ФГУП ЦИАМ им П.И Баранова Школа «Интеллектуал» Лицей № 2 и др.
Совместное исследование электростатических устройств
см. https://www.youtube.com/watch?v=GVct-mipowU
Лицей № 2: Василий Кузнецов,
школа «Интеллектуал»: Василий Квитко; Власенко Дмитрий; Боков Иван;
Качалов Вячеслав: Зайцев Илья
Клуб СДК «Крылатское»: Раговский Александр
И др.
рук. Ефимов А.В. (ЦИАМ)
Очень много интересного и необычно можно встретить на выставке НТТМ. Так на НТТМ-2005 был представлен «Гравитационный» движитель, транспортное средство на сверхпроводящих керамических магнитах и «Летательный аппарат на эффекте Бифульда-Брауна».
Последний выглядел следующим образом: сотовая конструкция (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 (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 до 10-12 вольт сотовая конструкция отрывалась от стола. Т.е. просто парила в воздухе (см. фото)
Волею случая с авторами этого проекта мы участвовали в еще ряде выставок и НТТМ и МАКС. Поэтому смогли рассмотреть явление довольно подробно.
Первое на что мы обратили внимание – для полета обязательно наличие протекающего через конструкцию тока. Его величина примерно 0.15 миллиампер. При напряжении 20 Киловольт, а именно такое выдает высоковольтный источник питания Следовательно имеем мощность 3 (три) ватта. Если вес конструкции около 3 гр, то получаем соотношение 1Вт-1гр справедливое для двигателей летательных аппаратов.
Но главное наличие протекающего тока противоречит самому понятию «эффект Бифильда-Брауна» В чем он заключается. По утверждению авторов проекта заряженный конденсатор с несимметричными, имеющими разную площадь обкладками, создает постоянно действующую силу направленную в сторону обкладки меньшей площади. Есть и другое утверждение, согласно которому два свинцовых шара заряженные одинаковыми зарядами разной полярности при взаимодействии отклоняются на неодинаковые углы.
Существует ссылка на эксперимент, который Вы можете повторить. Для этого достаточно изготовить модель конденсатора (см. рис.)
Пара противоположно заряженных конденсаторов на легкой оси поворачиваются на некоторый угол при подачи на них высокого напряжения. Любопытно, что для этого совсем не обязательно им быть несимметричными. Вращается конструкция и с обкладками равной площади. Значит дело не в несимметричности.
Тем более протекающий через конструкцию ток также свидетельствует о других процессах.
Что касается летательного аппарата то, если находится рядом, особенно если положить руку на стол под конструкцию, то обращаешь внимание на довольно сильный поток воздуха дующий вниз.
Таким образом есть движение воздуха, следовательно есть изменение количества движения и естественно должна возникать подъемная сила. Для чисто реактивного двигателя еще в 30-х годах 20-го века Стечкиным было показано, что для появления тяги обязательным условием является наличие поверхности на которую будет действовать градиент давления в сторону вектора силы тяги.
Двигатель представляющий собой отрезок тубы создавать тягу не может. Спрофилированная же поверхность тягу создаст.
Разумеется, имеет место и взаимодействие заряженных частиц пролетающих мимо электродов с ними. Но составляющую подъемной силы возникающую при обтекании конструкции тоже надо учитывать.
Обратившись к данному проекту мы, первоначально, честно выполнили предложенные (см. ЮТ № 6 за 2006 г.) рекомендации. И пытались заставить взлететь наши аппараты.
Попытки потерпели неудачу.
Тогда мы провели более подробное исследование и постарались замерить различные параметры, такие как: электрический потенциал в различных точках, возникающую силу, протекающие токи и д.р. К тому же у нас накопился опыт исследования подобных устройств, когда мы работали над проектом электростатического двигателя. Кстати говоря были проведены испытания электростатического двигателя в вакууме и получены довольно интересные результаты. Разработанные конструкции электростатического двигателя используют как ионный ветер, так и явления с ним непосредственно не связанные.
Исследования показали, что конструкция в целом и отдельные элементы, создают силу изменяющую вес конструкции. Сила направлена в сторону эмиттера, направление действующей силы не зависит от полярности подключения, но больше, если на проволочку (эмиттер) подают - (минус).
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 неслучайно, просто нам попалась книга Боб Яииини «Удивительные электронные устройств. Электроника для начинающего гения» М Press 2003 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.
Это укрепило нас в мысли что мы на правильном пути и опыты продолжились.
Наконец 2-го ноября 2008 г., после нескольких попыток и переделок самого аппарата, боролись с весом, конструкция полетела.
При весе около 3 гр. подъемная сила составляет 7 гр. Расчеты показывают что для этого достаточно отбрасывать 38 гр воздуха в секунду со скоростью 1,81 м/с.
Кроме уменьшения веса пришлось увеличить напряжение питания, увеличить расстояние между эмиттером и фольгой, а также применить в качестве эмиттера «голую», не лакированную проволоку.
Любопытная картина открылась при выключенном свете, по всему периметру на проволочке наблюдалось характерное для коронного разряда свечение.
При исследовании электростатических двигателей «с иголочками», описанное ниже, наблюдалось аналогичное характерное свечение коронного разряда. Причем в барокамере, при понижении давления его можно было наблюдать и при слегка затемненной комнате.
Эксперименты с электростатическими устройствами проводились в школе «Интеллектуал» в рамках работ по нетрадиционным двигателям. Сами устройства изготавливались в клубе «Крылатское», школе и ЦИАМ им. П.И. Баранова. Результаты обсуждались всеми участниками проекта по мере их получения.
Объект был выбран как наиболее интересный для приложения мыслительных способностей и талантов экспериментатора школьников «Интеллектуала» и Крылатского.
Исследования по применению электростатики в двигателестроении включали в себе несколько воэможных решений:
1.Электростатический маятник
«Известное устройство» в котором проводящий или диэлектрический легкий шарик перемещается между двумя заряженными пластинами. Пластины подключались к электрофорной машине или к лабораторному источнику высокого напряжения. Хороший эффект был с пенопластовым шариком обернутым фольгой, который довольно с высокой частотой прыгал между пластинами разнесенными на расстояние примерно 80 мм. Теоретически на таком принципе можно создать двигатель, где перемещающийся между обкладками шарик будет вращать ну например что-то вроде коленчатого вала.
2.Крестовина из конденсаторов
Тоже известная конструкция. Если выполнить ротор и статор в виде набора конденсаторов то, при подачи на противолежащие обкладки напряжения разного знака, обкладки притягиваются, а при подачи напряжения одинакового знака отталкиваются. И на этом принципе возможно создание двигателя. Нужно только переключать полярность конденсаторов в определенных точках
3.Вертикально расположенный электростатический двигатель
Конструктивно ротор двигателя это вертикально расположенный цилиндр (пластиковая бутылка) с наклеенными на боковой поверхности полосками фольги. Статор представляет собой четыре стержня с приклеенными электропроводящими контактами выполненными из металлизированной лавсановой пленки (елочной гирлянды). Напряжение подводится к стержням попарно + - + -. Ротор начинает вращение после подачи напряжения, но у нас он вращался сравнительно медленно и после некоторых «раздумий».
Причина вращения может быть разная. С одной стороны вращение может быть получено, а он действительно вращается, в результате переноса заряда обкладками фольги от одного контакта к другому как в электростатическом маятнике. С другой стороны вращение может возникать из-за поляризации диэлектрика.
Ротор целиком обклееный фольгой тоже вращается. Чисто диэлектрический ротор мы не пробовали.
Три вышеперечисленные конструкции показали свою работоспособность и причина вращения вполне объяснима.
4. Электростатический двигатель Литовченко
Наибольшее количество вопросов возникало к электростатическому двигателю Литовченко, поэтому он исследовался более подробно.
Конструктивно электростатический двигатель представляет собой кольцевой статор из диэлектрика и диэлектрический диск ротора.
Статор снабжен набором проволочных контактов расположенных параллельно оси или радиально. Испытывались статоры с числом проволочных контактов 16 и 36. В исследованном варианте контакты располагались только радиально. Подключались проволочные контакты к учебному источнику высокого напряжения напряжением 25 киловольт и током 1 миллиампер.
Ротор представлял собой диск из диэлектрика-пенопласта и диск такого же диаметра выполненный из проводящего материала-фольги.
Модели выглядели следующим образом:
Статор № 1 16 контактов
Ротор диэлектрический
Статор № 1 16 контактов
Ротор проводящий
Статор № 2 36 контактов
Ротор диэлектрический
Целью испытания было определение картины распределения электрических зарядов и определение величины крутящего момента в зависимости от геометрических и физических параметров модели.
Распределение зарядов определялось двумя способами:
I .К контактам электростатического двигателя подключался электрометр.
Наблюдались две формы колебаний: с частотой примерно 1 Гц.
Колебания показаний электрометра за полупериод 0.5 с
Частота вращения при этом практически не изменялась и составляла примерно 68.97 об/мин (7.22 1/c или 1,1495 Гц). Величина определялась по кинограмме. Однако, периодически наблюдалось падение скорости вращения примерно в два раза, которая снова восстанавливалась после завершения периода второго вида колебаний.
2. с частотой 0.027 Гц
Колебания показаний электрометра за полупериод 18.45 с
Аналогично снимались показания для двух соседних и диаметрально расположенных электродов. Результаты наблюдения свидетельствовали о том, что колебания показания электрометра в целом хаотичны и связаны с появлением и угасанием коронного разряда на каждом контакте. Причем если у рядом расположенных контактов изменение можно с некоторой поправкой считать синхронными, то у диаметрально расположенных изменение показаний электрометра практически независимы.
Изменение частоты вращения также было связано, по видимому, с изменением интенсивности коронных разрядов.
Следует также отметить, что при повышенной влажности воздуха (97%) ротор двигателя не имел преимущественного направления вращения, тогда как при умеренной влажности ротор вращался преимущественно по часовой стрелке, а при попытке раскрутить его в противоположную сторону возвращался через некоторое время к вращению по часовой стрелке.
Момент измерялся крутильными весами
Схема определения жесткости нити Схема измерения момента
Жесткость нити определялась по периоду колебаний крутильного маятника по формуле:
где: J – момент инерции маятника.
m – масса грузов (5 гр.)
r - радиус расположения грузов (126.5 мм.)
Измеренный период колебаний (по трем колебаниям) составил 39 с.
Величина измеренного угла поворота крутильных весов на модели со статором №1 и диэлектрическим ротором при двух замерах составила 80 и 100 град, а вычисленная величина момента по формуле:
и составила 7.25 10-6 Н*м
Как видно величина момента мала, именно это объясняет столь высокие требования к трению в опоре ротора. Даже на очень хороших подшипниках не удается получить вращение и приходится использовать часовые камни.
Одной из рабочих гипотез объясняющей вращение ротора является появление флуктуация в плотности зарядов на контактах, которые вызывают местный пробой и, как следствие, движение электронов от - к + у одной пары. Появление подобного тока провоцирует ток в том же направлении у соседней пары и т.д. Визуализация потоков воздуха с помощью дыма подтвердила существование направленного потока воздуха от электродов. Однако в отсутствии ротора направление движения воздуха хаотично, хотя и наблюдается тангенциально и радиально направленные составляющие. Причем тангенциальные составляющие в области соседних пар контактов направлены одинаково
Косвенным подтверждением существования флуктуаций плотности зарядов на статоре и роторе может служить расчет плотности электрического потенциала выполненного методом конечных элементов.
Результаты расчета
Плотность заряда
Напряжение
Нетрудно заметить, что в симметричной модели имеются места несимметричного распределения заряда. Может быть это и является главной причиной вращения?
II Проводилось фотографирование двигателя, с большой выдержкой, в темноте
Визуализация показала следующую картину распределения зарядов
На данной фотографии видно свечение на концах контактов. Причем разный цвет соответствует разной полярности. Из фотографии видно, что заряды располагаются, с учетом некоторой не идеальности статора, равномерно
Однако нам удалось создать электростатический двигатель без видимого коронного разряда. Правда паразитные коронные разряды существуют и в этом варианте двигателя, однако главная особенность заключается в следующем. Ротор в последнего представляет собой конденсатор. Очень удобно в качестве ротора использовать CD или DVD диск. Ток проходящий через ротор получается в этом случае меньше 5-10 микроампер, а скорость вращения 4,5 об/с. При подключении более мощного источника ротор удалось разогнать ротор до скорости более 100 об/с.
Диск без подложки не вращается. Самодельный конденсатор , состоящий из двух «голых» дисков и фольги между ними приводится во вращение в нашем двигателе. Следовательно применив в качестве ротора конденсатор мы предали электростатическому двигателю новое качество.
Классический электростатический двигатель Литовченко, правда в несколько оригинальном исполнении, с ротором из бобины скотча, тоже удалось привести в движение. И если диск с напылением можно трактовать как обращенную электорофорную машину, то «ротоскотч» как обращенную машину Ванденгафа.
Так может быть существуют летательные аппараты у которых подъемная сила создается не только ионным ветром.
В журнале «Техника Молодежи» № 6 за 1985 г. действительно рассматривался летательный аппарат представляющий собой заряженное каплеобразное тело вытянутое в горизонтальном направлении и парящее над одноименно заряженной поверхностью.
Однако проект до сих пор не реализован.
Но существует один очень похожий летающий объект.
Представляет он также «каплю», но капля висит как обычная капля жидкости, т.е. вытянутая в вертикальном направлении, но «вверх ногами».
Снизу расположена фольга, подключенная к одному из проводников высоковольтного источника. Сверху, на некотором расстоянии от капли, расположен второй проводник. И «капля» … летает
В электрическом поле возникающем между двумя контактами устойчиво парит только «капля», другие формы летать отказываются.
Мы продолжили свои изыскания в области электростатики.
Вода камень точит – гласит народная мудрость. Вот и наши целенаправленные усилия в области электростатики увенчались успехом – заработал электростатический двигатель Литовченко.
О ходе работ мы уже писали в журнале «Двигатель» № 2 за 2008 г.
Напомним о том, что существуют несколько типов электростатических двигателей.
Из рассмотренных нами это:
1. электростатический маятник;
2. набор конденсаторов с переключением полярности на обкладках при вращении;
3. двигатель на парных токах «игольчатый», почти как у Литовченко;
4. диэлектрический диск без проводящей подложки «с иголками»;
5. диск с проводящей подложкой;
6. двигатель Литовченко.
В данной статье мы расскажем об экспериментах с двумя последними двигателями.
Начнем с электростатического двигателя «с проводящей подложкой».
Принципиальное отличие от других типов двигателей, то, что мы заставляем совершать вращательное движение кольцеобразный конденсатор. В основу было положен известный патент, в котором к диску из диэлектрического материла направлены по касательной два заостренных контакта. К контактам подводится разнополярное напряжение. Движущая сила возникает за счет двух факторов: 1. стекание ионов с острия и передачи от них импульса диску; 2. притягивание заряженного диска к наклоненному контакту с противоположным потенциалом.
Двигатель работает, проверили. В нашей классификации он получил название «диэлектрический диск без проводящей подложки «с иголками»». В дальнейшем попробовали сделать двигатель с минимальным потоком ионов, т.е. постарались убрать все острые контакты, расположить ось контакта перпендикулярно диску, а острый провод, направленный на диск заменить «пяточком». Диск вращаться перестал, ну или вращался очень медленно.
После этого смастерили самодельный кольцеобразный конденсатор, представляющий собой два диэлектрических диска и фольгой между ними.
Подобный «пирог», на хорошем подшипнике, при минимальном потоке ионов и нормальном к диску положении контактов легко приводится во вращение. Более уравновешенный диск CD или DVD вращается с угловой скоростью около 4,5 об/с. При использовании более мощного источника частота вращения доходила до 100 об/с.
По нашим наблюдениям работа двигателя происходит следующим образом. Заряд стекает с отрицательного контакта и, как бы «заряжает кусочек конденсатора». По мере движения по окружности заряженный участок приближается к противоположному контакту. На данный участок диска начинают действовать электростатические силы притягивания от противоположного контакта. Далее заряд приближается к противоположному контакту и перетекает на него. При этом со стороны положительного контакта к диску, против вращения, направлен развитый коронный разряд, т.е. поток положительных ионов. Расположение контакта не существенно. Коронный разряд появляется, в той или иной степени, и с перпендикулярно, и с наклонно расположенного контакта. Если контакт заизолирован вплоть до «пяточка», то разряд имеет меньшую протяженность, но все равно существует. Свечение и коронный разряд на стороне отрицательного контакта тоже наблюдается, но гораздо менее интенсивное. То что на половине диска движущейся от одного контакта к другому есть заряд сомнений не вызывает. Обратите внимание на свечение этой части диска.
Опыты с данной конструкцией в вакууме показали ее работоспособность до давления равного одной десятой доли атмосферного давления.
Двигатель раскручивается сам. Перед запуском контакты самопроизвольно, под действием электростатических сил, приводятся в колебательное движение. При этом увеличивается площадь заряженного диэлектрика. Заряд на обкладке конденсатора стремится расположится на внешней поверхности кольца. Первичное движение, медленное, начинается из-за свойства диэлектрика втягиваться в зазор между обкладками конденсатора. Дальнейшее движение происходит под действием электростатических сил. Влияние количества контактов на скорость вращения в настоящий момент не исследовалась.
И все же все удачные конструкции отличались от двигателя Литовченко. Попытки заставить вращаться ротор в статоре из 36 контактов приводили к тому, что из-за поляризации диск ротора прилипал к одной из сторон статора. Да именно поляризация тормозила диск, т.к. на стороне диска обращенной к контакту появлялся заряд противоположного знака.
Помог случай. Во время проведения серии экспериментов с различными материалами были предприняты попытки, безуспешные, заставить вращаться диски без подложки. тогда наш главный, на данный момент, экспериментатор Вася Кузнецов поставил на диск катушку скотча и со словами – «а вот так вот» расположил контакты параллельно оси вращения на некотором удалении от поверхности. И конструкция пришла в движение. Причем самостоятельно. Ток был минимален. В темноте, на тот момент, свечение не наблюдалось. Дальнейшие наблюдения показали, что свечение наблюдается только со стороны положительного контакта, да и то незначительное. Для работоспособности конструкции необходимо наличие эмиссии. Это можно достигнуть двумя способами. Увеличивая напряжение источника, или уменьшая диаметр проволоки, заостряя, контакты.
Нужно признать, что данная конфигурация соответствовала электростатическому двигателю Литовченко с двумя контактами.
Конструктивно электростатический двигатель представляет собой кольцевой статор из диэлектрика с проводящими контактами расположенными параллельно оси и диэлектрический диск ротора.
Классический двигатель выглядит следующим образом: статор снабжен набором проволочных контактов расположенных параллельно оси. Число проволочных контактов 36. Подключаются проволочные контакты к источнику высокого напряжения напряжением 25-30 киловольт.
Ротор представлял собой диск из диэлектрика или звездообразный выполненный из проводящего материала.
Модель выглядела следующим образом:
Только в этой конфигурации вращаться ротор категорически не хотел.
Во вращение удавалось приводить ротор только при радиально расположенных контактах. И вот наконец удача.
В чем же причина отсутствия вращения в предыдущих вариантах двигателя. Можно провести некоторый анализ накопленного экспериментального материала.
Что наблюдалось в предыдущих экспериментах.
Во первых ротор «прилипал» к одной из сторон статора. Данное явление можно объяснить тем, что электроны были не способны покинуть поверхность контакта и перетечь на ротор, а под действием поляризации на поверхности ротора образовывался заряд противоположного знака. Естественно, разноименно заряженные поверхности притягивались.
Увеличение напряжения приводило к тому, что возникал пробой между соседними контактами.
Для подтверждения нашей гипотезы был сделан статор с двумя парами контактов расставленными под углом 90О град. Контакты были выполнены из сталистой омедненной проволоки. Напряжение подводилось одноименное на диаметрально расположенные контакты. Для большей наглядности использовали высоковольтный источник большей мощности и ротор с проводящей подложкой (кольцевой конденсатор с вертикальным расположением подложки). Если ротор был тщательно отбалансирован, то приводился в движение самостоятельно. Первоначально движение было медленным но со временем ротор начинал вращаться быстрее и скорость вращения превышала 100 об/c. По мере увеличения оборотов на контактах появлялось свечение. Причем наиболее яркое и протяженное на положительном контакте. Фактически, как и в предыдущем двигателе, наблюдался мощный коронный разряд направленный против вращения, в сторону противоположно заряженной поверхности.
Для обеспечения работоспособности при меньшем напряжении, с другим, менее мощным источником, вдоль контакта протягивалась тонкая медная проволока. В этом случае ротор также приходил в движение.
Вопрос о правильном выборе материала контактов, с минимальной работой выхода, остается пока открытым. Использованная сталистая омедненная проволока дала хорошие результаты при радиальном расположении контактов, но оказалась чрезмерно жесткой и слишком толстой при осевом расположении последних. Также остается открытым и вопрос о оптимальном количестве разнополярных контактов. Падение напряжения из-за паразитных токов при увеличении числа контактов существенно, но с утечками можно бороться. Теоретически увеличение числа контактов должно приводить к увеличению момента на роторе.
Последние наблюдения оставляют надежду, что двигатель способен работать в вакууме. Что мы и проверим в ближайшее время.
Проверили и оказалось, что работает до разряжения 0.05 от атмосферного. Ниже не удалось откачать, видимо появилась течь.
Вернемся к исследованию ионолета.
Как мы уже рассказали, наши исследования показали, что конструкция в целом и отдельные элементы, создают силу изменяющую вес конструкции. Сила направлена в сторону эмиттера, направление действующей силы не зависит от полярности подключения, но больше, если на проволочку (эмиттер) подают - (минус).
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.
Как сказано выше, в книге «Удивительные электронные устройств. Электроника для начинающего гения» Боб Яииини М Press 2003 г. 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.
Мы продолжили свои изыскания в области электростатики. 2010 г. в ЦИАМ, в лабаратории Маслова В.И. были произведены методом PIV измерения скорости движения потоков ионизированного воздуха в школьном ионолете, правда при напряжении меньшем «рабочему».
V м/c при напряжение 21.4 Киловольта токе 0.15 микроампер.
Распределение скорости по ширине на разных высотах (-10; -30 и –60 мм) X мм
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/c
Необходимо только помнить, что для ионизации и последующего разгона ионов нужно напряжении не менее 2Кв! (Желательно выше 30Кв!)
Таким ионным движетелем 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.
По оценки 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. В нашем случае достаточно иметь скорости сопоставимые со скоростью полета. Главное условие – разница импульса по замкнутому контуру вокруг летательного аппарата в проекции к направлению движения, должна быть равна аэродинамическому сопротивлению.
В результате непосредственного измерения скорости движения ионов в ионолете сконструированном и построенном школьниками (летающая модель), было получено значение скорости – 0.7 м/с.
Ну так что? Школьники свое слово сказали, теперь слово за взрослыми инженерами.
И наконец появился практический результат! Ученые испытали модель самолета-ионолета! Правда они не ссылаются на наши исследования, но ниже приведенная публикация появилась после опубликования наших исследований в журнале «Двигатель» №4 за 2015 г.
Ученые из Массачусетского технологического института провели первые летные испытания модели самолета-ионолета, в котором для обеспечения потребной тяги используется явление ионного ветра, иначе называемое эффектом Бифельда — Брауна. Об этом говорится в статье разработчиков, опубликованной в Nature. Во время испытаний самолет с помощью ионной тяги пролетел около 60 метров на высоте 47 сантиметров от пола. Запуск летательного аппарата производился с помощью катапульты.
Явление ионного ветра характеризуется образованием потока ионизированного воздуха между двумя разнесенными друг от друга электродами, на которые подается высокое напряжение в десятки киловольт. Ранее некоторые исследователи предлагали возможные конструкции летательных аппаратов, которые бы использовали явление ионного ветра, однако эти проекты были закрыты. Считается, что двигатели, использующие эффект Бифельда — Брауна, не могут обеспечить большую тягу.
В реальности были сделаны несколько экспериментальных летательных аппаратов, названных лифтерами или ионолетами. Они представляют собой легкий корпус в виде многоугольника, обычно треугольника, на котором расположены один электрод в виде медной проволоки и второй в виде ленты фольги. Такие аппараты могут подниматься вертикально, но совершенно неуправляемы. Собрать лифтер можно самостоятельно в домашних условиях.
Модель самолета-ионолета, сделанная американскими учеными, выполнена по схеме высокоплана. Под консолями крыла исследователи установили по четыре горизонтальные пары электродов, благодаря которым и возникает явление ионного ветра. По данным ученых, двигатель такой конструкции обеспечивает тягу в три ньютона (около 306 граммов-силы). Потребляемая мощность силовой установки составляет 500 ватт. Самолет имеет размах крыла пять метров и массу 2,45 килограмма.
Самолет получил аккумуляторную сборку из литий-полимерных батарей, способную выдавать напряжение от 160 до 225 вольт. Постоянный ток от сборки преобразуется в переменный высокой частоты с помощью резонансного инвертора с обратной связью. Затем переменный ток поступает на повышающий трансформатор с соотношением 1 к 15, а после него — на генератор Кокрофта — Уолтона. Последний представляет собой двухполупериодный умножитель напряжения на шести диодных мостах и 18 конденсаторах. На его выходе формируется напряжение в 40 киловольт.
Напряжение с выхода умножителя подается на электроды под крылом и через резистивный делитель — на вход обратной связи резонансного инвертора. Разработчики утверждают, что все преобразователи и трансформаторы были спроектированы ими с нуля и собраны вручную, благодаря чему удалось добиться существенного уменьшения их массы по сравнению с готовыми такими схемами. В итоге отношение мощности к массе у энергетической установки составляет 1,2 киловатта на килограмм, а тяги — 6,2 ньютона на килограмм.
С учетом полученных учеными результатов можно вычислить тяговооруженность модели самолета-ионолета, которая составляет 0,12. Для сравнения, тяговооруженность стратегического бомбардировщика Ту-160 составляет 0,37. Во время испытаний исследователи сначала с помощью катапульты запускали модель самолета с выключенным двигателем. Дальность планирования модели составила в среднем десять метров. Затем была проведена серия запусков с включенным двигателем. Средняя дальность полета модели составила 45 метров, а максимальная — 60. Запуски производились в помещении.
Ученые полагают, что мнение о том, что двигатели, построенные на явлении ионного ветра, не могут обеспечивать потребную тягу для больших летательных аппаратов, ошибочно. Исследователи полагают, что совершенствование конструкции двигателей позволит создавать мощные силовые установки, которые по сравнению с современными авиационными двигателями будут более экологичными и экономичными. В частности, их нужно будет реже ремонтировать, поскольку такие двигатели лишены подвижных частей.
В октябре прошлого года китайская корпорация CSIC провела первые успешные испытания прототипа магнитогидродинамического двигателя, «тихого» движителя без подвижных частей для перспективных подводных лодок. Испытания установки проводились на корабле, приписанном к порту в Санье в провинции Хайнань и были признаны успешными. Простая конструкция магнитогидродинамического двигателя представляет собой канал, по которому движется жидкость, и расположенные по его сторонам электромагниты. На магниты подается напряжение, и возникает магнитное поле, провоцирующее появление в жидкой среде движущей силы.
Согласно заявлению CSIC, во время испытаний корабль с новой установкой смог достичь расчетной скорости. На каком именно корабле проводились испытания и какой конкретно скорости он смог достичь, не раскрывается. Также не уточняется, был ли опытовый корабль подводным или надводным.
Источник: N+1
https://nplus1.ru/news/2018/11/21/solidstate