрогенератора на борту летательного аппарата - от 2 до 20 мегаватт. Это мы о том, какие имеются запасы мощности у перспективных двигателей для атмосферных летательных аппаратов.
Тема требует ещё очень и очень серьёзной проработки для того, чтобы окончательно решить вопрос о её перспективности.

ЛИТЕРАТУРА
1. Работа ведущих авиадвигателестроительных компаний в обеспечение создания перспективных авиационных двигателей. Под ред. В.А. Скибина, В.И. Солонина. ЦИАМ М. 2004 г.
2. Развитие авиационных ГТД и создание уникальных техноло гий. В.И. Бабкин, М.М. Цховребов, В.И. Солонин, А.И. Ланшин. Научно-технический журнал "Двигатель"№ 2 2013 г.
3. Некоторые результаты исследования электростатического двигателя. Д. Власенко, В. Квитко, В. Кузнецов, А.В. Ефимов. Науч но-технический журнал "Двигатель"№ 2 2008.
4. Ионолет или к вопросу об "эфекте Бифульда-Брауна". В. Кузнецов, А. Роговский, А.В. Ефимов. Научно-технический жур нал "Двигатель"№4 2009.
5. Поиски "Эффекта Бифульда-Брауна". М. Щукин, А.В. Ефимов. Научно-технический журнал "Двигатель" №3 2010.
6. Удивительные электронные устройств. Электроника для начинающего гения. Б. Яннини М Press 2008 г.
7. Ионные двигатели для космических полетов. Э. Штулингер. М. Машиностроение. 1968 г.

06.02.2021 krylat пишет:
Сообщить модератору
Ссылка на это сообщение
 

УДК 621.45.
наука
Замечания к вопросу О ПЕРСПЕКТИВНЫХ ДВИЖИТЕЛЯХ
Дмитрий Александрович Боев, помощник генерального директора ГНЦ РФ ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова" Александр Владимирович Ефимов, научный сотрудник ГНЦ РФ ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова"
Современное авиационное двигателестроение переживает время совершенства газотурбинных двигателей. Путь интенсификации процессов в ГТД достиг своего практического потолка. Может быть и нет необходимости снова превращать электрическую энергию в механическую и стоит вспомнить о существовании, например, ионных двигателей?
Modern aviation engine-buildings is experiencing a time of perfection of gas-turbine engines. The methods of processes intensification in GTE have reached its practical limit. Maybe there is no need to convert electrical energy into mechanical and it is worth remembering the existence of, for example, ion engines?
Ключевые слова: авиадвигателестроение, ракетные двигатели, ионные двигатели.
Keywords: aviation engines, rocket engines, ion engines.
Всякая идея, будучи доведённой до технического совершенства (в границах применяемых материалов, техники и технологий), одновременно с тем исчерпывает возможности дальнейшего развития. А, следовательно, это - уже уходящая со сцены театра технического развития тема. И продолжает своё существование она только там, где её преимущества неоспоримы. В энергомашиностроении такой путь, например, прошли паровые двигатели различного рода, широко применявшиеся в различных областях техники, доведённые до совершенства, а ныне существующие почти исключительно в ядерных силовых установках, да ТЭЦ. Так же точно безжалостный прогресс поступил с авиационными поршневыми двигателями, удел которых сейчас - автомобили да лёгкомо- торная авиация.
Интересно: в апофеозе развития, совершенно невозможно предположить, что именно придёт на смену тому, что повсеместно используется в данный момент. И это несмотря на то, что зачатки "могильщика" так успешно применяемой системы уже существуют и вовсю развиваются. Так, теория ГТД была подробно описана в книге Стечкина по меньшей мере за 20 лет до начала их повсеместного использования. Не говоря уже о том, что реактивная паровая турбина Герона крутилась вообще более 2 тысяч лет назад. Возможно и сейчас мы столь же недальновидны и не предполагаем, что же именно будет основным энергоприводом в технике следующих поколений из того, что уже сейчас имеется в нашем распоряжении.
Нбнныи uCmou- NUH
/ УекйрйПщии jnpKTT’sa3 и HeiiwpojrtwQMop

Схема ионного двигателя с ис' точником ионов, ускоряющей системой и нейтрализатором
Банальностью стал вывод о том, что современное авиационное двигателестроение переживает то самое непростое время совершенства газотурбинных двигателей. Путь интенсификации процессов в ГТД достиг своего практического потолка. Каждый шаг улучшения даётся всё большими затратами труда и средств учёных и разработчиков. Мало того: дальнейшее увеличение температуры перед турбиной и степени повышения полного давления в компрессоре ведет к нежелательным процессам, диссипации продуктов сгорания, образованию вредных окислов, вырождению процессов вследствие граничности их параметров, и системного... снижения надежности и эффективности двигателя.
Удивительно, но примерно то же самое можно сказать и о ЖРД, применяемых сейчас для перемещения в безвоздушном пространстве. То, что мы используем, также достигло своего совершенства.
№410iJ2Q15
Мштель
Учёные разных стран сошлись на том, что в качестве перспективы развития современных летательных аппаратов наиболее рационально - изменение схемности использования энергопривода. Одно из таких решений - распределенные движительные установки. Иначе: источник энергии (скажем, тот же ГТД) работает на своём оптимальном режиме с наибольшей эффективностью, а энергия его передается различным способом к движителям (ну, например, винтовентиляторам - как сейчас это воспринимается), распределенным по летательному аппарату. Способы передачи энергии могут быть различны: механический, газодинамический или электрический. Наиболее эффективным, с наименьшими потерями
На методическом научном уровне хорошо изучены только электрора- кетные двигатели, рассчитанные для работы с космическими аппаратами. Ещё в 1962 году на двигательном факультете Московского авиационного института профессором А.В. Квасниковым была организована кафедра "Энергосиловые установки космических аппаратов". Там были созданы экспериментальные модели и прототипы сильноточных плазменных двигателей различных типоразмеров, проведены исследования рабочих процессов и предложены методы оптимизации стационарных плазменных двигателей, плазменно-ионных двигателей и коллоидных двигателей мощностью от 50 Вт до 3-5 кВт. Исследовались и оптические, теплофизические и термодинамические свойства плазмы и электропроводящих сред при наличии электрических и магнитных полей.
В 1987 году на базе кафедры был организован Научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики (НИИП- МЭ). В этот институт перешел и большой отряд сотрудников, работавших в составе коллектива научной школы кафедры.
Результаты исследований научной школы кафедры нашли широкое применение при создании ЭРД серийно выпускаемых ОКБ "Факел"; космических энергетических установок, разработанных РКК "Энергия" и НПО "Квант"; энергофизических установок различного назначения, разработанных НПО "Зенит", НПО "Энергомаш'" ИЦ им. М. В. Келдыша и НПО "Прикладная механика" им. М. Ф. Решетнева.
По материалам сайта факультета Двигателей летательных аппаратов МАИ
и весом передающих элементов, очевидно был бы электрический способ. Естественно - при решении целого ряда технических вопросов, связанных с передачей больших мощностей. Например, путём применения сверхпроводящих коммуникаций.
Игрушки и даже вполне полезные устройства работающие по такому принципу типа квадро- и поликоптеров сейчас известны достаточно широко. Перемещение с их помощью, например, телетрансляционных камер и средств слежения уже никого не удивляет.
Но ведь возможно и иное решение. Может быть и нет необходимости снова превращать электрическую энергию в механическую? И нужен ли сам винтовентилятор?
Может, стоит вспомнить о существовании, например, ионных двигателей?
Электростатическим, или ионным, двигателем называют двигатель, в котором частицы рабочего тела, обладающие электрическим зарядом, подвергаются действию ускоряющих сил в электростатических полях. Истекающие частицы мо-
гут быть атомарными ионами, молекулярными ионами, заряженными коллоидальными частицами или даже пылинками или каплями. Скорость истечения, приобретаемая частицами после прохождения ускоряющей камеры, определяется разностью потенциалов на концах камеры, зарядом частиц и их массой:
V = I 2*-*u
у ц
где: e - заряд частицы ц - масса частицы Основными элементами ионного двигателя являются: ионизатор, ускоряющая камера, эмиттер электронов и нейтрализатор. В принципе, электронная пушка повсеместно выходящей из употребления электронно-лучевой трубки монитора или телевизора - хороший аналог такого двигателя. По оценке некоторых авторов (см. например Э. Штулингер Ионные двигатели для космических полетов М. 1968 г.), достижимы скорости 30-200 км/с! Для авиации такие скорости не нужны. Здесь достаточно иметь скорость, сопоставимую со скоростью полета. Главное условие - разница импульса по замкнутому контуру вокруг летательного аппарата в проекции к направлению движения, должна быть не ниже аэродинамического сопротивления, чтобы создавать положительный импульс тяги.

Электростатический Магнитное ионный поле организует ускоритель процесс ионизащ
Топливо (ксенон)— Анод/
Электрой в ионный Луч для нейтрализации заряда
Электроны
ионизируют
Сетчатый
электростатический ионный двигатель

В то время как ускоряющая камера ионного двигателя выбрасывает заряженные частицы только одного знака, аппарат с ионными двигателями, чтобы остаться нейтральным, должен выделять с одинаковой интенсивностью положительно и отрицательно заряженные частицы.
Совершенно ясно, что ионизировать можно либо газ, окружающий данный ускоритель частиц: например воздух атмосферы - и тогда мы имеем дело с атмосферным двигателем/движителем (отдельный случай, когда ионизируется окружающая наш аппарат токопроводящая жидкость - например, морская вода: тогда получается судовой движитель), либо специально полученные от источника ионов частицы - и тогда всё равно, в какой среде движется аппарат, приводимый в действие таким энергетическим источником. В последнем случае, как и широко применяющимся сейчас

ракетным реактивным двигателям, запас вещества для создания потока импульса надо возить с собой. Источники ионов, предназначенные для различных целей, разрабатывают и изготавливают в течение многих лет. Опыт показывает, что не существует элементов и, по-видимому, нет химических соединений, атомы и молекулы которых нельзя было бы ионизировать в лабораторных условиях. Однако источник ионов электрического реактивного двигателя должен обладать следующими свойствами, которые обычно не принимаются во внимание при лабораторных исследованиях. Он должен обеспечивать почти 100% ионизацию, непрерывно работать в течение продолжительного времени, иметь затраты полной энергии не более нескольких сот электрон- вольт на ион, а также вес не более нескольких граммов.
Идеальная схема нейтрализации выполняется при введении нейтрализующих частиц в ионный поток в точно определенном месте. Эти частицы должны иметь вектор скорости и плотность тока такие же, как и у ионов. Схема основана на использовании ус- коряющей-замедляющей системы; нейтрализующие электроны вводятся в плоскости замедляющего электрода.
Однако, подобную идеальную систему нельзя осуществить в действительности. Нейтрализующие электроны, эмитируемые с нагретых нитей, обладают максвелловским распределением по скоростям и будут эмитироваться во всех направлениях. Скорости большего числа электронов, эмитируемых с нагретых поверхностей, значительно превосходят скорости движения ионов. Если эмиттеры работают при температуре достаточно низкой для получения электронов с требуемой скоростью, то плотность тока эмиссии будет столь мала, что потребуется чрезмерно большая площадь эмиттеров. Даже при сравнительно малой площади эмиттеров их эрозия под воздействием попадающих ионов является серьезной проблемой.
Использование отрицательно заряженных ионов вместо электронов устраняет проблему несоответствия скоростей движения между положительно и отрицательно заряженными ча-сти- цами. Действительно, если бы существовал компактный, легкий и эффективный источник отрицательных ионов, то комбинация ускорителей для положительно и отрицательно заряженных частиц в виде мозаичной структуры была бы, по-видимому, наиболее оптимальной конструкцией для ионного двигателя. Нет очевидных причин, из-за которых нельзя было бы использовать метод поверхностной ионизации для генерирования отрицательно заряженных ионов. В этом случае поверхность ионизатора должна обладать особенно низкой работой выхода, а ионизируемые атомы (например, галогены) следует выбирать по высокому потенциалу ионизации и "близкому родству" с электронами.
Советские популярные молодёжные технические журналы "Юный техник", "Техника-молодёжи, "Знания - сила" весьма и весьма много места с середины 60-х годов ХХ века и до середины "нулевых" века нынешнего уделяли различным электростатическим, ионным, плазменным и электромагнитным двигателям.
То есть тому, чего в реальности пока не существовало. Эффект
Практически аналогичные
движители пробуют применять и для движения в воде. Так, модель подлодки, созданная студентами Калифорнийского института в 2010 г. под руководством специалиста из фирмы "Вестингауз", приводилась в движение электромагнитной силой. Источником магнитного поля служила электромагнитная катушка, заложенная по внутренним обводам средней части пластмассового корпуса лодки и питаемая от аккумуляторной батареи напряжением 30 вольт. Ее магнитное поле было направлено по вертикальной оси. Электрический ток в токопроводящей морской воде создавался с помощью двух электродов, расположенных вдоль корпуса лодки по обоим ее бортам. Электроды питались от той же аккумуляторной батареи. Поскольку направление тока, текущего между электродами вокруг верхней и нижней половин корпуса, совпадало, то результирующая электромагнитная сила стремилась отбросить морскую воду как проводник с током вдоль его продольной оси. В результате создавалась реактивная сила, приводившая в движение модель. Стоит отметить, что в упомянутых советских детских технических журналах данная схема была описана ещё в конце 60-х гг. ХХ века.
был, а объяснения его не находилось. В результате такой упорной просветительской деятельности что- то стало проясняться, а отдельные конструкции вошли в границы не только исследуемой, но даже изготавливаемой техники.



Достаточно долгое время на выставках серии НТТМ и "Архимед" изобретатели представляли разнообразные модели, использующие идеи ионного двигателя. Так, на НТТМ-2005 был представлен "Гравитационный движитель", транспортное средство на сверхпроводящих керамических магнитах и "Летательный аппарат на эффекте Бифульда-Брауна". Его представляли ребята из Детского и молодежного центра "Сокольники" под руководством энтузиаста "электромагнитного движения" М.М. Лавриненко.
Агрегат выглядел следующим образом: сотовая конструкция
Коронный разряд вокруг летающей рамки

(три шестиугольника с общими сторонами) выполненная из пенопласта и фольги, штанга (пластиковая трубка) служащая для крепления одного из проводов и высоковольтный источник питания, который в свою очередь подключался к блоку питания постоянного тока.
По периметру сотовой конструкции на расстоянии примерно 1см от фольги протянута тонкая проволока (знакомый нам по представляемой выше теоретической схеме эмиттер). К ней присоединялся провод от штанги (скорее всего - минус). К фольге подключался второй провод от высоковольтного источника (видимо + плюс или "земля"). Источник постоянного тока был регулируемый, и, когда напряжение на выходе поднимали сотовая конструкция отрывалась от стола. Т.е. просто парила в воздухе.
По утверждению создателей конструкции, весит она 35 г, но может поднять еще около 50 г груза (что и было продемонстрировано на одной из последующих экспозиций, когда агрегат поднимал маленькую видеокамеру). Движение модели обеспечивал источник с постоянным напряжением около 17 000 В при токе 200 микроампер. Иначе, потребляемая мощность - 3,4 Вт. Получается, что каждый киловатт мощности, подведенной к модели, создает подъемную силу в 25 кг. Эта величина... многократно превышает используемое сейчас в двигателях другого рода.
Под руководством одного из авторов данной статьи А.В. Ефимова, в школе "Интеллектуал" провели более подробное исследование. В его ходе постарались замерить различные параметры устройства: электрический потенциал в различных точках, возникающую силу, протекающие токи и д.р. Журнал "Двигатель" писал об этом в №4 2009 и №3 2010 года. Этот коллектив уже имел опыт исследования подобных устройств, когда работал над проектом электростатического двигателя ("Двигатель" № 2 2008 и №2 2009). Ими были проведены испытания электростатического двигателя в вакууме и получены довольно интересные результаты. Стало очевидно, что электростатический двигатель использует как ионный ветер, так и явления с ним непосредственно не связанные.
№410t) 2015
Мштель
Величина силы зависит от напряжения и силы тока. При 20 киловольтах и 0,15 микроамперах избыточная сила на отдельном элементе со стороной 200 мм. составила 50 миллиграмм.
Использование более мощного источника позволило увеличить силу, и в конструкции из трех элементов (правильный треугольник) сила составила уже 3 грамма. Треугольная
конструкция возникла, когда авторам конструкции попалась книга Боба Яннини "Удивительные электронные устройств. Электроника для начинающего гения" М Press 2008 г. В
этой книге устройство описано довольно подробно. Конструкция несколько отличается от той, что мы видели на НТТМ однако принципиальным является то, что хоть и упоминается "эффект Бифульда - Брауна", но устройство называется ионолетом.
Эта конструкция заработала 2 ноября 2008 г. При весе около 3 г подъемная сила составляет 7 г Расчеты показывают что для этого достаточно отбрасывать 38 г воздуха в секунду со скоростью 1,81 м/с.
Любопытная картина открылась при выключенном свете, по всему периметру на проволоке эмиттера наблюдалось характерное для коронного разряда свечение.
Следует напомнить, что и на электростатических двигателях наблюдалось аналогичное характерное свечение коронного разряда.
Причем в барокамере, при понижении давления воздуха вокруг аппарата, его можно было наблюдать и при слегка затемненной комнате.
В 2010 г. в ЦИАМ, в лаборатории Маслова В.П. были произведены методом PIV измерения скорости движения потоков ионизированного воздуха в школьном ио- нолете. Правда, при напряжении меньшем "рабочего".
В результате измерения получено максимальное значение скорости - 0.77 м/c. Из соображения сохранности аппаратуры напряжение выше не поднималось, но раз наш аппарат летает, то должны получит при 30-37 КВ скорость порядка - 1.33-1.4 м/с. Необходимо только помнить, что для ионизации и последующего разгона ионов нужно напряжении не менее 2Кв! (Желательно - выше 30Кв!)

V м/c. Напряжение 21.4 Киловольта Ток 0.15 микроампер.
Распределение скорости по ширине на разных высотах: - 10 (красная}; - 30 (фиолетовая) и - 60 мм (синяя)
Ионный двигатель возможно будет весьма эффективен для привода, скажем, высотных беспилотников различного рода. В частности - аппаратов легче воздуха с дистанционной беспроводной передачей энергии. Надо только перестать заморачиваться на "двигателе для левитации", выбросить из головы наработанное прессой представление о "летающих тарелках" и воспринимать устройство как нормальный тяговый двигатель. Таким ионным движителем может быть и все крыло целиком, когда источником ионов - эмиттером является передняя кромка, а поверхность крыла, превращенная в совокупность коллекторов, последовательно разгоняет ионы до требуемых скоростей. В качестве двигателя (или совокупности большого числа таких двигателей) может выступать и вся внешняя поверхность летательного аппарата.
Минимальная мощность на которой уже летают спортивные и экспериментальные самолёты с электродвигателем, работающим на пропеллер - порядка 50 киловатт. Мощные ВСУ для "полностью электрического" самолёта, типа представленных на салоне МАКС 2015 года - 200 КВт. Мощность, которую можно получить от маршевых ГТД, используя их как ГТУ привода электрогенератора на борту летательного аппарата - от 2 до 20 мегаватт. Это мы о том, какие имеются запасы мощности у перспективных двигателей для атмосферных летательных аппаратов.
Очень всерьёз наши исследования по футурологии двигателей, может быть, принимать и не стоило бы - разве что как общие намётки по одному из возможных направлений развития. Тема требует ещё очень и очень серьёзной проработки для того, чтобы окончательно решить вопрос о её перспективности. НО: Поживём - увидим...
ЛИТЕРАТУРА
1. Работа ведущих авиадвигателестроительных компаний в обеспечение создания перспективных авиационных двигателей. Под ред. В.А. Скибина, В.И. Солонина. ЦИАМ М. 2004 г.
2. Развитие авиационных ГТД и создание уникальных технологий. В.И. Бабкин, М.М. Цховребов, В.И. Солонин, А.И. Ланшин. Научно-технический журнал "Двигатель"№ 2 2013 г.
3. Некоторые результаты исследования электростатического двигателя. Д. Власенко, В. Квитко, В. Кузнецов, А.В. Ефимов. Научно-технический журнал "Двигатель"№ 2 2008.
4. Ионолет или к вопросу об "эфекте Бифульда-Брауна". В. Кузнецов, А. Роговский, А.В. Ефимов. Научно-технический журнал "Двигатель"№4 2009.
5. Поиски "Эффекта Бифульда-Брауна". М. Щукин, А.В. Ефимов. Научно-технический журнал "Двигатель" №3 2010.
6. Удивительные электронные устройств. Электроника для начинающего гения. Б. Яннини М Press 2008 г.
7. Ионные двигатели для космических полетов. Э. Штулингер. М. Машиностроение. 1968 г.
Связь с автором: boeffciam.ru

06.02.2021 krylat пишет:
Сообщить модератору
Ссылка на это сообщение
 

В продолжении статьи «О ПЕРСПЕКТИВАХ ИОННЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ В АВИАЦИИ»
Д.А. Боев, А.В. Ефимов, ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова"

В нашей предыдущей статье [8] описывались некоторые результаты исследования ионного двигателя работающего в условиях атмосферы. Исследования проводились в рамках совместной работы ЦИАМ - школа «Интеллектуал».
Эти конкретные примеры мы привели в рамках этого повествования только для того, чтобы показать, что существующие методы энергетических приводов атмосферных летательных аппаратов, применяемые сейчас – с помощью тепловых двигателей различного класа - не являются единственно возможными. Это сейчас многим становится ясно. Как следствие – появление немалого количества электролётов с распределёнными силовыми установками. В роли тяговых двигателях применяются в разных конструкциях различного типа электромоторы. Большая часть из них является пока экспериментальными аппаратами и использует солнечные энергетические элементы для производства весьма длительных перелётов. Так уже совершён на подобных устройствах полёт вокруг Земли. [см. фото]
С другой стороны, весьма распространённым стал и класс БПЛА и масштабных моделей, использующих тяговые электродвигатели, аккумуляторные, конденсаторные накопители энергии, или же водородные и иные топливные элементы вырабатывающие электроэнергию для этих двигателей. Некоторые из этих моделей находятся на грани пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов. Впрочем, последнее - пока экзотика. [см. фото]
Заметим, кстати, что история изобретательства явно замыкает некий виток: первыми двигателями (не считая мускулолётов), которые пытались применить на летательных аппаратах ещё в XIX веке, наряду с паровыми, были электрические. [см. фото]. И оставили попытки их применения – как выяснилось, на время – в связи с появлением работоспособных двигателей внутреннего сгорания: поршневых и газотурбинных.
Впрочем, надо оговориться, что в обширной классификации патентного ведомства, разделы «двигатели» и «летательные аппараты» уже который век являются одними из наиболее пополняемых.
Впрочем, во всех этих упомянутых и неупомянутых современных поисках нового источника тяги для летательных аппаратов прослеживается одна общая тенденция: разделение двигателя и движителя. Если ГТД максимально возможно объединил эти машины, причём до такой степени, что и сами двигателисты не смогут вам толком указать границу между ними, то на новом витке спирали прогресса вновь возабладала идея распределённой силовой установки. В качестве перспективного энергопривода летательных аппаратов, разрабатываемого ОКБ мира, весьма часто появляются уже упомянутые нами распределённые силовые установки, где работающий в спокойной обстановке (по типу очень большого ВСУ или газотурбинной установки) на борту ГТД посредством различного рода трансмиссий – механической, газовой, гидравлической электрической - снабжает энергией множество распределённых по ЛА движителей. [см. фото].




Замеры подьемной силы проведенные в школе интеллектуал показали, что при размерах ячейки: ширина – 300 мм, отступ эмиттера от ускоряющей сетки – 30 мм и высота сетки – 30 мм, подьемная сила составляет 10 г, вес 3 г. Таким образом избыточная подьемная сила составила – 7г. При этом U = 30Кв и ток I = 0.15 мА.
Для меньшего напряжения получено U = 21.4Кв и ток I = 0.15 мкА, подьемная сила составила – 1.427г
Если отнести полученные величины избыточных подьемных сил к суммарной площади ячеек, то получим. Соответственн 250 г/м2 и 106,6 г/м2 .
Более подробное исследование представлено в монографии института им. Курчатова [9], однако данное исследование проводилось, как и все прочие исследования ионных двигателей в условиях вакуума.
Преведем некоторые результаты изложенные в данной монографии, которые, возможно приведут нас к некоторому техническому решению возможности применения ионных двигателей в авиации.
Для обеспечения максимальной эффективности ионных двигателей электроды их ускорительной системы должны удовлетворять двум противоречивым требованиям. Во-первых, плазменный электрод должен обладать максимально возможной прозрачностью для ионов, поступающих из плазмы газоразрядной камеры. Во-вторых, ускорительная система должна обладать минимальной прозрачностью для нейтральных атомов, покидающих газоразрядную камеру.
Традиционные ускорительные системы ионных двигателей представляют собой плоские или вогнутые электроды с большим числом гексагонально расположенных круглых отверстий. При такой геометрии максимальная геометрическая прозрачность плазменного электрода ограничена технологически достижимой шириной перемычки между отверстиями и составляет 67...70 %. Повысить прозрачность плазменного электрода можно применением ускорительных систем щелевого типа, ускоряющие системы со щелевыми апертурами. В таких системах электроды представляют собой пластины с прорезанными в них длинными тонкими щелями. Другим вариантом щелевой конструкции электродов является набор параллельных стержней или натянутых струн. Применение ускорительных систем щелевого типа может существенно снизить трудоемкость и стоимость изготовления электродов, поскольку необходимое число щелей значительно меньше, чем число круглых отверстий.
Попытки применения ускорительных систем щелевого типа связаны с перспективностью использования в качестве материала электродов углерод-углеродных композитов, обладающих высокой стойкостью к распылению. Основой этих материалов служат сетки из графитовых волокон.
Однако в экспериментах, проводившихся в различных лабораториях, было обнаружено, что в ИОС щелевого типа при низких значениях первеанса пучка ионов на ускоряющий электрод идет сравнительно большой ионный ток. Величина этого тока при увеличении полного напряжения сначала достигает минимума, а затем начинает быстро возрастать, тогда как в ИОС с круглыми отверстиями после достижения минимума этот ток остается на минимальном уровне в очень широком диапазоне ускоряющих напряжений.
Следующим шагом исследований стал расчетный поиск геометрии ИОС, при которой нет прямого попадания ускоренных ионов на ускоряющий электрод Расчеты показали, что для подобной геометрии (со щелевой апертурой) существует диапазон ускоряющих напряжений, в котором нет прямого перехвата ионного пучка.
Геометрия щелевой ИОС, в которой должен отсутствовать прямой перехват пучка в некотором диапазоне значений первеанса, была выбрана расчетным путем. Ускорительная система состоит из двух сеток. Плазменный электрод толщиной 0,5 мм изготовлен из молибдена, ускоряющий электрод толщиной 1,0 мм — из пиролитического графита. ИОС имела следующие параметры:
Электрод Плазменный Ускоряющий
Толщина, мм 0,5 1,0
Ширина щели, мм 1,9 1,14
Расстояние между щелями, мм 0,5 1,26
Геометрическая прозрачность 0,79 0,475
Ускоряющий зазор 0,6 0,6
Расчеты проводились при температуре электронов в ГРК Тс = 5 эВ, напряжении разряда Up= 40 В, потенциале плазменного электрода Um = 600 В. Результаты расчетов зависимости тока ионного пучка от полного ускоряющего напряжения, а также экспериментальные данные представлены на рис.
Рост полного тока пучка с увеличением ускоряющего напряжения при неизменной плотности плазмы в ГРК обусловлен изменением эффективной площади поверхности, с которой собирается ионный ток. Замедление скорости роста связано с началом прямого попадания ионного пучка на ускоряющий электрод. Результаты расчетов достаточно хорошо совпали с экспериментальными данными.
На рис, б показана экспериментальная зависимость тока на ускоряющий электрод от полного ускоряющего напряжения. Для сравнения здесь же приведено несколько вариантов расчетов. Указанная на рис. б величина "J factor" равна отношению максимальной плотности плазмы в центре ГРК к минимальной плотности на периферии; величина "сдвиг" показывает относительный сдвиг щелей плазменного и ускоряющего электродов в миллиметрах. Как расчет, так и экспериментальные результаты подтвердили особенность щелевых систем, состоящую в росте тока ускоряющего электрода с увеличением полного напряжения. Этот ток вызван прямым перехватом ионного пучка. Согласно расчету ток прямого перехвата при полном напряжении выше 1700 В существует даже в случае идеальной юстировки электродов. Диапазон регулирования ускоряющего напряжения при двукратном перепаде плотности плазмы в ГРК составляет около 300 В.
Неточность юстировки увеличивает скорость возрастания тока перехвата с ростом полного напряжения. Кроме того, с увеличением степени неоднородности плазмы и ростом относительного сдвига щелей происходит увеличение полного напряжения, при котором достигается минимум тока на ускоряющий электрод.
Дальнейшие расчеты показали, что расширение диапазона допустимых значений первеанса щелевой ИОС может быть достигнуто за счет уменьшения толщины стержней ускоряющего электрода, т.е. повышения его геометрической прозрачности.
Достигнутое значительное снижение тока на ускоряющий электрод стимулировало дальнейшие поиски геометрических параметров ИОС. Методами численного моделирования были исследованы различные варианты струн и стержней непрямоугольной формы, в том числе с треугольными и круглыми поперечными сечениями. В результате была найдена геометрия ИОС щелевого типа с существенно расширенным диапазоном допустимых значений первеанса. Она послужила основой для разработки нового перспективного ионного двигателя.
В одном из проектов марсианского экспедиционного комплекса в качестве маршевых двигателей рассматриваются ионные двигатели, использующие аргон как рабочее тело. Единичный модуль должен иметь мощность 30 кВт, обеспечивать удельный импульс тяги 7000 с и время огневой работы не менее 15 000 ч. При этом суммарная мощность ЭРДУ у поверхности планеты должна составлять 15 МВт . В Центре Келдыша был разработан проект такого ионного двигателя, получившего обозначение ЭРД-50.
Выше было отмечено, что наиболее сложным с технологической точки зрения узлом ионного двигателя является ионно-оптическая система. Причем с увеличением геометрических размеров двигателя сложность изготовления ИОС только возрастает. Дело в том, что мощность двигателя при заданном удельном импульсе тяги определяет и площадь его выходного сечения. Для обеспечения ресурса двигателя на уровне 15 000 ч плотность тока в ИОС не должна превышать 40 А/м2. При силе тока ионного пучка около 16 А характерный размер двигателя составляет 700 мм для варианта ИОС с электродами круглого сечения. Традиционно электроды ИОС выполняются в виде тонких (толщиной 0,4... 1,0 мм) пластин, густо перфорированных отверстиями. Характерный диаметр отверстий составляет 2...4 мм при толщине перемычки между соседними отверстиями 0,3...0,6 мм. При этом допуск на точность выполнения отверстий и соосность отверстий в двух электродах обычно составляет не более 0,02 мм. Для ЭРД-50 в каждом электроде должно быть выполнено свыше 35 000 отверстий. Соосность отверстий в двух электродах должна сохраняться как во время прогрева двигателя, так и после его выхода на стационарный тепловой режим.
Альтернативой традиционной ИОС с аксиально-симметричными апертурами может быть щелевая ионно-оптическая система прямоугольного сечения, особенности которой рассмотрены в предыдущем разделе. В этом случае целесообразно использовать ГРК прямоугольной формы (вместо ГРК круглого сечения) для достижения наиболее плотной компоновки единичных тяговых модулей в составе ЭРДУ высокой мощности.
В рассматриваемом варианте двигателя ЭРД-50 электроды щелевой ИОС образованы набором стержней, закрепленных с помощью пружинных элементов. Каждый электрод состоит из -170 стержней, что примерно на два порядка снижает число прецизионных операций при изготовлении данной ИОС (по сравнению с аксиально-симметричной ИОС). Наличие пружинных элементов, растягивающих стержни в продольном направлении, позволяет избежать искажения геометрии электродов по мере прогрева двигателя. Кроме того, щелевые системы позволяют несколько увеличить эффективную прозрачность плазменного электрода (с 0,75...0,8 для аксиально-симметричных ИОС до 0,8...0,85 для щелевых), что позволяет несколько снизить энергетическую цену иона в ГРК. С другой стороны, щелевые ИОС обладают рядом недостатков. Щелевые системы обладают меньшим диапазоном пропускаемой плотности ионного тока, при котором отсутствует прямой перехват ионов ускоряющим электродом. Данное обстоятельство обусловливает более жесткие требования к однородности концентрации плазмы по сечению ГРК.
На рис. приведены размеры единичной щели ИОС. Плазменный и ускоряющий электроды формируются стержнями полукруглого сечения различного диаметра.


Схема двигателя (выходное сечение ГРК 1040x440 мм) показана на рис. В качестве ключевых моментов при испытаниях такого крупногабаритного двигателя можно выделить: исследование стабильности геометрических параметров щелевой ИОС в ходе работы двигателя; определение допустимого диапазона регулировки по плотности ионного тока и ускоряющему напряжению, при котором отсутствует прямой перехват ионов пучка ускоряющим электродом;
Для проверки правильности принятых решений, а также в целях отработки технологии изготовления щелевых ИОС и изучения особенностей работы ГРК прямоугольного сечения разработана и изготовлена лабораторная модель ионного двигателя ИД-180П. Двигатель также имеет прямоугольную ГРК с выходным сечением размером 230x120 мм и щелевую ИОС с молибденовыми стержнями полукруглого сечения. Внешний вид двигателя и внешний вид ИОС приведен на рис.
Испытания двигателя на ксеноне показали, что ожидаемый уровень энергетической цены иона составляет 160... 200 Вт/А (после установки полноразмерного узла ИОС), что соответствует лучшим аналогам ИД с аксиальной геометрией. Последующие испытания двигателя при использовании в качестве рабочего тела аргона позволили оценить ожидаемую энергетическую цену иона, которая для полноразмерного узла ИОС составит —300 Вт/А. Таким образом, по эффективности ионизации атомов рабочего тела созданная прямоугольная ГРК ничем не уступает традиционным устройствам.
Наряду с предварительной оценкой эффективности ГРК ИД-180П при проведении данных экспериментов решалась задача проверки правильности конструктивных решений, заложенных при проектировании узла ИОС. В ходе работы не наблюдалось явлений, свидетельствующих о нестабильности геометрии электродов ИОС (частых межэлектродных пробоев, увеличения тока перехвата на ускоряющий электрод). Осмотр электродов после испытаний также не выявил нарушения их геометрии, что позволяет говорить о правильности выбранной конструкции.

Но если правильная конструкция для ионного двигателя с ускоряющими апертурами щелевого типа, нашлась для условия вакуума, а это «почти» наша «рамочка», то, может быть, стоит поискать вариант и для воздушного пространства, благо, что рабочего тела предостаточно, с собой возить не надо.
Естественно данная движительная установка требует генерации значительных мощностей. При увеличении мощности габариты и веса генератора растут в геометрической прогрессии. Но можно представить набор последовательно соединенных высокооборотных генераторов меньшей мощности. Например 10 генераторов по 100 КВт и т.д.
Еще одной проблемой будет преобразование низковольтного сгенерированного тока в высоковольтный. А главный вопрос – где все это разместить и как передать?
По-видимому проблема с выбором места разрешима, если вспомнить про экранопланы. Известно что объемы доступные в экраноплане существенно больше чем на летательном аппарате.
Но возникает новая проблема – повышенная влажность, но и новое преимущество, наличие среды с гораздо большей плотностью. Т.е. можно двигаться в среде с меньшей плотностью, а использовать рабочее тело с большей плотность. Правда заманчиво!

ЛИТЕРАТУРА
1. Работа ведущих авиадвигателестроительных компаний в обеспечение создания перспективных авиационных двигателей. Под ред. В.А. Скибина, В.И. Солонина. ЦИАМ М. 2004 г.
2. Развитие авиационных ГТД и создание уникальных техноло гий. В.И. Бабкин, М.М. Цховребов, В.И. Солонин, А.И. Ланшин. Научно-технический журнал "Двигатель"№ 2 2013 г.
3. Некоторые результаты исследования электростатического двигателя. Д. Власенко, В. Квитко, В. Кузнецов, А.В. Ефимов. Науч но-технический журнал "Двигатель"№ 2 2008.
4. Ионолет или к вопросу об "эфекте Бифульда-Брауна". В. Кузнецов, А. Роговский, А.В. Ефимов. Научно-технический жур нал "Двигатель"№4 2009.
5. Поиски "Эффекта Бифульда-Брауна". М. Щукин, А.В. Ефимов. Научно-технический журнал "Двигатель" №3 2010.
6. Удивительные электронные устройств. Электроника для начинающего гения. Б. Яннини М Press 2008 г.
7. Ионные двигатели для космических полетов. Э. Штулингер. М. Машиностроение. 1968 г.
8. Заметки к вопросу О ПЕРСПЕКТИВАХ ИОННЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ В АВИАЦИИ. Д.А. Боев, А.В. Ефимов, ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова Научно-технический журнал "Двигатель" №4 2015.
9. Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов / О.А. Горшков, В.А. Муравлёв, А.А. Шагайда; под ред. академика РАН А.С. Коротеева. М.: Машиностроение, 2008. 280 с

06.02.2021 krylat пишет:
Сообщить модератору
Ссылка на это сообщение
 

см. также https://zen.yandex.ru/media/...

Сообщить модератору
Ссылка на это сообщение
 

В журнале "Двигатель" тема ионных двигателей обсуждалась, практически, за всё существование журнала не раз. Прежде всего потому, что всегда считали это направление заслуживающим внимания и несомненно перспективным, а кроме того - нужно было избавить эту тему от несправедливого налёта игрушечной какой-то мистики, которым были покрыты порою статьи про всякие "летающие рамки" и прочую левитацию. Нужно было повернуть дело в практическую плоскость. Иначе, кроме удивлялок в духе "Рен-ТВ" ничего бы не получилось. Хотя и они, несомненно, нужны.
Причём, сначала мы всё это давали просто как ссылку на исследовательские работы, и лишь когда сами поняли очевидную перспективность темы - с некими заходами на ожидаемые эффекты от будущих разработок. Вот - перечень наших статей со ссылками на их размещение на сайте:

Статьи в «Двигателе» о перспективах ионных двигателей в наземной их ипостаси:
№ 2 (56) 2008 стр. 62 Д. Власенко, В. Квитко, В. Кузнецов, А.В. Ефимов Некоторые результаты исследования электростатического двигателя
http://engine.aviaport.ru/issues/56/page62.html
№ 2 (62) 2009 стр. 64 В. Кузнецов, В. Квитко, А.В. Ефимов Исследуем варианты электростатического двигателя
http://engine.aviaport.ru/issues/62/page64.html
№ 4 (64) 2009 стр. 66 В. Кузнецов, А. Роговский, А.В. Ефимов Ионолет или к вопросу об эфекте Бифульда-Брауна
http://engine.aviaport.ru/issues/64/page66.html
№ 3 (69) 2010 стр. 51 М. Щукин, А.В. Ефимов Поиски “Эффекта Бифульда-Брауна”
http://engine.aviaport.ru/issues/69/page51.html

№ 4 (100) 2015 стр 40 Д.А. Боев, А.В. Ефимов Заметки к вопросу о перспективных движителях
[file_pdf]http://engine.aviaport.ru/issues/100/pics/pg40.pdf[/file_pdf]
№ 6 (108) 2016 стр 30 Д.А. Боев, А.В. Ефимов В развитие статьи "Заметки к вопросу о перспективных движителях" ("Двигатель" №4 2015)
[file_pdf]http://engine.aviaport.ru/issues/108/pics/pg30.pdf[/file_pdf]
И – повторы ранних статей.
№ 5 (119) 2018 стр. 14 Д.А. Боев, А.В. Ефимов В развитие статьи ("Двигатель" №4 2015) "Заметки к вопросу о перспективных движителях" Репринтное повторение статьи журнала «Двигатель» № 6 2016 года
[file_pdf]http://engine.aviaport.ru/issues/119/pics/pg14.pdf[/file_pdf]
№ 6 (120) 2018 стр. 22 В. Кузнецов, А. Роговский, А.В. Ефимов Ионолёт или к вопросу об «эффекте Бифульда-Брауна» Репринтное повторение статьи журнала «Двигатель» № 4 2009 года
[file_pdf]http://engine.aviaport.ru/issues/120/pics/pg22.pdf[/file_pdf]
И вроде бы, мы хоть сколько-то преуспели в этом: публикации пошли и практические работы разворачиваются.

14.02.2021 krylat пишет:
Сообщить модератору
Ссылка на это сообщение
 

http://engine.aviaport.ru/issues/69/page51.html

Ответить в тему:



Авиапорт.Конференции

Агентство «АвиаПорт» является разработчиком программного обеспечения, позволяющего зарегистрированным пользователям сайта общаться друг с другом. Все сообщения отражают собственное мнение их авторов, и агентство не несет ответственность за достоверность и законность информации, публикуемой пользователями на страницах раздела.