Бескрылый электромагнитный летательный аппарат - Wingless Electromagnetic Air Vehicle

Бескрылый электромагнитный летательный аппарат (WEAV) - это летная система тяжелее воздуха, которая может самостоятельно подниматься, зависать и надежно летать без движущихся компонентов.

В Бескрылый электромагнитный летательный аппарат (WEAV) это тяжелее воздуха система полета разработана в Университет Флориды, финансируется Управление научных исследований ВВС.[1][2][3] WEAV был изобретен в 2006 г. Субрата Рой,[4], физик плазмы, профессор аэрокосмической техники Университет Флориды, и был предметом нескольких патентов.[5][6][7][8][9][10] В WEAV нет движущихся частей, а конструкция самолета, его силовая установка, производство и хранение энергии, а также подсистемы управления объединены в одну интегрированную систему.

Рабочий механизм

WEAV использует множество небольших электроды охватывающий весь смоченная область самолета, в многобарьерном плазменный привод (MBPA) расположение, улучшение по сравнению с двумя электродами диэлектрический барьерный разряд (DBD) системы, использующие несколько уровней диэлектрические материалы электроды с питанием.[11] Эти электроды расположены очень близко друг к другу, поэтому окружающий воздух может быть ионизированный с помощью РФ AC высокое напряжение из нескольких десятков киловольты даже по стандарту давление одного атмосфера. Полученная плазма содержит ионы которые ускоряются Кулоновская сила с помощью электрогидродинамика (EHD) на малой высоте и малой скорости. Поверхность автомобиля действует как электростатический ускоритель жидкости перекачивание окружающего воздуха как ионный ветер сначала в радиальном направлении, затем вниз, поэтому зона более низкого давления на верхней поверхности и зона более высокого давления под самолетом создают поднимать и толкать для движения и устойчивости.[1] На большей высоте и для достижения большей скорости магнитное поле также применяется для усиления столкновений между электронами и тяжелыми частицами в плазме и использует более мощные Сила тела Лоренца ускорить все носители заряда в том же направлении по радиальной высокой скорости струя.[2]В очень ранней версии этого, задокументированной Жаном-Луи Ноденом, изначально использовался провод от кабеля жесткого диска (он же провод 80/40) с альтернативным высоковольтным напряжением на каждой паре, и это работает, но очень неэффективно по сравнению с новыми подходами, описанными выше.

Новые технологии

Для достижения этой цели в рамках исследования WEAV был предложен ряд конструкций плазменных актуаторов. В этом разделе освещены основные технологии.

Многобарьерные плазменные актуаторы

Схема конструкции трехслойного многобарьерного плазменного актуатора (МБПА). Хотя показана трехуровневая конструкция MBPA, возможны и другие конфигурации.
Сравнение силы и эффективности различных одно-, двух- и трехслойных конструкций MBPA.

Обычный сингл диэлектрический барьерный разряд Конструкция привода (DBD) состоит из двух электродов, разделенных одним диэлектрическим материалом. Большая работа была направлена ​​на оптимизацию конструкции и производительности единой конструкции DBD,[12] тем не менее, исследовательские работы продолжают улучшать характеристики этих приводов. Конструкция MBPA является расширением конструкции одинарного привода DBD, которая вводит дополнительные диэлектрические барьеры и электроды и, следовательно, дополнительные параметры конструкции. Исследования показывают, что конструкции MBPA могут обеспечить более высокую результирующую тягу и улучшенное отношение тяги к мощности, чем конструкция с одним приводом DBD.[11][13][14] Примеры испытаний двухслойной конструкции MBPA продемонстрировали повышение эффективности примерно на 40% по сравнению с традиционной однослойной конструкцией.[2][13]

Серпантинные приводы

Основная статья: плазменный привод змеевидной формы

В WEAV использовались плазменные актуаторы змеевидной формы для полностью трехмерного управления потоком, которые сочетают в себе эффекты линейного актуатора и синтетической плазменной струи.[15][16][17] Из-за периодической геометрии змеевидной конструкции происходит сжатие и растекание окружающего воздуха вдоль привода.[18] Следовательно, змеевидные приводы создают как продольную, так и продольную завихренность, что приводит к уникальным структурам потока, которые не воспроизводятся обычными плазменными приводами с линейной геометрией.

Микро-приводы

Схема сверху и в разрезе плазменного актуатора микромасштабного диэлектрического барьерного разряда.

Экспериментальные результаты и численное моделирование демонстрируют, что при уменьшении зазора между электродами до микронных размеров,[19][20][21] плотность электрической силы в области разряда увеличивается, по крайней мере, на порядок, а мощность, необходимая для разряда плазмы, уменьшается на порядок. Следовательно, с этими так называемыми микромасштабными исполнительными механизмами можно использовать более компактные и легкие источники питания. Исследования показали, что для каждого исполнительного механизма индуцированные скорости от микромасштабного плазменного исполнительного механизма сравнимы с их стандартными макромасштабными аналогами, хотя и с меньшей на порядок тягой.[2] Однако из-за снижения требований к мощности микромасштабных плазменных актуаторов, эксперименты предполагают эффективное макроскопическое управление потоком с помощью больших массивов микромасштабных плазменных актуаторов.[22][23]

Новые материалы

В дополнение к экспериментальным конструкциям и геометрии плазменных актуаторов, WEAV исследовал характеристики большого количества изоляционных материалов для использования в диэлектрическом барьерном слое, включая гибкие материалы, такие как силиконовый каучук и модифицированный сегнетоэлектриком цирконат-титанат свинца (PZT) и аэрогель кремнезема .[24]

Исследованы успешные диэлектрические материалы.
МатериалТолщина (мкм)
Акрил500, 1000, 3000
Cirlex254,2540
ПДМС (полидиметилсилоксан)~1000
Силиконовый каучук (высокой чистоты)127
Торлон250
PZT3000
Кремнеземный аэрогель6000

Взлет

Демонстрация успешного старта прототипа WEAV.
Хронология, демонстрирующая достижения и прогресс WEAV.

Ранний прототип WEAV мог выдерживать парящий полет на несколько миллиметров над землей в течение примерно 3 минут. Прототипы различных радиусов также были успешно протестированы, что свидетельствует о масштабируемости конструкции.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Гринемайер, Ларри (7 июля 2008 г.). "Первая в мире летающая тарелка: сделана прямо здесь, на Земле". Scientific American.
  2. ^ а б c d Рой, Субрата; Арнольд, Дэвид; Линь, Дженшан; Шмидт, Тони; Линд, Рик; и другие. (20 декабря 2011 г.). Управление научных исследований ВВС США; Университет Флориды (ред.). Демонстрация бескрылого электромагнитного летательного аппарата (PDF) (Отчет). Центр оборонной технической информации. КАК В  B01IKW9SES. AFRL-OSR-VA-TR-2012-0922.
  3. ^ «Кафедра машиностроения и аэрокосмической техники, Университет Флориды».
  4. ^ Патент США 8382029, Subrata Roy, "Бескрылое парение микровоздушного транспортного средства", выпущенный 26 февраля 2013 г., переданный Исследовательскому фонду Флоридского университета Inc. 
  5. ^ Патент США 8960595, Subrata Roy, "Бескрылое парение микровоздушного летательного аппарата", выпущенный 24 февраля 2015 г., назначенный Исследовательскому фонду Флоридского университета Inc. 
  6. ^ Патент Гонконга № 1129642B, выдан 29 июня 2012 г.
  7. ^ Патент Китая ZL200780036093.1 Выдан 19 октября 2011 г.
  8. ^ Европейский патент EP 2,046,640, выдан 12 октября 2011 г.
  9. ^ Патент Японии № 5 220 742 выдано 15 марта 2013 г.
  10. ^ а б Дуршер, Райан; Рой, Субрата (январь 2011 г.). «О многобарьерных плазменных актуаторах» (PDF). AIAA 2011-958. 49-я встреча AIAA по аэрокосмическим наукам, включая форум «Новые горизонты» и аэрокосмическую выставку. Орландо, Флорида. Дои:10.2514/6.2011-958.
  11. ^ Корк, Томас; Энло, Синтия; Уилкинсон, Стивен (1 января 2010 г.). "Плазменные актуаторы с диэлектрическим барьерным разрядом для регулирования потока". Ежегодный обзор гидромеханики. 42 (1): 505–529. Bibcode:2010AnRFM..42..505C. Дои:10.1146 / аннурьев-жидкость-121108-145550.
  12. ^ а б Дуршер, Райан; Рой, Субрата (январь 2010 г.). «Новые многобарьерные плазменные актуаторы для увеличения тяги». AIAA 2010-965. 48-я встреча AIAA по аэрокосмическим наукам, включая форум New Horizons и аэрокосмическую выставку. Орландо, Флорида. Дои:10.2514/6.2010-965.
  13. ^ Эрфани Р., Заре-Бехташ Х, Хейл С., Контис К. (19 января 2015 г.). «Разработка плазменных актуаторов DBD: электрод с двойной изоляцией». Acta Astronautica. 109: 132–143. Bibcode:2015AcAau.109..132E. Дои:10.1016 / j.actaastro.2014.12.016.
  14. ^ Рой С., Ван С. (31 декабря 2008 г.). «Модификация объемного потока с подковообразными и змеевидными плазменными приводами». Журнал физики D: Прикладная физика. 42 (3): 032004. Дои:10.1088/0022-3727/42/3/032004.
  15. ^ Рот Дж., Шерман Д., Уилкинсон С. (7 июля 2000 г.). «Электрогидродинамическое управление потоком с помощью поверхностной плазмы тлеющего разряда». Журнал AIAA. 38 (7): 1166–1172. Bibcode:2000AIAAJ..38.1166R. Дои:10.2514/2.1110.
  16. ^ Сантханакришнан А., Джейкоб Дж. (19 января 2007 г.). «Управление потоком с плазменными синтетическими струйными приводами». Журнал физики D: Прикладная физика. 40 (3): 637–651. Bibcode:2007JPhD ... 40..637S. Дои:10.1088 / 0022-3727 / 40/3 / s02.
  17. ^ Дуршер Р., Рой С. (4 января 2012 г.). «Измерения трехмерного потока, вызванные змеевидными плазменными приводами в неподвижном воздухе». Журнал физики D: Прикладная физика. 45 (3): 035202. Bibcode:2012JPhD ... 45c5202D. Дои:10.1088/0022-3727/45/3/035202.
  18. ^ Зито Дж., Дуршер Р., Сони Дж., Рой С., Арнольд Д. (8 мая 2012 г.). «Создание потока и силы с помощью приводов диэлектрического барьерного разряда микронного размера». Письма по прикладной физике. 100: 193502. Дои:10.1088/0022-3727/45/1/012001.
  19. ^ Ван С., Рой С. (10 июля 2009 г.). «Микромасштабные плазменные актуаторы для повышения плотности тяги». Журнал прикладной физики. 106 (1): 013310–013310–7. Bibcode:2009JAP ... 106a3310W. Дои:10.1063/1.3160304.
  20. ^ Ван С., Рой С. (28 августа 2009 г.). «Формирование потока с помощью трехмерного микромасштабного газового разряда». Письма по прикладной физике. 95 (8): 081501. Bibcode:2009АпФЛ..95х1501Вт. Дои:10.1063/1.3216046.
  21. ^ Пескини Е., Де Джорджи М., Франциозо Л., Скиолти А., Фикарелла А. (май 2014 г.). «Влияние плазменного исполнительного механизма микродиэлектрического барьерного разряда на неподвижный поток». IET Наука, измерения и технологии. 8 (3): 135–142. Дои:10.1049 / iet-smt.2013.0131.
  22. ^ Аоно Х., Ямакава С., Ивамура К., Хонами С., Исикава Х. (17 мая 2017 г.). «Прямые и изогнутые плазменные актуаторы с микродиэлектрическим барьерным разрядом для активного управления потоком». Экспериментальная терминология и гидродинамика. 88: 16–23. Дои:10.1016 / j.expthermflusci.2017.05.005.
  23. ^ Дуршер Р., Рой С. (9 декабря 2011 г.). «Аэрогель и сегнетоэлектрические диэлектрические материалы для плазменных актуаторов».. Журнал физики D: Прикладная физика. 45 (1): 012001. Дои:10.1088/0022-3727/45/1/012001.

внешняя ссылка