Ионолет
Доступность литиевых батарей потихоньку приближает возможность светлого будущего с личными летающими авто. Но очевидно что распространение небольших летательных аппаратов поставит новую проблему - шум. Даже с малошумными электромоторами десятки киловатт мощности на винтах неизбежно будут создавать уйму шума. Ну и какой смысл менять центр города на уютный лесок, если над ним будут постоянно проноситься визжащие мультикоптеры?
Тут сразу вспоминается ионолет - подадим несколько десятков вольт(обычно порядка 40 КВ) на две проволочные сетки, слегка ионизируем воздух и движение ионов между сетками создаст поток воздуха - бесшумный электрический движитель! Непонятно лишь почему ионолеты существуют лишь в виде небольших моделек.
В популярных статьях в лучшем случае пишут что не существует достаточно мощных источников высокого напряжения, но любой эрудированный читатель сразу засомневается в таком объяснении. От повышающего трансформатора или аналогичного устройства легко избавиться, просто использовав высоковольтную батарею. Соединим несколько десятков тысяч обычных ячеек и получим высоковольтный аккумулятор с весом "всего" в несколько центнеров - как раз и по мощности самое то для личного коптера. Потерь энергии в этом случае просто нет, и никаких дополнительных устройств не требуется. Силовая схема получается куда проще коптера - высоковольтная батарея, сетки с переменным зазором и предохранители на случай пробоя. И у нас есть бесшумный летательный аппарат с простым устройством и (надо полагать - ведь прямое преобразование) высоким КПД!
Так почему же больших ионолетов в природе не наблюдается?
Может ионизация съедает слишком много энергии? Нет, типичная энергия ионизации молекул воздуха - 10-20 электронвольт. КПД далеко не стопроцентный, но в целом ионизация картину портит не сильно.
Так, а что ограничивает тягу сеток? Воздух движут ионы одного знака, значит между сеток у нас возникает электрический заряд. По мере увеличения он все лучше экранирует поле второй сетки. Как мы помним, даже очень маленький изолированный заряд создает очень большое напряжение. А значит, ток между сетками будет невелик(на научном английском - ion current is space charge limited). Небольшой будет и мощность, а значит и подъемная сила.
Электрическое поле действует лишь на ионы, остальной воздух увлекается ими. Длина свободного пробега невелика, но ионы успевают набрать скорость порядка сотни метров в секунду - при скорости самого воздуха порядка метра в секунду. А значит передача импульса сопровождается очень большими потерями.
Посмотрим пример детального расчета.
Из него видно что при 40 КВ и зазоре в 7 см мы можем рассчитывать на "невероятные" 160 грамм подъемной силы на м^2(для сравнения, у вертолета Robinson R44 - 14 кг, в 86 раза больше!). Ионы будут развивать скорость порядка 120 м/с, воздух - 1.15 м/с(у вертолета на порядок больше) - из-за этого КПД будет порядка 1%(даже у мелких коптеров - на порядок больше).
То есть, тому же Robinson R44, если переделать его в ионолет, вместо винта диаметром 10 м потребуется сетка в виде квадрата со стороной в 80 метров! В горизонтальном полете такая сетка будет развивать огромное сопротивление, так что о высоких скоростях лучше не думать.
Ионолет часто называют экологически идеально чистым видом транспорта - на деле он выделяет уйму озона и окислов азота. Оценок я лично не нашел, но, думается, при большом количестве полетов вполне могут создаться концентрации, опасные для человека. (скандал с выделением озона уже доконал Ionic Breeze, использовавший эффект ионного ветра для прокачки воздуха через высоковольтный очиститель)
Значит ли это что ионолет бесполезен? Обе проблемы решаются повышением напряжения. Тяга растет пропорционально напряжению, КПД можно поднять увеличив зазор и подняв напряжение для сохранения тяги. Но сколько-то интересные характеристики начинают получаться начиная с мегавольта и выше. Несколько десятков киловольт еще можно потерпеть - напряжение не бытовое, но в энергосетях используется широко и технологии/специалисты имеются. Но мегавольты ... при таких напряжениях разряд может пробивать больше метра воздушного зазора и порядка сантиметра лучших изоляторов, да и батарею придется составлять уже из миллиона-другого ячеек.
Использовать многослойную сетку? Скорость воздуха будет расти пропорционально числу сеток, нужно минимум 20 см на слой - итого для того чтобы сравняться с вертолетом нам понадобится сетка толщиной в 2 метра(и диаметром 10 м)! Увеличится эффективность передачи импульса от ионов, но при увеличении тяги на единицу площади эффективность уменьшается, так что КПД останется тем же.
Частично проблема решается если отказаться от вертикального взлета и использовать самолетную схему. При аэродинамическом качестве в 20-30 единиц тяга потребуется в те же 20-30 раз меньше чем для вертикального взлета. Скорость проходящего через сетку воздуха, будет выше, а значит тот же небольшой заряд достигнет противоположной сетки быстрее и суммарный ток(и мощность) также будут выше/ну или можно повысить КПД(скажем тут достигли КПД аж в 7.5% на скорости 180 км/ч).
В 2018 году была создана первая полноценная модель ионолета, с собственным источником питания. (статья, видео)
Глянем на характеристики. Повышающий преобразователь забрал больше 20% от веса модели, расход 620 Вт дает аж 320 грамм тяги на 5 м/с - КПД 2.5%. Заявленный КПД преобразователя - 82%-85%, т.е. основные потери на сетке-движителе.
В общем для закрытого стадиона штука интересная, но летать против ветра ионолетам явно будет трудновато. Да и конкурировать с обычными дронами непросто - от мотора на 15 Вт и низких оборотах шуму будет немного.
Дополнительные источники:
Pekker&Young, Model of Ideal Electrohydrodynamic Thruster
Gilmore&Barrett, Electrohydrodynamic thrust density using positive corona-induced ionic winds for in-atmosphere propulsion
Masuyama&Barrett, On the performance of electrohydrodynamic propulsion
Тут сразу вспоминается ионолет - подадим несколько десятков вольт(обычно порядка 40 КВ) на две проволочные сетки, слегка ионизируем воздух и движение ионов между сетками создаст поток воздуха - бесшумный электрический движитель! Непонятно лишь почему ионолеты существуют лишь в виде небольших моделек.
В популярных статьях в лучшем случае пишут что не существует достаточно мощных источников высокого напряжения, но любой эрудированный читатель сразу засомневается в таком объяснении. От повышающего трансформатора или аналогичного устройства легко избавиться, просто использовав высоковольтную батарею. Соединим несколько десятков тысяч обычных ячеек и получим высоковольтный аккумулятор с весом "всего" в несколько центнеров - как раз и по мощности самое то для личного коптера. Потерь энергии в этом случае просто нет, и никаких дополнительных устройств не требуется. Силовая схема получается куда проще коптера - высоковольтная батарея, сетки с переменным зазором и предохранители на случай пробоя. И у нас есть бесшумный летательный аппарат с простым устройством и (надо полагать - ведь прямое преобразование) высоким КПД!
Так почему же больших ионолетов в природе не наблюдается?
Может ионизация съедает слишком много энергии? Нет, типичная энергия ионизации молекул воздуха - 10-20 электронвольт. КПД далеко не стопроцентный, но в целом ионизация картину портит не сильно.
Так, а что ограничивает тягу сеток? Воздух движут ионы одного знака, значит между сеток у нас возникает электрический заряд. По мере увеличения он все лучше экранирует поле второй сетки. Как мы помним, даже очень маленький изолированный заряд создает очень большое напряжение. А значит, ток между сетками будет невелик(на научном английском - ion current is space charge limited). Небольшой будет и мощность, а значит и подъемная сила.
Электрическое поле действует лишь на ионы, остальной воздух увлекается ими. Длина свободного пробега невелика, но ионы успевают набрать скорость порядка сотни метров в секунду - при скорости самого воздуха порядка метра в секунду. А значит передача импульса сопровождается очень большими потерями.
Посмотрим пример детального расчета.
Из него видно что при 40 КВ и зазоре в 7 см мы можем рассчитывать на "невероятные" 160 грамм подъемной силы на м^2(для сравнения, у вертолета Robinson R44 - 14 кг, в 86 раза больше!). Ионы будут развивать скорость порядка 120 м/с, воздух - 1.15 м/с(у вертолета на порядок больше) - из-за этого КПД будет порядка 1%(даже у мелких коптеров - на порядок больше).
То есть, тому же Robinson R44, если переделать его в ионолет, вместо винта диаметром 10 м потребуется сетка в виде квадрата со стороной в 80 метров! В горизонтальном полете такая сетка будет развивать огромное сопротивление, так что о высоких скоростях лучше не думать.
Ионолет часто называют экологически идеально чистым видом транспорта - на деле он выделяет уйму озона и окислов азота. Оценок я лично не нашел, но, думается, при большом количестве полетов вполне могут создаться концентрации, опасные для человека. (скандал с выделением озона уже доконал Ionic Breeze, использовавший эффект ионного ветра для прокачки воздуха через высоковольтный очиститель)
Значит ли это что ионолет бесполезен? Обе проблемы решаются повышением напряжения. Тяга растет пропорционально напряжению, КПД можно поднять увеличив зазор и подняв напряжение для сохранения тяги. Но сколько-то интересные характеристики начинают получаться начиная с мегавольта и выше. Несколько десятков киловольт еще можно потерпеть - напряжение не бытовое, но в энергосетях используется широко и технологии/специалисты имеются. Но мегавольты ... при таких напряжениях разряд может пробивать больше метра воздушного зазора и порядка сантиметра лучших изоляторов, да и батарею придется составлять уже из миллиона-другого ячеек.
Использовать многослойную сетку? Скорость воздуха будет расти пропорционально числу сеток, нужно минимум 20 см на слой - итого для того чтобы сравняться с вертолетом нам понадобится сетка толщиной в 2 метра(и диаметром 10 м)! Увеличится эффективность передачи импульса от ионов, но при увеличении тяги на единицу площади эффективность уменьшается, так что КПД останется тем же.
Частично проблема решается если отказаться от вертикального взлета и использовать самолетную схему. При аэродинамическом качестве в 20-30 единиц тяга потребуется в те же 20-30 раз меньше чем для вертикального взлета. Скорость проходящего через сетку воздуха, будет выше, а значит тот же небольшой заряд достигнет противоположной сетки быстрее и суммарный ток(и мощность) также будут выше/ну или можно повысить КПД(скажем тут достигли КПД аж в 7.5% на скорости 180 км/ч).
В 2018 году была создана первая полноценная модель ионолета, с собственным источником питания. (статья, видео)
Глянем на характеристики. Повышающий преобразователь забрал больше 20% от веса модели, расход 620 Вт дает аж 320 грамм тяги на 5 м/с - КПД 2.5%. Заявленный КПД преобразователя - 82%-85%, т.е. основные потери на сетке-движителе.
В общем для закрытого стадиона штука интересная, но летать против ветра ионолетам явно будет трудновато. Да и конкурировать с обычными дронами непросто - от мотора на 15 Вт и низких оборотах шуму будет немного.
Дополнительные источники:
Pekker&Young, Model of Ideal Electrohydrodynamic Thruster
Gilmore&Barrett, Electrohydrodynamic thrust density using positive corona-induced ionic winds for in-atmosphere propulsion
Masuyama&Barrett, On the performance of electrohydrodynamic propulsion