هواپیماهای یونی

تصویر: ساخت هواپیمای یونی معمولی

طرح های فعلی برای این نوع هواپیما، نیروی رانش کافی برای پرواز سرنشین دار یا بارهای مفید ایجاد نمی کنند.
 
اصل رانش باد یونی با ذرات باردار تولید شده توسط تاج، در زمان کوتاهی پس از کشف الکتریسیته با ارجاعات مربوط به سال 1709 در کتابی با عنوان آزمایش های فیزیکی و مکانیکی در موضوعات مختلف توسط فرانسیس هاوکسبی کشف شد.
 

آزمایشات "بالابر" VTOL

آزمایشگر آمریکایی توماس تاونسند براون بیشتر عمر خود را صرف کار بر روی این اصل کرد، با این تصور اشتباه که این یک اثر ضد گرانشی است، که او آن را اثر بیفلد-براون نامید. از آن جایی که دستگاه‌های او بدون توجه به جهت گرانش، نیروی رانش را در جهت گرادیان میدان تولید می‌کردند و در خلأ کار نمی‌کردند، سایر کارگران متوجه شدند که این اثر ناشی از EHD است.
 
هواپیماهای یونی VTOL گاهی اوقات "بالابر" نامیده می شوند. نمونه‌های اولیه قادر بودند حدود یک گرم وزن در هر وات را بلند کنند، این برای بلند کردن منبع تغذیه با ولتاژ بالا، که روی زمین باقی می‌ماند و از طریق سیم‌های بلند، نازک و انعطاف‌پذیر، هواپیما را تأمین می‌کرد، کافی نبود.
 
استفاده از پیشرانه EHD برای بالابر توسط طراح هواپیمای آمریکایی سرگرد Alexander Prokofieff de Seversky  در دهه های 1950 و 1960 مورد مطالعه قرار گرفت. او در سال 1959 یک پتنت برای "ionocraft" به ثبت رساند. او یک مدل هواپیمای یونی VTOL را ساخت و به پرواز درآورد که قادر به مانور جانبی با تغییر ولتاژهای اعمال شده در مناطق مختلف بود، اگرچه منبع تغذیه سنگین، خارجی باقی ماند.
 
وسیله نقلیه هوایی الکترومغناطیسی بدون بال  (WEAV) 2008(Wingless Electromagnetic Air Vehicle)، یک بالابر EHD  نعلبکی شکل با الکترودهای تعبیه شده در سراسر سطح آن، توسط تیمی از محققان به رهبری سوبراتا روی، در دانشگاه فلوریدا در اوایل قرن بیست و یکم مورد مطالعه قرار گرفت. سیستم پیشرانه از نوآوری های زیادی استفاده می کند، از جمله استفاده از میدان های مغناطیسی برای افزایش راندمان یونیزاسیون. مدلی با یک منبع خارجی، به حداقلِ لازم برای برخیزش و شناوری دست یافت.
   

توان سرخود

منابع تغذیه قرن بیست و یکم سبک‌تر و کارآمدتر هستند. اولین هواپیمای پیشران یونی که با استفاده از منبع تغذیه داخلی خود بلند شد و پرواز کرد، یک هواپیمای VTOL بود که توسط اتان کراوس از Electron Air در سال 2006 توسعه یافت. درخواست ثبت اختراع او در سال 2014 ثبت شد و در سال 2017 توسط Stardust Startups به او کمک مالی خرد، برای حمایت از پروژه اش، اعطا شد. این هواپیما نیروی رانش کافی برای به سرعت بلند شدن یا پرواز افقی برای چند دقیقه ایجاد می کرد.
 
در نوامبر 2018، اولین هواپیمای یونی بال ثابت خودکفا، MIT EAD Airframe Version 2، 60 متر پرواز کرد. این هواپیما توسط تیمی از دانشجویان به رهبری استیون بارت از مؤسسه فناوری ماساچوست توسعه داده شد. طول بال آن 5 متر و وزن آن 2.45 کیلوگرم بود. این هواپیما با استفاده از یک نوار الاستیک، با منجنیق پرتاب شد و سیستم EAD هواپیما را در پرواز در سطح پایین نگه می داشت.
 

اصول عملیات

پیشرانه هوای یونی تکنیکی است برای ایجاد جریان هوا از طریق انرژی الکتریکی، بدون استفاده از هیچ گونه قطعه متحرکی. به همین دلیل گاهی اوقات به عنوان یک رانش "حالت جامد" توصیف می شود. این بر اساس اصول الکتروهیدرودینامیک است.
 
در شکل اصلی خود، از دو الکترود رسانای موازی، یک سیم امیتر پیشرو و یک کلکتور پایین دست تشکیل شده است. هنگامی که چنین آرایشی با ولتاژ بالا (در محدوده کیلوولت بر میلی‌متر) تغذیه می‌شود، تابش‌کننده مولکول‌های موجود در هوا را یونیزه می‌کند که به سمت عقب به سمت کلکتور شتاب می‌گیرند و در واکنش، نیروی رانش تولید می‌کنند. در طول مسیر، این یون ها با مولکول های هوای خنثای الکتریکی برخورد می کنند و به نوبه خود آنها را شتاب می دهند.
 
این اثر مستقیماً به قطبیت الکتریکی وابسته نیست، آن چنان که یون ها ممکن است بار مثبت یا منفی داشته باشند. معکوس کردن قطبیت الکترودها جهت حرکت را تغییر نمی دهد، زیرا قطبیت یون های حامل بار را نیز معکوس می کند. رانش به هر رو در یک جهت تولید می شود. برای تاج مثبت، ابتدا یون های نیتروژن ایجاد می شوند، در حالی که برای قطبیت منفی، یون های اکسیژن یون های اولیه اصلی هستند. هر دوی این نوع یون ها بلافاصله انواع مولکول های هوا را برای ایجاد یون های خوشه ای مولکولی از هر دو علامت جذب می کنند که به عنوان حامل بار عمل می کنند.
 
رانشگرهای EHD فعلی بسیار کارآمدتر از موتورهای معمولی هستند.
 
برخلاف موشک‌های رانشگر یونی خالص، اصول الکتروهیدرودینامیک در خلأ فضا کاربرد ندارد.
 

الکتروهیدرودینامیک

نیروی رانش تولید شده توسط دستگاه EHD نمونه ای از اثر بیفلد-براون است و می تواند از طریق استفاده اصلاح شده از معادله Child-Langmuir  به دست آید. یک رویکرد تک بعدی تعمیم یافته، معادله را به دست می دهد: F=Id/k، که در آن
 
F نیروی حاصله است.
I جریان الکتریکی است.
D شکاف هوا است.
K تحرک یونی سیالِ کاری است که در سیستم آحاد SI بر حسب A s kg اندازه گیری می شود، اما معمولاً در واحد m V s توصیف می شود. یک مقدار معمولی برای هوا در فشار و دمای سطح، 1.5×10 m V s است.
 
چون که در مورد گازی مانند هوا اعمال می شود، این اصل به عنوان الکتروآیرودینامیک (EAD) نیز شناخته می شود.
 
وقتی آیونکرافت روشن می شود، سیم تاج با ولتاژ بالا، معمولا بین 20 تا 50 کیلو ولت، شارژ می شود. وقتی سیم تاج به تقریباً 30 کیلو ولت می‌رسد، باعث می‌شود مولکول‌های هوای مجاور، با جدا شدن الکترون‌ها از آنها یونیزه شوند. همان طور که این اتفاق می افتد، یون ها از آند دفع می شوند و به سمت کلکتور جذب می شوند و باعث می شوند که اکثر یون ها به سمت کلکتور شتاب بگیرند. این یون ها با سرعت متوسط ​​ثابتی حرکت می کنند که به آن سرعت رانش می گویند. چنین سرعتی به میانگین مسیر آزاد بین برخوردها، قدرت میدان الکتریکی خارجی و جرم یونها و مولکولهای هوای خنثی بستگی دارد.
 
این واقعیت که جریان توسط یک تخلیه تاج (و نه یک قوسِ قویاً محصور شده) حمل می شود به این معنی است که ذرات متحرک در یک ابر یونی در حال انبساط پخش می شوند و اغلب با مولکول های هوای خنثی برخورد می کنند. این برخوردها هستند که نیروی رانش ایجاد می کنند. تکانه ابر یونی تا حدی به مولکول های هوای خنثی که با آنها برخورد می کند منتقل می شود، که به دلیل خنثی بودن، به الکترود دوم بر نمی‌گردند. در عوض آنها به حرکت خود در همان جهت ادامه می دهند و باد خنثی ایجاد می کنند. از آن جایی که این مولکول های خنثی از یونوکرفت خارج می شوند، طبق قانون سوم حرکت نیوتن، نیروهای مساوی و مخالف وجود دارد، بنابراین یونوکرفت با نیرویی برابر در جهت مخالف حرکت می کند. نیروی اعمال شده با یک نسیم ملایم قابل مقایسه است. میزان رانش حاصل به عوامل خارجی دیگر از جمله فشار و دما، ترکیب گاز، ولتاژ، رطوبت و فاصله شکاف هوا بستگی دارد.
 
توده هوا در شکاف بین الکترودها، به طور مکرر توسط ذرات برانگیخته که با سرعت رانش بالا حرکت می کنند، تحت تأثیر قرار می گیرد. این باعث ایجاد مقاومت الکتریکی می شود که باید بر آن غلبه کرد. نتیجه نهایی هوای خنثی که در این فرآیند گرفتار می‌شود این است که به طور مؤثر باعث تبادل حرکت و در نتیجه ایجاد نیروی رانش می‌شود. هر چه هوا سنگین‌تر و متراکم‌تر باشد، رانش حاصله بیشتر می‌شود.
 

پیکربندی هواپیما

مانند رانش واکنشی معمولی، رانش EAD ممکن است به صورت افقی برای تأمین انرژی یک هواپیمای با بال ثابت یا به صورت عمودی برای پشتیبانی از یک هواپیمای به صورت بالابر توان گرفته، که گاهی اوقات به عنوان "بالابر" نامیده می شود، هدایت شود.
 

طرح

اجزای مولد رانش یک سیستم رانش یونی از سه بخش تشکیل شده است. یک تاج یا سیم امیتر، یک شکاف هوا و یک سیم یا نوار جمع کننده در پایین دست امیتر. یک قاب عایق سبک وزن از چیدمان پشتیبانی می کند. امیتر و کلکتور باید تا حد امکان به هم نزدیک باشند، یعنی با فاصله ای در حد یک شکاف هوای باریک، برای رسیدن به شرایط جریان تاج اشباع که حداکثر رانش را ایجاد می کند. با این حال، اگر امیتر بیش از حد به کلکتور نزدیک باشد، تمایل دارد در سراسر شکاف قوس شود.
 
سیستم های محرکه یونی به دلیل ولتاژ بالای مورد نیاز، به اقدامات احتیاطی زیادی نیاز دارند.
 

امیتر

سیم امیتر معمولاً به ترمینال مثبت منبع تغذیه ولتاژ بالا متصل می شود. به طور کلی، از یک سیم رسانای لخت گِیج کوچک ساخته شده است. در حالی که می توان از سیم مسی استفاده کرد، اما مس به خوبیِ فولاد ضد زنگ کار نمی کند. به طور مشابه، سیم نازک‌تر مانند گیج 44 یا 50 معمولاً از اندازه‌های رایج‌تر و بزرگ‌تر مانند گیج 30 بهتر عمل می‌کند، زیرا میدان الکتریکی قوی‌تر در اطراف سیم با قطر کوچک‌تر منجر به یونیزاسیون بهتر و جریان تاج بزرگ‌تر می‌شود.
 
امیتر گاهی اوقات به عنوان "سیم تاج" شناخته می شود زیرا تمایل آن به انتشار درخشش تخلیه تاج بنفش در هنگام استفاده است.
 

شکاف هوا

شکاف هوا دو الکترود را عایق بندی می‌کند و به یون‌های تولید شده در امیتر اجازه می‌دهد تا قبل از از دست دادن بار خود در کلکتور، شتاب گرفته و تکانه را به مولکول‌های هوای خنثی منتقل کنند. عرض شکاف هوا معمولاً 1 میلی‌متر بر کیلوولت است.
 

کلکتور

کلکتور به گونه ای شکل گرفته است که یک سطح هم پتانسیل صاف در زیر سیم تاج ایجاد کند. انواع آن شامل مش سیم، لوله های رسانای موازی، یا دامن فویل با لبه صاف و گرد است. لبه های تیز روی دامن، عملکرد را کاهش می دهد، زیرا یون هایی با قطبیت مخالف آن هایی که در مکانیسم رانش هستند تولید می کند.
 

رانشگرهای الکتروهیدرودینامیکی

EHD مخفف Electro Hydro Dynamics است که مطالعه جریان سیال تحت تأثیر میدان الکتریکی است. اصل رانش هوای یونی با ذرات باردار تولید شده از تاج از همان روزهای اولیه کشف الکتریسیته شناخته شده است. همان طور که گفته شد یکی از اولین ارجاعات به سنجش هوای متحرک نزدیک یک لوله باردار در سال 1709 در کتابی با عنوان "آزمایش‌های فیزیکی و مکانیکی در موضوعات مختلف" توسط F.Hauksbee ظاهر شد. بسیاری دیگر از پیشگامان الکتریسیته از جمله نیوتن، فارادی و ماکسول این پدیده را مطالعه کردند. متأسفانه، EHD یک موضوع رایج در اکثر برنامه های درسی دبیرستان نیست، که این دلیل اصلی این موضوع است که اکثر مردم با دیدن چنین دستگاه هایی در عمل گیج می شوند.
 

اثر رانشگر الکترو هیدرودینامیکی

رانشگر EHD یک دستگاه الکتروهیدرودینامیک است که هوا را یونیزه می کند و ابر یونی باردار را در مسیر و جهتی حرکت می دهد تا تکانه را به مولکول های هوای خنثی منتقل کند. کفتیم که طبق قانون سوم حرکت نیوتن، عمل برابر و مخالف عکس العمل است و رانشگر EHD در جهت مخالف ابر یونی حرکت می کند. Ionocrafts یا هواپیمای یونی نامی بود که به اولین نوع پیشرانه های EHD برخاست عمودی داده شد که در اوایل دهه 60 طراحی شدند و بخشی از خانواده رانشگرهای EHD هستند. چنان که گفته شد این اثر تحت عنوان نه چندان مناسب «بالاگر» محبوبیت پیدا کرده است که به دلیل عدم آگاهی بیشتر مردم از EHD، به نوعی اثر ضد جاذبه مربوط می شود. این یک واقعیت شناخته شده است که این دستگاه ها نیروی رانش را در امتداد محور خود تولید می کنند، نه در برابر نیروی گرانش که از یک دستگاه ضد جاذبه ثقلی انتظار می رود. یک رانشگر EHD در ساده ترین شکل خود از دو الکترود تشکیل شده است، یکی با لبه تیز، یونیزر، و دیگری با لبه صاف، کلکتور، که وقتی با ولتاژ dc بالا (چند کیلو ولت) تغذیه می شود، نیروی رانش را در مقابله با محیط اطراف، که معمولاً هواست، ایجاد می کند.
   
تصویر: نمودار الکترو هیدرودینامیک رانش
 
نمودار زیر یک EHDT را در ابتدایی ترین شکل آن نشان می دهد که شامل یک سیم ریز است که بالای یک ورق فویل آلومینیومی به وسیله یک تکیه گاه عایق سبک مانند چوب بالسا آویزان شده است. اگر منبع ولتاژ بالا DC همان طور که نشان داده شده است وصل شود، یک نیروی رانش ایجاد می شود که دستگاه را در جهت سیم مثبت به حرکت در می آورد. این رانش به دلیل حرکت هوا یا هر سیال دی الکتریک (عایق) دیگری در اطراف دستگاه است که در زیر توضیح داده شده است.
 
الکترود تیز بالایی هوا را یونیزه می کند. اگر الکترود مثبت باشد، الکترون‌های آزاد در مجاورت آن به سمت آن شتاب می‌گیرند و الکترون‌های دیگر را از مولکول‌های هوا در اطراف سیم تیز جدا می‌کنند.
 
بنابراین ابری از بارهای مثبت سنگین تشکیل می‌شود و بهمن الکترون‌هایی که به الکترود تیز نزدیک می‌شوند، عامل جریان تاج و یونیزاسیون هستند. در هجوم جنون آمیز خود از ساطع کننده یون به الکترود منفی صاف، یون های مثبت به مولکول های هوای خنثی- ذرات هوا که بدون بار الکتریکی هستند برخورد می کنند. نیرویی که میدان الکتریکی بر آنها وارد می‌کند با نیروی اصطکاک ناشی از برخورد یون‌ها با مولکول‌های هوای خنثی جبران می‌شود. در نتیجه، یون‌ها از طریق شکاف هوا با سرعت تقریباً ثابت V حرکت می‌کنند، که متناسب با میدان الکتریکی داده ‌شده توسط V=kE است، که در آن ثابت تناسب k تحرک یون نامیده می‌شود، که هر چه مقداری آن بالاتر باشد قابلیت تحرکِ بیشتر (یا سرعتِ بیشتر) و اصطکاکِ کمتری ارائه می شود.
   
تصویر: عکس بالابر الکترو هیدرودینامیک
 
ضربه عظیم در این برخوردها، توده ای از هوای خنثی را همراه با یون ها به پایین پرتاب می کند. مسافت طی شده بر حسب سانتی متر توسط یک مولکول هوای یونیزه شده تا برخورد با مولکول هوای خنثی، با میانگین مسیر آزاد داده می شود و برابر است با 5 x 10/P  است که در آن P=760 Torr در سطح دریا است. هرچه شکاف هوا نسبت به مسیر آزاد متوسط، که برابر با 6.6 x 10cm سانتی متر است، بیشتر باشد، احتمال برخورد مکرر یون به مولکول های خنثی بیشتر است و بنابراین ضربه ها و در نتیجه رانش مؤثر بیشتری دریافت می کنیم. در این برخوردها، بار یونی به خنثی ها منتقل نمی شود. هنگامی که آنها به الکترود صاف پایینی می رسند، یون ها که هنوز مثبت هستند، به آن برخورد کرده و خود را خنثی می کنند. اما شبکه هیچ جاذبه ای برای ذرات هوای خنثی که در امتداد برخورد کرده اند ندارد. بنابراین هوا درست در امتداد طرفین الکترود پایینی جریان می یابد و جریانی از هوای خنثی را در زیر دستگاه EHD ایجاد می کند. این واقعیت که بیشتر یون‌ها در کلکتور خنثی می‌شوند، توضیح می‌دهد که چرا خوانشی که از تنظیم مترهای اندازه‌گیری یون در زیر چنین دستگاه‌هایی دریافت می‌کنیم، رانش اندازه‌گیری شده را محاسبه نمی‌کند. در واقع برای یک رانشگر EHD خوب، چنین میزانی باید نزدیک به صفر باشد. با این حال، اگر نیرویی که توسط هوای خروجی از سمت کلکتور بر روی یک سطح صاف اعمال می‌شود، دقیقاً اندازه‌گیری شود، متوجه می‌شویم که این نیرو برابر و مخالف نیروی رانش دستگاه است.
 
در حالی که در دهه‌های 1950 و 1960 تحقیقات گسترده‌ای در مورد استفاده از نیروی محرکه الکتریکی برای پروازهای فضایی بین سیاره‌ای انجام شد، بسیاری از مفاهیم امیدوارکننده به دلیل محدودیت‌های تکنولوژیکی سیستم‌های تهویه‌کننده نیرو که در آن زمان استفاده می‌شدند، باید کنار گذاشته می‌شد. همچنین قابل درک است که تحقیق و توسعه پیشرانه‌های یونی توسط ناسا در آن روزها عمدتاً برای پروازهای فضایی بین سیاره‌ای بوده است و این واقعیت که یونوکرفت‌ها برای کار به یک محیط سیال نیاز دارند، باعث شده است که این دستگاه‌های خارق ‌العاده تا حد زیادی توسط جامعه علمی رها شوند.
 
منبع: .rmcybernetics