Реактивный двигатель на основе воздушной плазмы

[Lonsdaleite]

Прототип оригинального реактивного двигателя на основе воздушной плазмы может создавать тягу без использования ископаемого топлива, что потенциально позволит решить проблему экологичных воздушных перевозок. Устройство ионизирует воздух микроволнами, генерируя плазму, которая создает тягу. Таким образом, самолеты могут когда-нибудь летать, используя только электричество и воздух вокруг них.

Прототип двигателя, работающего на воздушной плазме создали китайские ученые из Уханьского университета. Исследователи нашли способ создать струю плазмы за счет сильного сжатия воздуха и использования микроволнового излучения для ионизации потока. Сейчас прототип способен создать струю воздуха, которая может поднять стальной шарик весом один килограмм над трубкой диаметром 24 миллиметра. При увеличении масштабов тяга будет сравнима с показателями реактивных двигателей. 

Исследователи использовали плазменные двигатели, чтобы поднять вес стального шарика на конце плазменной трубки, измеряя вес, который может поднять каждая мощность и уровень воздушного потока

Прототип концепта и серийная реализация двигателя   Между прототипом проверенного концепта и установкой двигателя на реальном самолете предстоит долгий путь. Но прототип смог создать тягу, запустив в воздух стальной шарик весом в один килограмм (2,2 фунта) на 24 миллиметра. Это та же тяга, пропорциональная масштабу, что и у обычного реактивного двигателя.   «Наши результаты показали, что такой реактивный двигатель на основе микроволновой воздушной плазмы может быть потенциально жизнеспособной альтернативой обычному реактивному двигателю на ископаемом топливе», - сказал в своем пресс-релизе ведущий исследователь и инженер Уханьского университета Джау Тан . Китайские ученые продемонстрировали в лабораторных условиях прототип микроволнового плазменного двигателя, способного работать в атмосфере Земли и создавать тягу с эффективностью, сравнимой с реактивными двигателями, которые используются на современных авиалайнерах.     Воздушно-плазменное реактивные двигатели – новый подход к решению проблемы В предлагаемом опытном образце реактивного двигателя используется воздушная плазма, индуцированная микроволновой ионизацией. Такой реактивный двигатель просто использует воздух и электричество для получения высокой температуры и плазмы под давлением для создания реактивной силы. Исследователи продемонстрировали, что при одинаковом энергопотреблении его тяга сопоставима с тягой обычных реактивных двигателей самолетов, использующих ископаемое топливо. Следовательно, такой двигатель без выбросов углерода может потенциально использоваться в качестве реактивного двигателя в атмосфере.

Исследователи использовали плазменные двигатели, чтобы поднять вес стального шарика на конце плазменной трубки, измеряя вес, который может поднять каждая мощность и уровень воздушного потока   В конструкции двигателя используется воздушный компрессор для создания начальной скорости воздуха, затем ионизируется воздух в плазму и нагревается до высоких температур и давлений с помощью мощного микроволнового излучателя       Подобно твердым телам, жидкостям и газам, плазма является нормальным состоянием вещества. Плазма естественным образом возникает вследствие ионизации молекул при высоких температурах (например, на солнце) или в сильных электрических полях (например, при молнии). В лаборатории плазма может генерироваться с использованием электрической дуги, микроволнового резонатора, лазера, пламени огня или высоковольтного разряда. Плазма имеет широкое применение во многих областях, в т. ч. на реактивных двигателях космических кораблей, использующих ксеноновую плазму. При этом она создает небольшую тягу и может использоваться только в космическом безвоздушном пространстве.   Плазменные двигатели уже применяются на космических кораблях в качестве средства солнечно-электрического передвижения, использующего плазму ксенона, но такие вещи бесполезны в атмосфере Земли, поскольку ускоренные ионы ксенона теряют большую часть своей силы тяги из-за трения о воздух. Не говоря уже о том, что они не создают достаточной тяги.   Новый проект, разработанный и созданный группой специалистов из Института технических наук Уханьского университета, использует только воздух и электричество и, по-видимому, произведет впечатляющий прорыв, который может привести к тому, что он станет актуальным для применения в электрических самолетах.   Воздушно-плазменное реактивное устройство работает путем ионизации воздуха, чтобы создать низкотемпературную плазму, которая продувается воздушным компрессором. На полпути вверх по трубе в ионизационной камере на плазму воздействует мощный микроволновый излучатель частотой 2,45 ГГц, который сильно «встряхивает» ионы в плазме, разбивая их о другие неионизированные атомы и значительно повышая температуру и давление плазмы. Эта температура и давление создают значительную силу тяги. В предлагаемом прототипе плазменного реактивного двигателя может генерироваться приблизительно 11 Н тяги при 400 Вт мощности, используя 0,5 л / с для воздушного потока, что соответствует тяге 28 Н / кВт и давлению струи 2,4 × 10 4 Н / м2. При более высокой микроволновой мощности или большем потоке воздуха могут быть достигнуты силы тяги и реактивные давления, сравнимые с показателями реактивных двигателей коммерческих самолетов.

Изображения микроволновой воздушно-плазменной струи при разных настройках мощности (в Вт). Длина, температура и яркость пламени увеличиваются с увеличением мощности микроволнового излучения.     Исследователи проверили параметры в диапазоне различных уровней мощности и скоростей воздушного потока, и, несмотря на несколько импровизированную технику измерения, они обнаружили линейную зависимость между движущей силой тяги и микроволновой мощностью, а также воздушным потоком.     Реальные достижения и обоснованные сомнения   С точки зрения эффективности, движущая сила при 400 Вт и 1,45 кубических метров воздуха в час составила 11 Ньютонов, что представляет собой преобразование мощности в тягу 27,5 Н / кВт. Предполагая линейную экстраполяцию, команда предположила, что она может взять батарею Tesla Model S, способную выдавать мощность 310 кВт, и превратить ее в нечто вроде силы тяги в 8500 Н.   Для сравнения, в электрическом самолете Airbus E-Fan используется пара вентиляторов с электроприводом мощностью 30 кВт, которые в совокупности производят 1500 Н тяги. Это подразумевало бы высокие показатели – около 25 Н / кВт, что не так хорошо, как у первого прототипа, собранного в этой лаборатории. Исследователи утверждают, что эффективность тяги уже сравнима с эффективностью реактивных двигателей коммерческих самолетов. Исследователи уже работают над отказом от метода испытаний стальных шариков для чего-то более надежного и точного, а также пытаются повысить эффективность конструкции. Но уже полученные результаты, безусловно, выглядят многообещающими для этой новой идеи плазменного двигателя в двигателе электрического самолета, с несколькими важными оговорками.   Во-первых, в eVTOL не будет большой замены в качестве замены оборудования или канального вентилятора, независимо от того, насколько тише он может работать, если эта плазма выходит при температурах в тысячи градусов. И, во-вторых, как было отмечено в анализе Ars Technica , «воздушные потоки примерно в 15 000 раз ниже, чем у полноразмерного двигателя. Тяга также должна масштабироваться примерно на четыре порядка (то есть мощность тоже.) Экстраполяция линейных трендов на четыре порядка - хороший способ разочароваться в жизни».

Пороговая движущая сила при различных настройках воздушного потока как функция микроволновой мощности (в единицах Вт и скорости воздушного потока (в единицах м3/ч). Лабораторные результаты показывают линейное увеличение тяги, как с увеличением воздушного потока, так и с микроволновой мощностью, что делает его потенциально многообещающим для электрической авиации.       Кроме того, по какой-то причине точки данных не показывают самые высокие уровни микроволновой мощности при самых высоких воздушных скоростях, которые, как кажется, позволяет испытательный стенд, сигнализируя о том, что в лаборатории уже могут начаться странные вещи.   И, наконец, даже если он является настолько же эффективным или более эффективным, чем обычный старый двигатель Airbus для данного количества потребляемой энергии, факт остается фактом: авиационное топливо несет гораздо больше энергии для данного веса, чем батареи. Тем не менее, это интересная и новая конструкция плазменного двигателя, и интересно посмотреть, что из этого выйдет. Если он окажется масштабируемым и эффективным до уровня, благоприятного для воздушных судов, он может внести реальный вклад в развивающуюся область электрической авиации с нулевыми локальными выбросами.

 

[Максим0]

Это всё замечательно, но откуда брать столько электричества для мотора?

[Вадим Вергун]

56 минут назад, Максим0 сказал:

Это всё замечательно, но откуда брать столько электричества для мотора?

Это не много по меркам авиамодельных двигателей, особенно если речь идет о скоростных пилотагах.

Маленький движок весом в 100г под 15см винт может легко кушать киловатт. Литий-полимерные батареи такие токи легко отдают.

По идее такие устройства можно применять что того чтобы поднять потолок высоты квадрокоптеров (сейчас выше 15км они не летают).

[Вадим Вергун]

Думаю такая штука будет актуальна для скоростных авиамоделей. Она обладает преимуществами реактивного двигателя (мощность не зависит от скорости полета), но не обладает его недостатками (низкая надежность и ограниченный ресурс).

Изменено 30 Ноября, 2021 в 07:46 пользователем Вадим Вергун

[podlyinarod]

27 минут назад, Вадим Вергун сказал:

Это не много по меркам авиамодельных двигателей, особенно если речь идет о скоростных пилотагах.

Маленький движок весом в 100г под 15см винт может легко кушать киловатт.

А этот будет кушать два и весить минимум втрое больше. Легче стало (вопрос медведя из анекдота)? В нём просто воздух греется не за счёт сгорания топлива, а за счёт нагрева его микроволнами. Тот же компрессор, только турбина не нужна, так как вместо неё электродвигатель. А КПД на уровне около 35% или чуть выше таким и остается.

14 минут назад, Вадим Вергун сказал:

обладает преимуществами реактивного двигателя (мощность не зависит от скорости полета), но не обладает его недостатками (низкая надежность и ограниченный ресурс).

Ну это только для скоростей около звука и выше, где винты-вентиляторы не применимы. Ниже оно смысла не имеет.

[Вадим Вергун]

3 минуты назад, podlyinarod сказал:

А этот будет кушать два и весить минимум втрое больше. Легче стало (вопрос медведя из анекдота)? В нём просто воздух греется не за счёт сгорания топлива, а за счёт нагрева его микроволнами. Тот же компрессор, только турбина не нужна, так как вместо неё электродвигатель. А КПД на уровне около 35% или чуть выше таким и остается.

Ну это только для скоростей около звука и выше, где винты-вентиляторы не применимы. Ниже оно смысла не имеет.

Разгрузка винтов малого диаметра (до 20см) начинается уже со скоростей порядка 300км/ч.

[podlyinarod]

Тем не менее горючее остается самым емким энергоносителем, аккумуляторы от него отстают даже не в разы, а на порядок минимум. Ибо окислитель - воздух.

Изменено 30 Ноября, 2021 в 08:20 пользователем podlyinarod

[Loiso Pondohva]

2 часа назад, podlyinarod сказал:

Тем не менее горючее остается самым емким энергоносителем, аккумуляторы от него отстают даже не в разы, а на порядок минимум. Ибо окислитель - воздух.

Ну ёмкость продвинутых аккумов 3600 килоджоуля на кг(1000 Вт/ч), что не так уж и плохо...Хотя безусловно в разы меньше. 
Зато электричество и удобнее, и легче управляется и правда "экологично" (при учёте того каким методом его получили). Безопаснее и меньше зависит от внешних обстоятельств (хотя можно оспорить). 
Это же не соревнующиеся технологии, а параллельные. На скоростные авиамодели и "особые" дроны - зайдёт. Под концепт электросамолёта - тоже может зайти. Малоскростные модели - нет. Открытый космос - явно нет. Хотя там же электричество нашло свою нишу в виде ионных. Да и как маневровые двигатели в пределах атмосферы - тоже сгодятся. 
 

Изменено 30 Ноября, 2021 в 10:31 пользователем Loiso Pondohva

[podlyinarod]

46 минут назад, Loiso Pondohva сказал:

как маневровые двигатели в пределах атмосферы

Маневровые тепловозы справятся!.. Зачем там маневровые движки, когда можно изменять аэродинамическую конфигурацию?

[Loiso Pondohva]

43 минуты назад, podlyinarod сказал:

Маневровые тепловозы справятся!.. Зачем там маневровые движки, когда можно изменять аэродинамическую конфигурацию?

Кстати. Я недостаточно компетентен тут в вопросах аэродинамики и лётных средств, чтобы утверждать
Но во-первых, от маневровых же не отказались, ни в баллистических ракетах, ни в космических. Хотя в космосе у них больше применений. Но всё-равно значит аэродинамика не всё правит. 
Ноооо если уж говорить о реактивной тяге. Насколько я понимаю, химические двигатели имеют верхний лимит скорости(точнее удельного импульса). Первый -это соотношение масс необходимое для максимальной эффективности (пресловутое 2,72). А второй фактор завязан на эффективности сгорания топлива, который тоже достиг своего пика. И того имеем рекорд по удельному импульсу в  4500 м/с. По идее с плазмовыми двигателями таких проблем возникать не должно. Так что если решить проблему с энергоносителями - ещё одна ниша! 
 

Изменено 30 Ноября, 2021 в 11:50 пользователем Loiso Pondohva