イオン推進航空機

イオン推進航空機（イオノクラフト）は、電気流体力学（EHD）を利用して、燃焼や可動部品を必要とせずに空中で揚力または推力を発生させる航空機です。現在の設計では、有人飛行や有効荷重に必要な推力が得られません。

歴史

起源

コロナ生成荷電粒子によるイオン風推進の原理は、電気の発見直後に発見され、フランシス・ホークスビー著の『様々な主題に関する物理機械的実験』という書籍に1709年に言及されています。

VTOL「リフター」実験

アメリカの実験家トーマス・タウンゼント・ブラウンは、この原理を反重力効果と誤解し、生涯の大半をビーフェルト・ブラウン効果の研究に費やした。ブラウンはこれを反重力効果と名付けた。彼の装置は重力の方向とは無関係に磁場勾配の方向に推力を発生させ、真空中では動作しなかったため、他の研究者たちはこの効果がEHDによるものであることを認識した。[ 1 ] [ 2 ]

VTOLイオン推進航空機は「リフター」と呼ばれることもあります。初期の機体は1ワットあたり約1グラムの重量を持ち上げることができましたが、[ 3 ]これは、地上に設置され、細く長いワイヤーを介して機体に電力を供給する必要のある、重い高電圧電源を持ち上げるのには不十分でした。

EHD推進による揚力利用は、1950年代から1960年代にかけて、アメリカの航空機設計者アレクサンダー・プロコフィエフ・デ・セヴァスキー少佐によって研究されました。彼は1959年に「イオンクラフト」の特許を申請しました。 [ 4 ]彼は、重電供給は外部から行っていたものの、印加電圧を変化させることで横方向の操縦が可能なVTOLイオンクラフトの模型を製作し、飛行させました。[ 5 ]

2008年型無翼電磁航空機（WEAV）は、表面全体に電極が埋め込まれた皿型のEHDリフターで、フロリダ大学のスブラタ・ロイ率いる研究チームによって21世紀初頭に研究されました。この推進システムには、イオン化効率を高めるための磁場の利用など、多くの革新が採用されています。外部電源を備えたモデルでは、最小限の離陸とホバリングを実現しました。[ 6 ] [ 7 ]

オンボード電源

21世紀の電源はより軽量で効率的です。[ 8 ] [ 9 ]独自のオンボード電源を使用して離陸して飛行する最初のイオン推進航空機は、2006年にElectron AirのEthan Kraussによって開発されたVTOL機でした。[ 10 ]彼の最初の特許出願は2014年に提出され、彼は2017年にStardust Startupsからプロジェクトを支援するためのマイクログラントを獲得しました。 [ 11 ]同社は現在、この分野に関連する米国特許10119527B2と11161631B2を所有しています。[ 12 ]この機体は急上昇または数分間水平飛行するのに十分な推力を発生しました。[ 10 ] [ 13 ]

2018年11月、マサチューセッツ工科大学のスティーブン・バレット率いる学生チームによって開発された、世界初の自立型イオン推進固定翼航空機「MIT EAD Airframe Version 2」が60メートル飛行を達成した。翼幅は5メートル、重量は2.45キログラムだった。[ 14 ]この機体は弾性バンドを用いたカタパルトで発射され、EADシステムが低高度飛行中の機体を維持した。

動作原理

イオン空気推進は、可動部品を一切使わずに電気エネルギーによって空気の流れを作り出す技術です。そのため、「ソリッドステート」ドライブと呼ばれることもあります。電気流体力学の原理に基づいています。

基本的な構成は、2つの平行な導電性電極、先端のエミッタ線、そして下流のコレクタ線で構成されています。この構成に高電圧（キロボルト/mm程度）を印加すると、エミッタが空気中の分子をイオン化し、コレクターに向かって加速することで、反作用で推力が発生します。その過程で、イオンは電気的に中性な空気分子と衝突し、今度は分子を加速させます。

この効果は電気の極性に直接依存するものではなく、イオンは正または負に帯電する可能性がある。電極の極性を反転しても、電荷を帯びたイオンの極性も反転するため、運動方向は変わらない。どちらの極性でも同じ方向に推力が発生する。正コロナの場合、最初に窒素イオンが生成され、負コロナの場合、酸素イオンが主要な一次イオンとなる。これらのイオンはいずれも、様々な空気分子を引き寄せ、電荷キャリアとして機能する、どちらかの極性の分子クラスターイオン[ 15 ]を生成する。

現在のEHDスラスタは従来のエンジンに比べて効率がはるかに低い。[ 16 ] MITの研究者は、イオンスラスタは従来のジェットエンジンよりもはるかに効率的になる可能性があると指摘した。[ 17 ]

純粋なイオンスラスタロケットとは異なり、電気流体力学の原理は宇宙の真空中には適用されません。[ 18 ]

電気流体力学

EHD装置によって発生する推力はビーフェルド・ブラウン効果の一例であり、チャイルド・ラングミュア方程式を修正して導くことができる。[ 19 ] 一般化された1次元処理では次の式が得られる。 ここで F＝私dけ{\displaystyle F={\frac {Id}{k}}}

  • Fは結果として生じる力です。
  • Iは電流です。
  • dはエアギャップです。
  • kは作動流体のイオン移動度[ 20 ]であり、 SI単位ではA⋅s 2 ⋅kg −1で表されるが、より一般的にはm 2 ⋅V −1 ⋅s −1で表される。表面圧力および温度における空気の典型的な値は1.5 × 10 −4  m 2 ⋅V −1 ⋅s −1）。[ 20 ]

この原理は、空気などの気体に適用される場合、電気空気力学 (EAD) とも呼ばれます。

イオンクラフトが起動すると、コロナワイヤーは通常20～50 kVの高電圧に帯電します。コロナワイヤーの電圧が約30 kVに達すると、周囲の空気分子から電子が剥ぎ取られ、イオン化されます。このイオン化により、イオンは陽極から反発され、コレクターに向かって引き寄せられ、大部分のイオンがコレクターに向かって加速されます。これらのイオンは、ドリフト速度と呼ばれる一定の平均速度で移動します。この速度は、衝突間の平均自由行程、外部電界の強度、そしてイオンと中性空気分子の質量 に依存します。

電流がコロナ放電によって運ばれる（密閉されたアークではなく）という事実は、運動する粒子が膨張するイオン雲の中に拡散し、中性空気分子と頻繁に衝突することを意味します。これらの衝突が中性空気分子に運動量を与え、中性であるため、第 2 電極に戻らず、同じ方向に動き続け、中性風を作り出します。これらの中性分子が電離層航空機から放出されると、ニュートンの運動の第 3 法則に従って、等しく反対方向の力が生じるため、電離層航空機は等しい力で反対方向に移動します。発揮される力はそよ風に匹敵します。結果として生じる推力は、気圧と温度、ガスの組成、電圧、湿度、空隙の距離などの他の外部要因によって異なります。

電極間の隙間にある空気塊は 、高速で移動する励起粒子によって繰り返し衝突されます。これにより電気抵抗が生じ、これを克服する必要があります。この過程で捕捉される中性空気は、運動量の効率的な交換を引き起こし、推力を生み出します。空気が重く密度が高いほど、結果として生じる推力は大きくなります。

航空機の構成

従来の反動推力と同様に、EAD 推力は、固定翼飛行機に動力を与えるために水平に向けられるか、または「リフター」と呼ばれることもある動力付き揚力機をサポートするために垂直に向けられることがあります。

デザイン

典型的な電離層探査機の構造

イオン推進システムの推力発生部品は、コロナワイヤまたはエミッタワイヤ、エアギャップ、そしてエミッタ下流のコレクタワイヤまたはストリップの3つの部分で構成されています。軽量の絶縁フレームがこの配置を支えています。最大推力を生み出す飽和コロナ電流状態を実現するために、エミッタとコレクタは可能な限り近接させる必要があります。つまり、エアギャップを狭くする必要があります。しかし、エミッタがコレクタに近すぎると、ギャップをまたいで アーク放電が発生する傾向があります。

イオン推進システムでは高電圧が必要となるため、多くの安全上の注意が必要です。

エミッター

エミッタワイヤは通常、高電圧電源の正極端子に接続されます。一般的には、細い裸導線で作られています。 銅線も使用できますが、ステンレス鋼ほど優れた性能は得られません。同様に、44ゲージや50ゲージなどの細いワイヤは、30ゲージなどの一般的な太いワイヤよりも性能が優れている傾向があります。これは、細いワイヤの周囲の電界が強くなるため、ピークの法則に従って、イオン化開始電圧が低くなり、コロナ電流が大きくなるためです。[ 21 ]

エミッターは使用中に紫色のコロナ放電光を発することから、「コロナワイヤー」と呼ばれることもあります。これは単にイオン化の副作用です。

エアギャップ

エアギャップは2つの電極を絶縁し、エミッターで生成されたイオンが加速され、中性空気分子に運動量を伝達してコレクターで電荷を失うことを可能にします。エアギャップの幅は通常1 mm / kVです。[ 22 ]

コレクタ

コレクターは、コロナワイヤの下に滑らかな等電位面を形成するように形状が決められています。これには、金網、平行な導電性チューブ、または滑らかな丸いエッジを持つ箔スカートなどが含まれます。スカートの鋭いエッジは、推進機構内のイオンとは逆極性のイオンを生成するため、性能を低下させます。

参照

参考文献

  1. ^トンプソン、クライヴ（2003年8月）「反重力地下世界」Wired誌。
  2. ^ Tajmar, M. (2004). 「ビーフェルド・ブラウン効果：コロナ風現象の誤解」. AIAAジャーナル. 42 (2): 315– 318. Bibcode : 2004AIAAJ..42..315T . doi : 10.2514/1.9095 .
  3. ^リフター効率とイオン速度の関係「JL Naudin's Lifter-3 pulsed HV 1.13g/Watt」 2014年8月8日アーカイブ、Wayback Machineより
  4. ^米国特許3,130,945、1959年8月31日出願、1954年4月28日公開。
  5. ^セヴェルスキー少佐のイオン推進航空機。第122巻。ポピュラーメカニクス。1964年8月 。pp.58-61。
  6. ^グリーンマイヤー、ラリー（2008年7月7日）「世界初の空飛ぶ円盤：地球上で作られた」サイエンティフィック・アメリカン。
  7. ^ Roy, ​​Subrata; Arnold, David; Lin, Jenshan; Schmidt, Tony; Lind, Rick; et al. (2011). 空軍科学研究局、フロリダ大学（編）.無翼電磁航空機の実証(PDF) (報告書). 国防技術情報センター. ASIN B01IKW9SES . AFRL-OSR-VA-TR-2012-0922. 2013年5月17日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。 
  8. ^ Borg, Xavier、「飽和コロナ電流条件でのEHDスラスタの完全な分析と設計ソリューション」、 The General Science Journal（非査読）、2004年、2006年更新。
  9. ^ Granados, Victor H.; Pinheiro, Mario J.; Sa, Paulo A. (2016年7月). 「空気力学応用のための静電推進装置」. Physics of Plasmas . 23 (7): 073514. Bibcode : 2016PhPl...23g3514G . doi : 10.1063/1.4958815 .
  10. ^ a b「イオン動力航空機の発明」スターダスト・スタートアップ・ファクトリー2019年2月27日 2019年8月15日閲覧。この飛行装置は、2006年に初めて、可動部品を使わずに電源装置を地面から直接持ち上げる方式を採用した。
  11. ^私たち 10119527 
  12. ^ LLC, Electron Air. 「Electron Air LLC」 . Electron Air LLC . 2025年2月21日閲覧。
  13. ^ YouTubeの動画
  14. ^ Hern, Alex (2018年11月21日). 「史上初の可動部品のない飛行機が飛行」ガーディアン紙. 2018年11月25日閲覧。
  15. ^ Harrison, RG (2003). 「下層大気におけるイオン・エアロゾル・雲プロセス」 . Reviews of Geophysics . 41 (3) 2002RG000114: 1012. Bibcode : 2003RvGeo..41.1012H . doi : 10.1029/2002rg000114 . ISSN 8755-1209 . S2CID 123305218 .  
  16. ^チェン、アンガス. 「静かでシンプルなイオンエンジンが可動部品のない飛行機を動かす」 .サイエンティフィック・アメリカン. 2019年8月15日閲覧。
  17. ^ 「イオンスラスタが空中で効率的な推進力を生み出す」 ScienceDaily 、 2013年4月3日。 2023年3月14日閲覧。…実験では、イオン風は1キロワットあたり110ニュートンの推力を生み出すことが分かりました。これはジェットエンジンの1キロワットあたり2ニュートンの推力と比較して…
  18. ^ 「イオン推進」(PDF) 。2010年5月15日時点のオリジナル(PDF)からのアーカイブ。
  19. ^ 「空気中の電気運動デバイス」（PDF） . 2013年4月25日閲覧。
  20. ^ a b Tammet, H. (1998). 「空気イオン移動度の標準状態への低下」. Journal of Geophysical Research: Atmospheres . 103 (D12): 13933– 13937. Bibcode : 1998JGR...10313933T . doi : 10.1029/97JD01429 . hdl : 10062/50224 .
  21. ^ Peek, FW (1929). 「高電圧工学における誘電現象」McGraw-Hill. LCCN 30000280 . 
  22. ^ミースターズ、クース;ヴェッセル州テルプストラ（2019年12月2日）。「イオンドライブと持続可能性」(PDF) 。2019 年12 月 3 日に取得。

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