Реактивный двигатель электрический: Ученые создали рабочий электрический реактивный двигатель |

Содержание

Новый электрический реактивный двигатель действительно работает в атмосфере

В прошлом году группа исследователей из Китая представила новую конструкцию плазменного реактивного двигателя. Хотя сама по себе технология не является новой, эта новая конструкция может предоставить возможность использовать эти двигатели не только в космосе, но и в атмосфере.

Хотя выходная тяга все еще довольно мала по сравнению с обычными атмосферными двигателями, после масштабирования этот новый тип двигателя может оказаться революционным для аэрокосмической промышленности.

Но прежде чем мы рассмотрим эту новую конструкцию, давайте разберемся, как работают плазменные реактивные двигатели.

Что такое плазменный силовой двигатель?

Плазменные двигатели обычно рассматриваются как потенциальная форма движения космических кораблей . Такие двигатели отличаются от двигателей с ионным двигателем, которые генерируют тягу, отбирая ионный ток из своего источника плазмы. Затем эти ионы ускоряются до высоких скоростей с помощью решеток или анодов.

Плазменные двигатели обычно не требуют высоковольтных решеток или анодов / катодов для ускорения заряженных частиц в источнике плазмы, но используют токи и потенциалы, которые генерируются внутри в виде сильноточной электрической дуги между двумя электродами, для ускорения. Это имеет тенденцию приводить к более низкой скорости выхлопа, поскольку для ускорения используется ограниченное напряжение.

Пример работающего плазменного движителя. Источник: МФТИ / Flickr

Тем не менее, с минимальным трением воздуха в космосе или его отсутствием, тяга этих двигателей не должна быть такой высокой. Если постоянное ускорение может наростать месяцами или годами за один раз, можно в конечном итоге достичь очень высокой скорости.

Такие двигатели имеют различные преимущества перед другими видами электрических двигателей. Например, отсутствие высоковольтных сеток анодов снижает риск ионной эрозии сетки.

Еще одно преимущество состоит в том, что выхлоп плазмы называется «квазинейтральным». Это означает, что положительные ионы и электроны существуют в равных количествах, а это означает, что простая ионно-электронная рекомбинация в выхлопе может использоваться для тушения выхлопного шлейфа , устраняя необходимость в электронной пушке.

Типичные примеры этих двигателей имеют тенденцию генерировать исходную плазму с использованием различных методов, включая радиочастотную или микроволновую энергию с использованием внешней антенны. Из-за особенностей конструкции этих двигателей в них может использоваться ряд ракетных топлив, включая аргон или двуокись углерода .

Как и следовало ожидать, у этой технологии есть и некоторые недостатки. Главный из них — высокий спрос на энергию, необходимую для их работы .

Например, двигателю VX-200 с регулируемым удельным импульсом магнитоплазменной ракеты ( VASIMR) требуется электрическая мощность 200 кВт для создания тяги в 5 Н или 40 кВт / Н. Теоретически такая потребность в энергии может быть удовлетворена с помощью реакторов деления на космических кораблях, но добавленный вес может оказаться недопустимым для запуска корабля.

Еще одна проблема — плазменная эрозия. Во время работы плазма может термически разрушать стенки полости двигателя малой тяги и опорной конструкции, что в конечном итоге может привести к отказу системы.

На сегодняшний день такие двигатели действительно полезны только тогда, когда космический корабль находится в космосе. Это связано с относительно низкой тягой, которая не позволяет реально использовать их для вывода корабля на орбиту. В среднем эти ракеты обеспечивают тягу около 4,45 Н.

Источник: Натанаэль Койн / Flickr

Большинство космических агентств разработали плазменные двигательные установки в той или иной форме, включая, помимо прочего, Европейское космическое агентство, Иранское космическое агентство и, конечно же, НАСА.

Были разработаны различные примеры из реальной жизни, которые использовались в некоторых космических полетах. Например, в 2011 году НАСА в партнерстве с Busek запустило первый двигатель на эффекте Холла на борту спутника Tacsat-2. Они также используются на космическом зонде NASA Dawn .

Другой пример — вышеупомянутая магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом, которую в настоящее время разрабатывает компания Ad Astra Rocket .

VASIMR работает с использованием источника электроэнергии , чтобы ионизировать с пропеллент в плазме. Электрические поля нагревают и ускоряют плазму, в то время как магнитные поля направляют плазму в нужном направлении, когда она выбрасывается из двигателя, создавая тягу для космического корабля. Теоретически двигатель VASIMR мощностью 200 мегаватт может сократить время путешествия от Земли до Юпитера или Сатурна с шести лет до четырнадцати месяцев, а от Земли до Марса — с 6 месяцев до 39 дней.

Что такого особенного в этом новом китайском плазменном двигателе?

В прошлом году группа китайских инженеров представила рабочий прототип микроволнового двигателя. По словам исследователей, двигатель должен работать в атмосфере Земли с такой же эффективностью и тягой, что и обычные реактивные двигатели.

Плазменные двигатели, обычно использующие благородный газ, например ксенон, не могут применяться в атмосфере Земли, поскольку генерируемые ионы имеют тенденцию терять силу тяги из-за трения с воздухом. Еще одна усугубляющая проблема состоит в том, что существующие образцы создают довольно низкую тягу, которая хороша в космосе, но была бы ничтожно мала на Земле.

Новая конструкция, созданная исследователями из Института технических наук Уханьского университета, использует воздух и электричество вместо таких газов, как ксенон. Испытания показали, что двигатель способен создавать впечатляющую тягу, которая однажды может найти применение в современных самолетах.

Этот новый плазменный двигатель работает немного аналогично двигателю внутреннего сгорания, в котором плазма генерируется из исходного газа, который затем, в свою очередь, быстро нагревается и расширяется для создания тяги. В новом двигателе ионизированный воздух используется для создания низкотемпературной плазмы, которая затем подается в трубу с помощью воздушного компрессора. Когда воздух движется вверх по трубке, он подвергается бомбардировке микроволнами, которые сильно встряхивают ионы, заставляя их сталкиваться с другими неионизированными атомами.

Художественный портрет многомегаваттного космического корабля ВАСИМР. Источник: Ad Astra Rocket Company / Wikimedia Commons

Этот процесс резко увеличил температуру и давление плазмы, тем самым создавая значительную тягу дальше вниз по трубе.

Удивительное достижение частично достигается за счет использования плоского волновода (прямоугольной металлической трубки), через который фокусируются микроволны. Микроволны, генерируемые специально разработанным магнетроном мощностью 1 кВт, 2,45 ГГц, направляются вниз по направляющей, которая сужается до половины своего первоначального размера по мере приближения к плазме, а затем снова расширяется. Этот процесс увеличивает напряженность электрического поля и оказывает на плазму как можно больше тепла и давления.

Кварцевая трубка также помещается в отверстие в волноводе в самом узком месте. Воздух проходит через эту трубку, затем проходит через небольшой участок волновода и выходит из другого конца кварцевой трубки.

Когда воздух входит в трубку, он проходит над электродами, которые подвергаются воздействию очень сильного поля. Эта обработка удаляет электроны с некоторых атомов воздуха / газа (в основном азота и кислорода), что создает низкотемпературную плазму низкого давления. Давление воздуха от нагнетателя устройства на входе в трубку затем продвигает плазму вверх по трубке, пока она не попадет в волновод.

Как только плазма попадает в волновод, заряженные частицы начинают колебаться в микроволновом поле, вызывая быстрый нагрев. При этом смесь атомов, ионов и электронов часто сталкивается друг с другом, передавая энергию от ионов и электронов к нейтральным атомам, быстро нагревая плазму.

В результате, как утверждают исследователи, плазма быстро нагревается до более чем 1000 ° C. Истощенная горячая плазма создает пламя, подобное факелу, когда горячий газ выходит из волновода, создавая таким образом тягу.

Насколько мощный новый плазменный двигатель?

Исследователи заметили, что если поток воздуха в компрессоре точно настроен, струя пламени, образующаяся в трубке, удлиняется в ответ на увеличение мощности микроволн. Основываясь на этом наблюдении, исследователи попытались определить количество создаваемой тяги.

Хотя на первый взгляд это звучит относительно просто, в этом есть одна серьезная загвоздка. Плазменная струя под углом в тысячу градусов, создаваемая двигателем, разрушила бы обычный барометр.

Чтобы преодолеть это, команда решила немного нестандартно мыслить. Они изобрели способ уравновесить полый стальной шар на вершине трубы. Этот шар был заполнен стальными шариками меньшего размера, чтобы изменять его вес по мере необходимости. При определенном весе тяга будет такой, что она будет противодействовать гравитационным силам, действующим на шар вниз на выпускном конце трубы, позволяя поднять его на определенную высоту над трубкой.

Схема недавно разработанного плазменного реактивного двигателя. Источник: Дэн Йе и др. 2 020.

Используя это измеренное расстояние и вычитая тягу, добавленную компрессором, команда смогла косвенно получить оценку тяги плазменной струи.

Используя этот инновационный, хотя и нетрадиционный метод, команда смогла протестировать устройство в диапазоне уровней мощности и скорости воздушного потока. Как оказалось, им удалось найти линейную зависимость между движущей силой и мощностью микроволн и воздушным потоком.

Более того, технология тоже оказалась довольно эффективной и способной выдавать движущую силу при потребляемой электрической мощности 400 Вт и 1,45 кубических метров воздуха в час, что составляет 11 Н), что представляет собой преобразование мощности в тягу со скоростью 28 Н / кВт.

Предполагая линейную зависимость между мощностью СВЧ (и потоком воздуха) и выходной мощностью, должно быть возможно использовать батарею Tesla Model S, способную выдавать 310 кВт и превратить это примерно в 8,5 кН движущей силы тяги.

Двигаясь вперед, команда уже ищет способы использовать более сложный и надежный метод для проверки выходной тяги технологии. Они также ищут способы дальнейшего усовершенствования и повышения эффективности двигателя.

При этом все, безусловно, идут в ногу с этой инновационной концепцией плазменного двигателя. Но если бы все было так просто. Конечно, есть несколько серьезных возражений против такого нововведения.

Какой бы захватывающей ни была эта технология, она, вероятно, не сможет найти много покупателей на перспективном рынке eVTOL. Несмотря на то, что технология тише, чем опоры канальных вентиляторов, выхлоп в тысячу градусов может вызвать серьезные проблемы. Другая проблема заключается в том, что, как указывает Ars Technica , «потоки воздуха примерно в 15 000 раз меньше, чем у полноразмерного двигателя. Тяга также должна увеличиваться примерно на четыре порядка.

Некоторые эксперты, просматривающие данные, также указали на странные упущения в имеющихся в настоящее время данных. По какой-то причине (и не приведенной) точки данных не показывают наивысшие уровни мощности микроволн при самых высоких скоростях полета прототипа.

Хотя этот вопрос просто связан с тем, что установка не тестировалась на таких уровнях, это также может указывать на наличие серьезных проблем с двигателем на этих уровнях мощности.

Изображение, показывающее линейную зависимость между шлейфом тяги в кварцевой трубке и потребляемой мощностью. Источник: Дэн Йе и др. 2 020.

Еще одна проблема будущего такого двигателя — его источник питания. Факт остается фактом: авиационное топливо является очень энергоемким источником топлива. Особенно это касается аккумуляторов (на самом деле где-то в 43 раза больше).

Сравните 28 Н / кВт новых двигателей с двигателями коммерческого Airbus A320, которые вместе развивают около 220 000 Н тяги. Это означает, что для нового двигателя для реактивного самолета сопоставимых размеров потребуется более 7 800 киловатт мощности — примерно столько же, сколько производится 570 единицами Tesla Powerwall 2.

При этом это очень интересная технологическая инновация. Если этот новый плазменный двигатель малой тяги действительно окажется настоящим жизнеспособным и будет масштабируемым, не говоря уже об эффективности, это может означать нечто вроде квантового скачка в авиационных силовых установках, работающих на неископаемом топливе.

Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК

Source:
interesting engineering

Теги: eVTOLИонный двигательИсточники энергииТранспорт

Синхронный реактивный двигатель

Дмитрий Левкин

Конструкция

Принцип работы

Особенности

Статор реактивного двигателя бывает с распределенной и сосредоточенной обмоткой, и состоит из корпуса и сердечника с обмоткой.

Синхронный реактивный двигатель

Статор синхронного реактивного электродвигателя с распределенной обмоткой

Выделяют три основных типа ротора реактивного двигателя: ротор с явновыраженными полюсами, аксиально-расслоенный ротор и поперечно-расслоенный ротор.

Ротор с явновыраженными полюсами

Аксиально-расслоенный ротор

Поперечно-расслоенный ротор

Переменный ток, проходящий по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле в воздушном зазоре электродвигателя. Крутящий момент создается, когда ротор пытается установить свою наиболее магнито проводящую ось (d-ось) с приложенным полем, для того чтобы минимизировать магнитное сопротивление в магнитной цепи. Амплитуда момента прямо пропорциональна разницы между продольной L_d и поперечной L_q индуктивностями. Следовательно, чем больше разница, тем больше создаваемый момент.

Линии магнитного поля синхронного реактивного электродвигателя

Главная идея может быть объяснена с помощью рисунка представленного ниже. Объект «a» состоящий из анизотропного материала имеет разную проводимость по оси d и оси q, в то время как изотропный магнитный материал объекта «b» имеет одинаковую проводимость во всех направлениях. Магнитное поле, которое прикладывается к анизотропному объекту «a», создает вращающий момент если существует угол между осью d и линиями магнитного поля. Очевидно, что если ось d объекта «a» не совпадает с линиями магнитного поля, объект будет вносить искажения в магнитное поле. При этом направление искаженных магнитных линий будут совпадать с осью q объекта.

Объект с анизотропной геометрией (a) и изотропной геометрией (b) в магнитном поле

Силовые линии магнитного поля вокруг объекта с анизотропной геометрией

В синхронном реактивном электродвигателе магнитное поле создается синусоидально распределенной обмоткой статора. Поле вращается с синхронной скоростью и может считаться синусоидальным.

В такой ситуации всегда будет существовать момент направленный на то, чтобы уменьшить полную потенциальную энергию системы, путем уменьшения искажения поля по оси q (). Если угол сохранять постоянным, например путем контроля магнитного поля, тогда электромагнитная энергия будет непрерывно преобразовываться в механическую.

Ток статора отвечает за намагничивание и за создание момента, который пытается уменьшить искаженность поля. Управление моментом осуществляется путем контроля фазы тока, то есть угла между вектором тока обмоток статора и d-осью ротора во вращающейся системе координат.

Преимущества:

Простая и надежная конструкция ротора:
ротор имеет простую конструкцию, состоящую из тонколистовой электротехнической стали, без магнитов и короткозамкнутой обмотки.

Низкий нагрев:
так как в роторе отсутствуют токи, он не нагревается во время работы, увеличивая срок службы электродвигателя.

Нет магнитов:
снижается конечная цена электродвигателя, так как при производстве не используются редко земельные металлы. При отсутствии магнитных сил упрощается содержание и техническое обслуживание электродвигателя.

Низкий момент инерции ротора:
так как на роторе отсутствует обмотка и магниты, момент инерции ротора ниже, что позволяет электродвигателю быстрее набирать обороты и экономить электроэнергию.

Возможность регулирования скорости:
в виду того, что синхронный реактивный электродвигатель для своей работы требует частотный преобразователь, имеется возможность управления скоростью вращения реактивного двигателя в широком диапазоне скоростей.

Недостатки:

Частотное управление:
для работы требуется частотный преобразователь.

Низкий коэффициент мощности:
из-за того, что магнитный поток создается только за счет реактивного тока. Решается за счет использования частотного преобразователя с коррекцией мощности.

Смотрите также

Основные параметры электродвигателя

Общие параметры для всех электродвигателей

Момент электродвигателя

Мощность электродвигателя

Коэффициент полезного действия

Номинальная частота вращения

Момент инерции ротора

Номинальное напряжение

Электрическая постоянная времени

Библиографический список

ГОСТ 27471-87 Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.

Разработка электрического реактивного двигателя

Что такое турбореактивный двигатель?

Все начинается с гальванического компрессора. Это вращающийся вентилятор, который вы видите на передней части реактивного двигателя. Этот компрессор вращается и нагнетает воздух под высоким давлением в камеру сгорания. В этой камере топливо смешивается до тех пор, пока не будет достигнуто идеальное соотношение воздух-топливо. В этот момент происходит воспламенение смеси, которая создает выхлопные газы и тягу и продвигает двигатель вперед.

Чтобы продвинуться дальше, вторая турбина (причудливый вентилятор) может быть помещена внутрь выхлопной камеры. Эта турбина соединяется с компрессором с помощью вала, поэтому по мере увеличения тяги, создаваемой выхлопом, количество воздуха, нагнетаемого в систему, также увеличивается, отсюда и название «ТРД». Он работает так же, как турбо на вашем автомобиле, но у него другая форма и он стреляет огромным пламенем сзади!

Что такое электрический реактивный двигатель?

Электрический реактивный двигатель работает по тому же принципу, что и турбореактивный двигатель, за исключением того, что вместо вращения второй турбины для увеличения мощности компрессора он использует электроэнергию. Есть много проблем, которые может создать эта модификация, в основном значительно сниженная долговечность (подумайте о всех электрических компонентах, находящихся в прямом контакте с горящими выхлопными газами!), но краткосрочные результаты могут быть удивительными.

Создание электрического турбореактивного двигателя

На видео в основе конструкции лежат пустые канистры из-под бутана. Это позволяет ему получать грубые металлические формы без какого-либо реального изготовления; ему просто нужно слить воду и разрезать их. После удаления всей краски и добавления нескольких надрезов они готовы к пайке. Пайка — это простой метод соединения металла, аналогичный пайке.

Компрессор, он же вентилятор на впускной стороне двигателя, не подвергается сильному нагреву, поэтому он может спроектировать его в САПР и на 3D-принтере. Он заставил этот компрессор функционировать как электродвигатель, благодаря чему вся «турбо» функция происходит в передней части агрегата, а не набирает тягу от выхлопных газов, толкающих турбину в задней части двигателя. Это аккуратное маленькое решение.

С добавлением горения все становится сложнее. Типичный реактивный двигатель использует «кольцевую камеру сгорания» для создания точного соотношения воздуха и топлива и потока. Они имеют сложную форму, которая может быть сложной и может потребовать точечной сварки для изготовления.

Сборка аппарата для точечной сварки с нуля [Не пытайтесь: опасность поражения электрическим током]

Присоединение двух латунных электродов к острогубцам и пропускание через них большого тока НЕ является рекомендуемым способом сварки металла. К счастью, металл, который он сваривает, очень тонкий, а сила тока относительно низкая.

Он добавляет топливо через изогнутую медную трубку, закрывая один конец и добавляя крошечные отверстия для выхода газа. Добавление небольшой искры от газового гриля обеспечивает возгорание и небольшое пламя, которое можно усилить по мере увеличения количества воздуха в топливе.

Собираем все вместе

СВЯТАЯ КОРОВА, эта штука работает! Этот электрический реактивный двигатель издает очень устрашающий рев, несмотря на то, что он такой маленький. Свечение, исходящее из камеры сгорания, — еще один уровень страха. Этот чувак должен быть одет НАМНОГО больше защитной экипировки! Его микрофон был зажарен в процессе. Помидор также постигла участь гризли, но стеклянная посуда, на которой он стоял, стала еще хуже (перейдите на отметку 11:00, чтобы увидеть).

После уничтожения микрофона и помидора электрический турбореактивный двигатель наконец-то прошел испытания. Хотите верьте, хотите нет, но эта маленькая граната действительно производит тягу! Поначалу 300-граммовый двигатель, толкающий трехкилограммовый скейтборд, дает не так много тяги (извините, ребята, сегодня я не занимаюсь конверсиями). Однако после тонкой настройки впускного отверстия, топливного бака и системы зажигания этот маленький двигатель действительно оживает!

Чтобы увидеть больше таких сумасшедших сборок, посмотрите Integza на YouTube!

Электрические реактивные двигатели могут означать углеродно-нейтральные воздушные путешествия

Мы много говорим об электромобилях, и очевидно, что инженеры работают над альтернативами ископаемому топливу для наших наземных путешествий. Но как быть с самолетами? В 2019 году самолеты израсходовали 18,27 миллиарда галлонов топлива. Это далеко не углеродно-нейтральный.

Вскоре, однако, мы могли меньше чувствовать вину за то, что летаем. Группа исследователей создала прототип реактивного двигателя, способного двигаться вперед, используя только электричество. Их исследование было опубликовано в AIP Advances в мае 2020 года.

Электрические реактивные двигатели

Устройство, созданное исследователями из Института технологических наук Уханьского университета в Китае, сжимает воздух и ионизирует его с помощью микроволн. Затем это генерирует плазму, которая толкает двигатель вперед.

Главным толчком для создания этого нового типа двигателя стал климатический кризис. «Мотивация нашей работы заключается в том, чтобы помочь решить проблемы глобального потепления из-за того, что люди используют двигатели внутреннего сгорания на ископаемом топливе для приведения в действие механизмов, таких как автомобили и самолеты», — пояснил Джау Танг, ведущий исследователь исследования и профессор Уханьского университета. . «С нашей конструкцией нет необходимости в ископаемом топливе, и, следовательно, нет выбросов углерода, вызывающих парниковый эффект и глобальное потепление».

Схематическая диаграмма прототипа микроволнового воздушно-плазменного двигателя, Источник: Джау Тан и Цзюнь Ли/Институт технологических наук Уханьского университета

Сильный соперник кварцевый куб диаметром 24 миллиметра, в котором воздух под высоким давлением превращается в струю плазмы благодаря прохождению через микроволновую ионизационную камеру. Чтобы сохранить масштаб, это соответствует тяговому давлению, сравнимому с реактивным двигателем коммерческого самолета.

Самый популярный

Тан сказал: «Наши результаты показали, что такой реактивный двигатель на основе микроволновой воздушной плазмы может быть потенциально жизнеспособной альтернативой обычному реактивному двигателю, работающему на ископаемом топливе».

Очень важно, чтобы мы начали менять свое отношение к нашей планете. Количество CO2 в атмосфере достигло рекордного уровня в 2020 году, достигнув 417 частей на миллион в мае.