Aeronaves propulsadas por iones

Este artículo trata sobre aviones propulsados ​​por iones. Para naves espaciales propulsadas por iones, consulte Propulsor de iones .

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Una aeronave propulsada por iones o ionocraft es una aeronave que utiliza electrohidrodinámica (EHD) para proporcionar elevación o empuje en el aire sin requerir combustión o partes móviles . Los diseños actuales no producen suficiente empuje para vuelos tripulados o cargas útiles.

Historia

Orígenes

El principio de propulsión del viento iónico con partículas cargadas generadas en corona se descubrió poco después del descubrimiento de la electricidad con referencias que datan de 1709 en un libro titulado Experimentos físico-mecánicos sobre varios temas de Francis Hauksbee .

Experimentos de "levantador" de VTOL

El experimentador estadounidense Thomas Townsend Brown pasó gran parte de su vida trabajando en el principio, bajo la impresión errónea de que se trataba de un efecto antigravedad , al que llamó efecto Biefeld-Brown . Dado que sus dispositivos producían un empuje en la dirección del gradiente de campo, independientemente de la dirección de la gravedad, y no funcionaban en el vacío, otros trabajadores se dieron cuenta de que el efecto se debía a la EHD. ^{[1] [2]}

Los aviones propulsados ​​por iones VTOL a veces se denominan "elevadores". Los primeros ejemplos pudieron levantar alrededor de un gramo de peso por vatio , ^[3] Esto fue insuficiente para levantar la pesada fuente de alimentación de alto voltaje necesaria, que permanecía en el suelo y alimentaba la nave a través de cables largos, delgados y flexibles.

El uso de la propulsión EHD para la elevación fue estudiado por el diseñador de aviones estadounidense Major Alexander Prokofieff de Seversky en las décadas de 1950 y 1960. Presentó una patente para un "ionocraft" en 1959. ^[4] Construyó y voló un modelo de ionocraft VTOL capaz de maniobrar lateralmente variando los voltajes aplicados en diferentes áreas, aunque el suministro de energía pesado permaneció externo. ^[5]

El vehículo aéreo electromagnético sin alas (WEAV) 2008, un elevador EHD en forma de platillo con electrodos incrustados en toda su superficie, fue estudiado por un equipo de investigadores dirigido por Subrata Roy en la Universidad de Florida a principios del siglo XXI. El sistema de propulsión empleó muchas innovaciones, incluido el uso de campos magnéticos para mejorar la eficiencia de la ionización. Un modelo con suministro externo logró un despegue y un vuelo estacionarios mínimos. ^{[6] [7]}

Energía a bordo

Las fuentes de alimentación del siglo XXI son más ligeras y eficientes. ^{[8] [9]} La primera aeronave propulsada por iones en despegar y volar utilizando su propia fuente de alimentación a bordo fue una nave VTOL desarrollada por Ethan Krauss de Electron Air en 2006. ^[10] Su solicitud de patente se presentó en 2014. ^{[11 ]} La nave desarrolló suficiente empuje para elevarse rápidamente o volar horizontalmente durante varios minutos. ^{[10] [12]}

En noviembre de 2018, el primer avión autónomo de ala fija propulsado por iones, el MIT EAD Airframe Version 2 voló 60 metros. Fue desarrollado por un equipo de estudiantes dirigido por Steven Barrett del Instituto de Tecnología de Massachusetts . Tenía una envergadura de 5 metros y pesaba 2,45 kg. ^[13] La nave fue lanzada por catapulta usando una banda elástica, con el sistema EAD sosteniendo la aeronave en vuelo a bajo nivel.

Principios de funcionamiento

La propulsión de aire iónico es una técnica para crear un flujo de aire a través de energía eléctrica , sin partes móviles. Debido a esto, a veces se describe como una unidad de "estado sólido". Se basa en el principio de electrohidrodinámica.

En su forma básica, consta de dos electrodos conductores paralelos , un cable emisor principal y un colector corriente abajo. Cuando tal disposición es alimentada por alto voltaje (en el rango de kilovoltios por mm), el emisor ioniza moléculas en el aire que aceleran hacia atrás hacia el colector, produciendo un empuje en reacción. En el camino, estos iones chocan con moléculas de aire eléctricamente neutras y las aceleran a su vez.

El efecto no depende directamente de la polaridad eléctrica, ya que los iones pueden tener carga positiva o negativa. La inversión de la polaridad de los electrodos no altera la dirección del movimiento, ya que también invierte la polaridad de los iones que transportan carga. El empuje se produce en la misma dirección, de cualquier manera. Para la corona positiva, los iones de nitrógeno se crean inicialmente, mientras que para la polaridad negativa, los iones de oxígeno son los principales iones primarios. Ambos tipos de iones atraen inmediatamente una variedad de moléculas de aire para crear grupos de iones moleculares ^[14] de ambos signos, que actúan como portadores de carga .

Los propulsores EHD actuales son mucho menos eficientes que los motores convencionales. ^[15]

A diferencia de los cohetes propulsores de iones puros , el principio electrohidrodinámico no se aplica en el vacío del espacio. ^[dieciséis]

Electrohidrodinámica

Artículo principal: Electrohidrodinámica

El empuje generado por un dispositivo EHD es un ejemplo del efecto Biefeld-Brown y puede derivarse mediante un uso modificado de la ecuación de Child-Langmuir . ^[17] Un tratamiento unidimensional generalizado da la ecuación:

$${\displaystyle F={\frac {Id}{k}}}$$

dónde

• F es la fuerza resultante.
• Yo es la corriente eléctrica.
• d es el espacio de aire.
• k es la movilidad iónica del fluido de trabajo, ^[18] medida en A s ²  kg ^-1 en unidades SI, pero más comúnmente descrita en unidades de m ²  V ^-1  s ^-1. Un valor típico para el aire a presión y temperatura superficial es 1.5 × 10 ⁻⁴ m ²  V ⁻¹  s ⁻¹ ). ^[18]

Cuando se aplica a un gas como el aire, el principio también se conoce como electroaerodinámica (EAD).

Cuando se enciende la ionocraft, el hilo de corona se carga con alto voltaje , generalmente entre 20 y 50 kV . Cuando el hilo de corona alcanza aproximadamente 30 kV, hace que las moléculas de aire cercanas se ionicen al quitarles sus electrones . Mientras esto sucede, los iones son repelidos del ánodo y atraídos hacia el colector, lo que hace que la mayoría de los iones se aceleren hacia el colector. Estos iones viajan a una velocidad media constante denominada velocidad de deriva . Dicha velocidad depende del camino libre medio entre las colisiones, la fuerza del campo eléctrico externo y la masa de iones y moléculas de aire neutras.

El hecho de que la corriente sea transportada por una descarga de corona (y no por un arco muy cerrado ) significa que las partículas en movimiento se difunden en una nube de iones en expansión y chocan con frecuencia con moléculas de aire neutras. Son estas colisiones las que crean empuje. El impulso de la nube de iones se imparte parcialmente a las moléculas de aire neutras con las que choca, las cuales, debido a que son neutras, no migran de regreso al segundo electrodo. En cambio, continúan viajando en la misma dirección, creando un viento neutral. A medida que estas moléculas neutras son expulsadas de la ionocraft, hay, de acuerdo con la Tercera Ley del Movimiento de Newton, fuerzas iguales y opuestas, por lo que la ionocraft se mueve en la dirección opuesta con una fuerza igual. La fuerza ejercida es comparable a una suave brisa. El empuje resultante depende de otros factores externos, como la presión y la temperatura del aire, la composición del gas, el voltaje, la humedad y la distancia del entrehierro.

La masa de aire en el espacio entre los electrodos es impactada repetidamente por partículas excitadas que se mueven a alta velocidad de deriva. Esto crea una resistencia eléctrica que debe superarse. El resultado final del aire neutro atrapado en el proceso es provocar efectivamente un intercambio de impulso y, por lo tanto, generar empuje. Cuanto más pesado y denso es el aire, mayor es el empuje resultante.

Configuración de la aeronave

Como con el empuje de reacción convencional, EAD empuje puede ser dirigido ya sea horizontal para alimentar una de ala fija avión o verticalmente para apoyar un despegue vertical oficio, a veces referido como un "levantador".

Diseño

Construcción típica de ionocraft

Los componentes generadores de empuje de un sistema de propulsión iónica constan de tres partes; un cable de corona o emisor, un espacio de aire y un cable colector o tira aguas abajo del emisor. Un marco aislante ligero soporta la disposición. El emisor y el colector deben estar lo más cerca posible el uno del otro, es decir, con un espacio de aire estrecho, para lograr una condición de corriente de corona saturada que produzca un empuje máximo. Sin embargo, si el emisor está demasiado cerca del colector, tiende a formar un arco a través del espacio. ^{[ cita requerida ]}

Los sistemas de propulsión iónica requieren muchas precauciones de seguridad debido al alto voltaje requerido.

Emisor

El cable emisor normalmente se conecta al terminal positivo de la fuente de alimentación de alto voltaje. En general, está hecho de un cable conductor desnudo de pequeño calibre . Si bien se puede usar alambre de cobre , no funciona tan bien como el acero inoxidable . De manera similar, el alambre más delgado, como el calibre 44 o 50 , tiende a superar los tamaños más comunes y más grandes, como el calibre 30, ya que el campo eléctrico más fuerte alrededor del alambre de menor diámetro da como resultado una mejor ionización y una mayor corriente de corona. ^{[ cita requerida ]}

El emisor a veces se denomina "hilo de corona" debido a su tendencia a emitir un brillo de descarga de corona púrpura mientras está en uso. ^{[ cita requerida ]} Esto es simplemente un efecto secundario de la ionización.

Espacio de aire

El espacio de aire aísla los dos electrodos y permite que los iones generados en el emisor se aceleren y transfieran el impulso a las moléculas de aire neutrales, antes de perder su carga en el colector. El ancho del entrehierro es típicamente de 1 mm / kV. ^[19]

Coleccionista

El colector tiene una forma que proporciona una superficie equipotencial lisa debajo del hilo de corona. Las variaciones de esto incluyen una malla de alambre, tubos conductores paralelos o un faldón de aluminio con un borde redondo y liso. Los bordes afilados del faldón degradan el rendimiento, ya que genera iones de polaridad opuesta a los del mecanismo de empuje. ^{[ cita requerida ]}

Ver también

• Propulsor de efecto Hall
• Propulsor de iones
• Propulsor magnetoplasmadynamic
• Actuador de plasma

Referencias

1. Thompson, Clive (agosto de 2003). "El subterráneo de Antigravity" . Revista cableada .
2. Tajmar, M. (2004). "Efecto Biefeld-Brown: mala interpretación de los fenómenos del viento de Corona". Revista AIAA . 42 (2): 315–318. Código bibliográfico : 2004AIAAJ..42..315T . doi : 10,2514 / 1,9095 .
3. Eficiencia relación Lifter a la velocidad de iones "de JL Naudin Lifter-3 pulsadas 1,13 g HV / Watt" archivado 2014-08-08 en la Máquina Wayback
4. Patente de Estados Unidos 3.130.945 , presentada el 31 de agosto de 1959, publicada el 28 de abril de 1954.
5. Aeronave propulsada por iones del Mayor de Seversky . 122 . Mecánica popular. Agosto de 1964. págs. 58–61.
6. Greenemeier, Larry (7 de julio de 2008). "El primer platillo volador del mundo: hecho aquí en la tierra" . Scientific American .
7. Roy, Subrata; Arnold, David; Lin, Jenshan; Schmidt, Tony; Lind, Rick; et al. (2011). Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea; Universidad de Florida (eds.). Demostración de un vehículo aéreo electromagnético sin alas (PDF) (Informe). Centro de Información Técnica de Defensa. ASIN B01IKW9SES . AFRL-OSR-VA-TR-2012-0922.  
8. Borg, Xavier; "Soluciones completas de análisis y diseño para propulsores EHD en condiciones de corriente de corona saturada" , The General Science Journal (sin revisión por pares), 2004, actualizado en 2006.
9. Granados, Victor H .; Pinheiro, Mario J .; Sa, Paulo A. (julio de 2016). "Dispositivo de propulsión electrostática para aplicaciones aerodinámicas". Física de Plasmas . 23 (7): 073514. Código Bibliográfico : 2016PhPl ... 23g3514G . doi : 10.1063 / 1.4958815 .
10. "Invención de aviones propulsados ​​por iones" . La fábrica Stardust-Startup . 2019-02-27 . Consultado el 15 de agosto de 2019 . El dispositivo volador originalmente levantó su fuente de alimentación directamente del suelo sin partes móviles en 2006.
11. nosotros 10119527 
12. Video en YouTube
13. Hern, Alex (21 de noviembre de 2018). "El primer avión sin partes móviles despega" . el guardián . Consultado el 25 de noviembre de 2018 .
14. Harrison, RG (2003). "Procesos de iones-aerosol-nube en la atmósfera inferior" . Reseñas de Geofísica . 41 (3). doi : 10.1029 / 2002rg000114 . ISSN 8755-1209 . 
15. Chen, Angus. "Motor de iones simple y silencioso impulsa un avión sin partes móviles" . Scientific American . Consultado el 15 de agosto de 2019 .
16. "Propulsión de iones" (PDF) .
17. "Dispositivos electrocinéticos en el aire" (PDF) . Consultado el 25 de abril de 2013 .
18. Tammet, H. (1998). "Reducción de la movilidad de iones de aire a condiciones estándar". Revista de Investigación Geofísica: Atmósferas . 103 : 13933-13937. doi : 10.1029 / 97JD01429 . hdl : 10062/50224 .
19. Meesters, Koos; Terpstra, Wessel (2 de diciembre de 2019). "Impulsores de iones y sostenibilidad" (PDF) . Consultado el 3 de diciembre de 2019 .

Fuentes

• Talley, Robert L. (mayo de 1991). Concepto de propulsión del siglo XXI . Centro de Información Técnica de Defensa. OCLC  227770672 .
• Tajmar, M. (2000). "Investigación experimental de corrientes divergentes 5-D como concepto de acoplamiento gravedad-electromagnetismo". Actas de la conferencia AIP . AIP. 504 : 998–1003. doi : 10.1063 / 1.1290898 .
• Tajmar, M. (febrero de 2004). "Efecto Biefeld-Brown: mala interpretación de los fenómenos del viento Corona". Revista AIAA . 42 (2): 315–318. doi : 10,2514 / 1,9095 . ISSN  0001-1452 .
• DR Buehler, Investigación exploratoria sobre el fenómeno del movimiento de condensadores de alto voltaje . Revista de mezcla espacial, 2004
• FX Canning, C Melcher, E Winet, Condensadores asimétricos para propulsión . 2004.
• GVi Stephenson El efecto Biefeld Brown y el circuito eléctrico global . Actas de la conferencia AIP, 2005. ^{[ enlace muerto ]}

Enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con propulsores de aire impulsados ​​por iones .

• Antigravedad electrostática en la página "Errores comunes en la propulsión" de la NASA
• NASA: condensadores asimétricos para propulsión
• DeFelice, David. "NASA - Propulsión iónica: más lejos, más rápido, más barato" . www.nasa.gov . Consultado el 15 de agosto de 2019 .
• Cómo hacer / construir un levantador o Ionocraft en YouTube