Автор: Николай Макаренко
Опубликовано: 07.05.2020, 11:43
 

Новый реактивный двигатель на основе воздушной плазмы


Прототип оригинального реактивного двигателя на основе воздушной плазмы может создавать тягу без использования ископаемого топлива, что потенциально позволит решить проблему экологичных воздушных перевозок. Устройство ионизирует воздух микроволнами, генерируя плазму, которая создает тягу. Таким образом, самолеты могут когда-нибудь летать, используя только электричество и воздух вокруг них.

Прототип двигателя, работающего на воздушной плазме создали китайские ученые из Уханьского университета. Исследователи нашли способ создать струю плазмы за счет сильного сжатия воздуха и использования микроволнового излучения для ионизации потока.

Сейчас прототип способен создать струю воздуха, которая может поднять стальной шарик весом один килограмм над трубкой диаметром 24 миллиметра. При увеличении масштабов тяга будет сравнима с показателями реактивных двигателей.

Прототип концепта и серийная реализация двигателя

Между прототипом проверенного концепта и установкой двигателя на реальном самолете предстоит долгий путь. Но прототип смог создать тягу, запустив в воздух стальной шарик весом в один килограмм (2,2 фунта) на 24 миллиметра. Это та же тяга, пропорциональная масштабу, что и у обычного реактивного двигателя.

"Наши результаты показали, что такой реактивный двигатель на основе микроволновой воздушной плазмы может быть потенциально жизнеспособной альтернативой обычному реактивному двигателю на ископаемом топливе", - сказал в своем пресс-релизе ведущий исследователь и инженер Уханьского университета Джау Тан.

Китайские ученые продемонстрировали в лабораторных условиях прототип микроволнового плазменного двигателя, способного работать в атмосфере Земли и создавать тягу с эффективностью, сравнимой с реактивными двигателями, которые используются на современных авиалайнерах.

Воздушно-плазменное реактивные двигатели - новый подход к решению проблемы

В предлагаемом опытном образце реактивного двигателя используется воздушная плазма, индуцированная микроволновой ионизацией. Такой реактивный двигатель просто использует воздух и электричество для получения высокой температуры и плазмы под давлением для создания реактивной силы. Исследователи продемонстрировали, что при одинаковом энергопотреблении его тяга сопоставима с тягой обычных реактивных двигателей самолетов, использующих ископаемое топливо. Следовательно, такой двигатель без выбросов углерода может потенциально использоваться в качестве реактивного двигателя в атмосфере.

В конструкции двигателя используется воздушный компрессор для создания начальной скорости воздуха, затем ионизируется воздух в плазму и нагревается до высоких температур и давлений с помощью мощного микроволнового излучателя

Подобно твердым телам, жидкостям и газам, плазма является нормальным состоянием вещества. Плазма естественным образом возникает вследствие ионизации молекул при высоких температурах (например, на солнце) или в сильных электрических полях (например, при молнии). В лаборатории плазма может генерироваться с использованием электрической дуги, микроволнового резонатора, лазера, пламени огня или высоковольтного разряда.

Плазма имеет широкое применение во многих областях, в т. ч. на реактивных двигателях космических кораблей, использующих ксеноновую плазму. При этом она создает небольшую тягу и может использоваться только в космическом безвоздушном пространстве.

Плазменные двигатели уже применяются на космических кораблях в качестве средства солнечно-электрического передвижения, использующего плазму ксенона, но такие вещи бесполезны в атмосфере Земли, поскольку ускоренные ионы ксенона теряют большую часть своей силы тяги из-за трения о воздух. Не говоря уже о том, что они не создают достаточной тяги.

Новый проект, разработанный и созданный группой специалистов из Института технических наук Уханьского университета, использует только воздух и электричество и, по-видимому, произведет впечатляющий прорыв, который может привести к тому, что он станет актуальным для применения в электрических самолетах.

Воздушно-плазменное реактивное устройство работает путем ионизации воздуха, чтобы создать низкотемпературную плазму, которая продувается воздушным компрессором. На полпути вверх по трубе в ионизационной камере на плазму воздействует мощный микроволновый излучатель частотой 2,45 ГГц, который сильно "встряхивает" ионы в плазме, разбивая их о другие неионизированные атомы и значительно повышая температуру и давление плазмы. Эта температура и давление создают значительную силу тяги.

В предлагаемом прототипе плазменного реактивного двигателя может генерироваться приблизительно 11 Н тяги при 400 Вт мощности, используя 0,5 л / с для воздушного потока, что соответствует тяге 28 Н / кВт и давлению струи 2,4 × 10 4 Н / м2. При более высокой микроволновой мощности или большем потоке воздуха могут быть достигнуты силы тяги и реактивные давления, сравнимые с показателями реактивных двигателей коммерческих самолетов.

Исследователи проверили параметры в диапазоне различных уровней мощности и скоростей воздушного потока, и, несмотря на несколько импровизированную технику измерения, они обнаружили линейную зависимость между движущей силой тяги и микроволновой мощностью, а также воздушным потоком.

Реальные достижения и обоснованные сомнения

С точки зрения эффективности, движущая сила при 400 Вт и 1,45 кубических метров воздуха в час составила 11 Ньютонов, что представляет собой преобразование мощности в тягу 27,5 Н / кВт. Предполагая линейную экстраполяцию, команда предположила, что она может взять батарею Tesla Model S, способную выдавать мощность 310 кВт, и превратить ее в нечто вроде силы тяги в 8500 Н.

Для сравнения, в электрическом самолете Airbus E-Fan используется пара вентиляторов с электроприводом мощностью 30 кВт, которые в совокупности производят 1500 Н тяги. Это подразумевало бы высокие показатели - около 25 Н / кВт, что не так хорошо, как у первого прототипа, собранного в этой лаборатории.

Исследователи утверждают, что эффективность тяги уже сравнима с эффективностью реактивных двигателей коммерческих самолетов. Исследователи уже работают над отказом от метода испытаний стальных шариков для чего-то более надежного и точного, а также пытаются повысить эффективность конструкции. Но уже полученные результаты, безусловно, выглядят многообещающими для этой новой идеи плазменного двигателя в двигателе электрического самолета, с несколькими важными оговорками.

Во-первых, в eVTOL не будет большой замены в качестве замены оборудования или канального вентилятора, независимо от того, насколько тише он может работать, если эта плазма выходит при температурах в тысячи градусов. И, во-вторых, как было отмечено в анализе Ars Technica , "воздушные потоки примерно в 15 000 раз ниже, чем у полноразмерного двигателя. Тяга также должна масштабироваться примерно на четыре порядка (то есть мощность тоже.) Экстраполяция линейных трендов на четыре порядка - хороший способ разочароваться в жизни".

Кроме того, по какой-то причине точки данных не показывают самые высокие уровни микроволновой мощности при самых высоких воздушных скоростях, которые, как кажется, позволяет испытательный стенд, сигнализируя о том, что в лаборатории уже могут начаться странные вещи.

И, наконец, даже если он является настолько же эффективным или более эффективным, чем обычный старый двигатель Airbus для данного количества потребляемой энергии, факт остается фактом: авиационное топливо несет гораздо больше энергии для данного веса, чем батареи. Тем не менее, это интересная и новая конструкция плазменного двигателя, и интересно посмотреть, что из этого выйдет. Если он окажется масштабируемым и эффективным до уровня, благоприятного для воздушных судов, он может внести реальный вклад в развивающуюся область электрической авиации с нулевыми локальными выбросами.

 
Ссылки по теме:
Дайджест прессы за 7 мая 2020 года | Дайджест публикаций за 7 мая 2020 года
Авторские права на данный материал принадлежат журналу «Наука и техника». Цель включения данного материала в дайджест - сбор максимального количества публикаций в СМИ и сообщений компаний по авиационной тематике. Агентство «АвиаПорт» не гарантирует достоверность, точность, полноту и качество данного материала.

Комментарии к новости