简介

        离子推进飞机（简称电离飞机）是使用电动流体力学（EHD）来提供空气中的升力或推力而无需燃烧或运动部件的飞机。 当前的设计不能为载人飞行或有用载荷产生足够的推力。

历史

起源

        电被发现后不久就发现了带有电晕产生的带电粒子的离子风推进原理，该参考文献的历史可追溯到1709年，由弗朗西斯·豪克斯比（Francis Hauksbee）着有《关于各种主题的物理机械实验》一书。

VTOL"飘升机"实验

        美国实验师托马斯·汤森·布朗（Thomas Townsend Brown）毕生致力于该原理，但错误地认为这是一种反重力效应，他将其命名为比费尔德布朗效应。 由于他的设备会在磁场梯度方向上产生推力，而与重力方向无关，并且无法在真空中工作，因此他的同事意识到这种效果是由于EHD引起的。

        VTOL离子推进飞机有时被称为“飘升机”。 早期的示例能够每瓦举起大约一克的重量，这不足以举起必需的笨重的高压电源，该高压电源留在地面上，并通过长而细的柔性电线为飞船供电。

        1950年代和1960年代，美国飞机设计师少校亚历山大·普罗科菲耶夫·德·塞韦斯基（Alexander Prokofieff de Seversky）研究了EHD升力提升系统的使用。 他于1959年为“电离飞机”申请了专利。他建造并飞行了VTOL电离模型，该模型可以通过改变在不同区域施加的电压来进行侧向操纵，尽管仍然需要大量的外部电源。

        2008年的无翼电磁飞行器（WEAV）是一种碟形EHD飘升机，其整个表面都嵌有电极，在21世纪初期由佛罗里达大学的Subrata Roy领导的一组研究人员进行了研究。 推进系统采用了许多创新技术，包括使用磁场来提高电离效率。 具有外部电源的模型实现了最小的提起和悬停。

内置电源

        进入21世纪，飘升机的电源更加轻便，更加高效。第一架使用自己的机载电源起飞并飞行的离子动力飞机是由Electron Air的Ethan Krauss在2006年研发的VTOL工艺。他的专利申请于2014年提交。飞行器产生了足够的推力，可以迅速上升或水平飞行几分钟。

         2018年11月，第一架独立式离子推进固定翼飞机MIT EAD机身版本2飞行了60米。 它是由麻省理工学院的史蒂芬·巴雷特（Steven Barrett）领导的一组学生开发的。 它的翼展为5米，重2.45公斤。飞机是用弹力带弹射的，EAD系统可以使飞机处于低空飞行。

工作原理

        离子空气推进是一种通过电能产生空气流而没有任何活动部件的技术。 因此，有时将其描述为“固态”驱动器。 它基于电动流体力学原理。

        它的基本形式包括两个平行的导电电极，一个发射极引线和一个下游集电极。 当这种装置由高压（每毫米千伏范围内）供电时，发射器会使空气中的分子离子化，这些分子会向后加速到收集器，从而产生反作用力。 一路上，这些离子与电中性的空气分子碰撞并依次加速它们。

        由于离子可能带正电或带负电，因此效果并不直接取决于极性。 反转电极的极性不会更改运动方向，因为它还会反转离子的极性以进行匹配。 任一方向都沿相同方向产生推力。 对于正向发射极，氮离子是主要的电荷载体，而对于负向发射极，氧离子是主要的电荷，臭氧的产生量更高。

        EHD推进器的效率远远低于传统发动机。

       与纯离子推进器火箭不同，电动流体力学原理不适用于太空真空。

电动流体力学

       EHD设备产生的推力是比费尔德-布朗效应的一个例子，可以通过修改使用Child-Langmuir方程来推导。广义一维处理给出以下方程式：

其中：

F是升力，I是电流，d是气隙，b是工作流体的离子迁移系数(或称离子运动参数)，空气的标称值为2×10^-4 m^2·V^-1·s^-1，Φ是流体性能参数，空气的标称值为2x10^-2。

        当应用于诸如空气的气体时，该原理也称为电空气动力学（EAD）。

        当电离器打开时，电晕丝会充满高压，通常在20到50 kV之间。 当电晕丝达到约30 kV时，它会剥夺附近的空气分子的电子，从而使它们离子化。 发生这种情况时，离子会从阳极排斥，并被吸引到集电极，从而导致大部分离子朝集电极加速。 这些离子以称为漂移速度的恒定平均速度传播。 这种速度取决于碰撞之间的平均自由程，外部电场的强度以及离子和中性空气分子的质量。

        电流由电晕放电（而不是紧密约束的电弧）承载的事实意味着运动的粒子扩散到膨胀的离子云中，并经常与中性空气分子碰撞。 这些碰撞产生推力。 离子云的动量部分地传递给与之碰撞的中性空气分子，由于它们是中性的，因此不会迁移回第二电极。 相反，它们继续沿相同方向行进，从而产生中性风。 当这些中性分子从电离飞行器中弹出时，与牛顿第三运动定律一致，存在相同和相反的力，因此电离飞行器以相等的力沿相反的方向运动。 施加的力量相当于轻柔的微风。 产生的推力取决于其他外部因素，包括气压和温度，气体成分，电压，湿度和气隙距离。

        电极之间间隙中的空气质量受到以高漂移速度运动的受激粒子的反复影响。 这产生了必须克服的电阻。 在此过程中捕获的中性空气的最终结果是有效地引起了动量的交换并因此产生了推力。 空气越重和密度越大，推力越大。

配置

        与常规反作用推力一样，EAD推力可以水平定向以为固定翼飞机提供动力，也可以垂直定向以支撑有时被称为“飘升机”的机动式升降机。

设计

         离子推进系统的推力产生组件包括三个部分： 电晕或发射极线，气隙和发射极下游的集电极线或带。 轻质的绝缘框架支撑该布置。 发射极和集电极应尽可能靠近，即具有狭窄的气隙，以达到产生最大推力的饱和电晕电流状态。 但是，如果发射极距离集电极太近，则往往会在间隙上产生电弧。

        由于需要高压，因此离子推进系统需要采取许多安全预防措施。

       发射极线通常连接到高压电源的正极。 通常，它是由小规格裸露的导线制成的。 尽管可以使用铜线，但它的效果不如不锈钢。 同样，较细的线材（例如44或50号线规）往往胜过更常见的较大尺寸的线材（例如30线规），因为直径较小的线材周围的强电场会导致更好的电离作用和更大的电晕电流。

        发射极有时被称为“电晕丝”，因为它在使用时会发出紫色的电晕放电辉光。这仅仅是电离的副作用。

气隙

        气隙使两个电极绝缘，并允许在发射极产生的离子加速并转移动量到中性空气分子，然后在收集器上失去它们的电荷。 气隙的宽度通常为1 mm / kV

集电极

        集电极的形状可在电晕丝下提供光滑的等势面。 其变化形式包括金属丝网，平行的导电管或具有光滑圆形边缘的箔裙。 裙缘上的锋利边缘会降低性能，因为它会产生与推力机构中的极性相反的离子。