Меню

Двигатели без движущихся частей

Разработан атмосферный ионный двигатель, позволяющий создавать летательные аппараты, не имеющие движущихся частей

Группе исследователей и инженеров из Массачусетского технологического института удалось сделать то, что достаточно долгое время считалось невозможным — поднять и удержать в воздухе летательный аппарат, который не использует ни одной движущейся детали для создания подъемной силы. Этот аппарат, весящий всего 2.3 килограмма и имеющий размах крыльев около 5 метров, весьма похож на модель планера, к которой снизу прикреплена необычная конструкция. Эта конструкция является атмосферным ионным двигателем, создающим бесшумный поток ионизированного воздуха, за счет которого летательный аппарат способен пролетать дистанцию в 60 метров. И это ограничение наложено не возможностями ионного двигателя или источника энергии, такую длину имеет помещение спортивного центра, внутри которого производились испытания.

Принцип, который использовали в ионном двигателе специалисты Массачусетского технологического института, называется электроаэродинамикой и он был открыт в 1920-х годах известным летчиком и конструктором Александром Северским (Major Alexander de Seversky). Идея заключается в создании сетки из тонких проводов или полосок фольги, одна из сеток выполняет роль положительного, а вторая — отрицательного электрода. Электрический потенциал на этих электродах отделяет электроны от молекул воздуха, которые начинают перемещаться в сторону отрицательного электрода. Столкновения с другими нейтральными молекулами воздуха порождают поток воздуха, который способен создавать слабую силу тяги, которую, тем не менее, уже можно измерить.

Проблема электроаэродинамики заключается в том, что созданные на ее основе устройства имели до последнего времени большие размеры, которые исключали возможности их практического применения. Из-за этого круг таких устройств был мал и ограничивался, в основном, ионными воздухоочистительными системами.

Прорыв в деле создания атмосферного ионного двигателя стал возможным благодаря работе профессора Стивена Барретта (Steven Barrett), который посвятил этому направлению около 9 лет. Результатом этой работы стал достаточно высокоэффективный ионный двигатель, состоящий из проводников различной толщины, что делает его похожим на какую-то экзотическую радиоантенну. Эти проводники действуют как отдельные электроды, а чередование положительных и отрицательных электродов в особой последовательности и позволило увеличить эффективность двигателя в целом.

Источником энергии ионного двигателя является небольшая литий-полимерная аккумуляторная батарея, расположенная в «фюзеляже» летательного аппарата. А специализированная высоковольтная электронная система, разработанная и созданная специалистами группы Power Electronics Research Group, позволяет получить электрический потенциал в 40 тысяч вольт, который и подается на электроды ионного двигателя.

Как можно убедиться, конструкция атмосферного ионного двигателя весьма примитивна, но этот двигатель позволяет летательному аппарату действительно лететь, а не планировать, постоянно скользя вниз по потокам воздуха.

«Так как атмосферный ионный двигатель работает исключительно на электричестве и не нуждается в топливе, он может быть использован для обеспечения полета стратосферных летательных аппаратов, поднимающихся практически к границе с космосом» — рассказывает профессор Барретт, — «Кроме этого, такой двигатель может стать источником дополнительной тяги для летательных аппаратов, использующих более традиционные технологии».

Исследователи признают, что практические летательные аппараты, использующие подобные ионные двигатели, появятся еще не очень скоро. Тем не менее, эффективность и экологическая чистота такого двигателя заставляют ученых продолжать работы в данном направлении. И в ближайшем будущем исследователи планируют увеличить эффективность при помощи технологий увеличения площади электродов, которые не требуют значительного увеличения размеров и веса двигателя.

В воздух поднялся первый беспилотник без подвижных частей в двигателе

Дрон практически бесшумен и не использует химического топлива.
Иллюстрация MIT Electric Aircraft Initiative.

Практически бесшумный дрон, который не имеет винтов и не нуждается в топливе – уже не фантастика. Первое такое устройство испытано американскими инженерами.

О достижении сообщает научная статья, опубликованная в журнале Nature группой во главе со Стивеном Барреттом (Steven Barrett) из Массачусетского технологического института.

«Это первый в истории устойчивый полёт самолёта без движущихся частей в двигательной системе», – заявляет Барретт.

Новинка открывает новые неисследованные возможности для создания самолётов, которые тише и механически проще традиционных аналогов, а также не выделяют выбросов в атмосферу, добавляет инженер.

Аппарат приводится в движение так называемым ионным ветром. Поясним. Если создать достаточно мощное электрическое поле между тонким положительно заряженным электродом и более толстым отрицательно заряженным электродом, часть нейтральных атомов воздуха превратится в ионы. Положительно заряженные ионы устремятся к одному полюсу, а электроны и отрицательно заряженные ионы – к другому. Поток этих частиц, сталкиваясь с атомами воздуха, ионизирует их и увлекает за собой. В результате порождается реактивная струя, способная привести в движение небольшое устройство.

Ионные двигатели (несколько иной конструкции) давно используются на космических зондах. Однако таким аппаратам приходится брать с собой в межпланетный вакуум запас вещества, которое будет ионизироваться. Дрон же может использовать окружающий воздух и, таким образом, может работать, не имея топливных баков.

Впрочем, этот же воздух создаёт силу сопротивления, которую придётся преодолевать. Кроме того, космический зонд в невесомости может обойтись и очень незначительной тягой. А вот самолёт должен двигаться достаточно быстро: иначе крылья не создадут нужной подъёмной силы, и аппарат упадёт.

Читайте также:  Масло для 4 тактных двигателей с воздушным охлаждением для мотоциклов

Долгое время считалось, что двигатель на ионном ветре никогда не сможет достичь нужной тяги в атмосфере Земли. В результате подобные устройства считались своего рода игрушками. Они ненадолго зависали над столами любителей физики, и этим дело и ограничивалось.

Барретта исследование ионного ветра интересовало едва ли не с детства, когда он впервые посмотрел сериал «Звёздный путь».

«Это [впечатление] заставило меня думать, что в долгосрочной перспективе на самолётах не должно было остаться пропеллеров и турбин, – признаётся Барретт. – Они должны быть больше похожими на космические корабли из «Звёздного пути», которые создают только синее свечение и тихо скользят».

После долгих поисков нужной идеи инженер остановился на принципе передвижения при помощи ионного ветра, затем начался период расчётов, а позже и испытаний.

Нынешнее детище Барретта и его команды представляет собой самолёт с пятиметровым размахом крыльев, но массой менее 2,5 килограмма. Такая конструкция могла бы летать и как планер, но она снабжена двигателем.

В качестве последнего выступает сеть тонких положительно заряженных проводов у переднего края крыла и толстых отрицательно заряженных у заднего края. Смонтированный в фюзеляже набор литиево-полимерных батарей создаёт между ними напряжение в 40 тысяч вольт. В результате аппарат приходит в движение и перемещается совершенно бесшумно.

Беспилотник был испытан в самом большом помещении, которое члены команды смогли найти: спортзале длиной 60 метров. Десятикратные испытания показали, что устройство легко преодолевает это расстояние.

«Это был самый простой возможный самолёт, который мы могли бы спроектировать, чтобы доказать, что ионный самолёт может летать», – объясняет Барретт.

Впрочем, новичок ещё очень далёк от самолёта, который мог бы выполнять полезные функции. Всё-таки такая машина должна летать дольше и вне помещений, а также иметь возможность перевозить хоть какую-то начинку, не говоря уже о возможных грузах.

Сейчас авторы работают над усовершенствованием ионного двигателя. В частности, они планируют увеличить плотность тяги (отношение силы тяги к площади сечения реактивной струи).

Как надеются исследователи, в будущем подобные двигатели смогут поднять в воздух бесшумные и экологичные дроны, решающие самые разные задачи

Изучаем странные двигатели, застрявшие на обочине прогресса

Авторы необычных моторов, как правило, сулят революцию. Однако даже когда у крупных компаний есть возможность начать с чистого листа, они отчего-то ставят на конвейер классические поршневые ДВС. Один из последних примеров — семейство двигателей Ingenium компании JLR.

Двигатели Ванкеля, Стирлинга, разного рода газотурбинные установки так и не стали автомобильным мейнстримом. Ряд известных компаний (от Мазды до GM, от Мерседеса до Volvo) работали над ними десятки лет, упорствовали маленькие фирмы и отдельные изобретатели. Увы, в конце концов выяснялось, что подводных камней в той или иной конструкции намного больше, чем казалось вначале. Но это не значит, что развитие альтернативных агрегатов невозможно. Энтузиасты перебирают идею за идеей, и мне как инженеру-двигателисту интересно поделиться с вами рядом экзотических схем.

Некоторые создатели перспективных двигателей решили, что комбинация из цилиндра, поршня, шатуна и коленвала отлично себя зарекомендовала более чем за столетие и, чтобы улучшить параметры ДВС, не надо изобретать её заново — достаточно лишь подправить кое-какие аспекты. Поэтому первый в нашем обзоре — мотор американской компании Scuderi Group, который имеет классические такты впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска, но происходят они не в одном и том же цилиндре, а в разных. Так называемый холодный цилиндр отвечает за впуск и сжатие, а второй, горячий — за рабочий ход и выпуск.

Пока в рабочем цилиндре идёт расширение газов, в холодном, компрессорном, — такт впуска. В рабочем — выпуск, в холодном — сжатие. В конце такта сжатия поршни приближаются к своим верхним мёртвым точкам, смесь через перепускной канал перебрасывается из холодного цилиндра в горячий и поджигается. Такой разделённый цикл (в принципе — тот же цикл Отто, пусть и модифицированный) американцы придумали в 2006 году, а в 2009-м построили опытный Scuderi Split Cycle Engine. У компрессорного и рабочего цилиндров могут быть разные диаметры и ходы поршней, что даёт гибко настраивать параметры — получается аналог цикла Миллера с дополнительным расширением газов.

Первый в мире самолет без движущихся частей с ионным двигателем

Массачусетский технологический институт (MIT) создал необычный самолет, прямо как из научно-фантастических фильмов. Исследователи построили и испытали первый самолет, в котором практически нет движущихся деталей, его силовая установка питается ионным ветром.

Этот уникальный самолет выглядит довольно просто, очень тихий в работе и не выделяет вредных газов в атмосферу. Пока что это просто небольшая модель самолета весом всего лишь 2,5 кг и размахом крыльев 5 метров, но концепция его построения весьма перспективная и в будущем на базе ее можно создавать принципиально новые летательные аппараты.

Читайте также:  Чип тюнинг mazda cx5

Самолет движется благодаря ионному ветру. Под его крыльями размещены электроды, а внутри фюзеляжа установлены литиево-полимерные батареи с умножителем на выходе которого генерируется напряжение 40 000 В. По мере того, как воздух течет между тонким и толстым электродом, создается ионный ветер, который и вызывает тягу к движению плоскости. Во время экспериментов самолет смог развить скорость до 20 км/ч. Исследователи выполнили в общей сложности 10 испытательных полетов и каждый раз добивались положительного результата – самолет с ионным двигателем показывал практически одни и те же результаты скорости и времени полета.

Данная технология в будущем может использоваться в беспилотных летательных аппаратах, где на первый план будут выходить требования экономичности и бесшумности. Однако в долгосрочной перспективе данная концепция может быть использована при производстве пассажирских и транспортных самолетов.

ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ

Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ

Термоакустический двигатель Стирлинга: новый взгляд на известные факты

Двигатель Стирлинга – двигатель с внешним подводом тепла. Внешний подвод тепла – это очень удобно, когда есть необходимость использовать в качестве источника тепла не органические виды топлива. Например, можно использовать солнечную энергию, геотермальную энергию, бросовое тепло с различных предприятий. Приятная особенность цикла Стирлинга – это то, что его КПД равен КПД цикла Карно [1]. Естественно у реальных двигателей Стирлинга эффективность ниже и зачастую намного.

Двигатель Стирлинга начал своё существование с устройства, имеющего множество подвижных деталей, таких как поршни, шатуны, коленчатый вал, подшипники [2]. К тому же еще и ротор генератора крутился (Рисунок 1).


Рисунок 1 – Двигатель Стирлинга альфа типа

Посмотрите на двигатель Стирлинга Альфа типа. При вращении вала поршни начинают перегонять газ то из холодного в горячий цилиндр, то наоборот, из горячего в холодный. Но они не просто перегоняют, а ещё и сжимают и расширяют. Совершается термодинамический цикл. Можно мысленно представить на картинке, что когда вал повернётся так, что ось, на которую крепятся шатуны, окажется вверху, то это будет момент наибольшего сжатия газа, а когда внизу, то расширения. Правда это не совсем так из-за тепловых расширений и сжатий газа, но примерно всё же всё это так.

Сердцем двигателя является так называемое ядро, которое состоит из двух теплообменников – горячего и холодного и между ними находится регенератор. Теплообменники обычно делаются пластинчатыми, а регенератор – это чаще всего стопка, набранная из металлической сетки. Зачем нужны теплообменники понятно – нагревать и охлаждать газ, а зачем нужен регенератор? А регенератор – это настоящий тепловой аккумулятор. Когда горячий газ движется в холодную сторону, он нагревает регенератор и регенератор запасает тепловую энергию. Когда газ движется из холодной на горячую сторону, то холодный газ подогревается в регенераторе и таким образом это тепло, которое без регенератора бы безвозвратно ушло на нагрев окружающей среды, спасается. Так что, регенератор – крайне необходимая вещь. Хороший регенератор повышает КПД двигателя примерно в 3,6 раза.

Любителям, которые мечтают построить подобный двигатель самостоятельно, хочу рассказать подробнее про теплообменники. Большинство самодельных двигателей Стирлинга, из тех что я видел, вообще не имеют теплообменников (я про двигатели альфа типа). Теплообменниками являются сами поршни и цилиндры. Один цилиндр нагревается, другой охлаждается. При этом площадь теплообменной поверхности, контактирующей с газом совсем мала. Так что, есть возможность значительно увеличить мощность двигателя, поставив на входе в цилиндры теплообменники. И даже на рисунке 1 пламя направлено прямиком на цилиндр, что в заводских двигателях не совсем так.

Вернёмся к истории развития двигателей Стирлинга. Итак, пускай двигатель во многом хорош, но наличие маслосъёмных колец и подшипников снижало ресурс двигателя и инженеры напряжённо думали, как его улучшить, и придумали.

В 1969 году Вильям Бейл исследовал резонансные эффекты в работе двигателя и позже смог сделать двигатель, для которого не нужны ни шатуны ни коленчатый вал. Синхронизация поршней возникала из-за резонансных эффектов. Этот тип двигателей стал называться свободнопоршневым двигателем (Рисунок 2).

Рисунок 2 – Свободнопоршневой двигатель Стирлинга

На рисунке 2 показан свободнопоршневой двигатель бета типа. Здесь газ переходит из горячей области в холодную, и наоборот, благодаря вытеснителю (который движется свободно), а рабочий поршень совершает полезную работу. Вытеснитель и поршень совершают колебания на спиральных пружинах, которые можно видеть в правой части рисунка. Сложность в том, что их колебания должны быть с одинаковой частотой и с разностью фаз в 90 градусов и всё это благодаря резонансным эффектам. Сделать это довольно трудно.

Читайте также:  Расход масла для линкольна

Таким образом, количество деталей уменьшили, но при этом ужесточились требования к точности расчётов и изготовления. Но надёжность двигателя, несомненно, возросла, особенно в конструкциях, где в качестве вытеснителя и поршня применяются гибкие мембраны. В таком случае в двигателе вообще отсутствуют трущиеся детали. Электроэнергию, при желании, с такого двигателя можно снимать с помощью линейного генератора.

Но и этого инженерам оказалось не достаточно, и они начали искать способы избавиться не просто от трущихся деталей, а вообще от подвижных деталей. И они нашли такой способ.

В семидесятых годах 20-го века Петер Цеперли понял, что синусоидальные колебания давления и скорости газа в двигателе Стирлинга, а также тот факт, что эти колебания находятся в фазе, невероятно сильно напоминают колебания давления и скорости газа в бегущей звуковой волне (рис.3).

Рисунок 3 — График давления и скорости бегущей акустической волны, как функция времени. Показано, что колебания давления и скорости находятся в фазе.

Эта идея пришла Цеперли не случайно, так как до него было множество исследований в области термоакустики, например, ещё сам лорд Рэлей в 1884 качественно описал это явление.

Таким образом, он предложил вообще отказаться от поршней и вытеснителей, и использовать только лишь акустическую волну для контроля над давлением и движением газа. При этом получается двигатель без движущихся частей и теоретически способный достичь КПД цикла Стирлинга, а значит и Карно. В реальности лучшие показатели – 40-50 % от эффективности цикла Карно (Рисунок 4).

Рисунок 4 – Схема термоакустического двигателя с бегущей волной

Можно видеть, что термоакустический двигатель с бегущей волной – это точно такое же ядро, состоящее из теплообменников и регенератора, только вместо поршней и шатунов здесь просто закольцованная труба, которая называется резонатором. Да как же работает этот двигатель, если в нём нет никаких движущихся частей? Как это возможно?

Для начала ответим на вопрос, откуда там берётся звук? И ответ – он возникает сам собой при возникновении достаточной для этого разницы температур между двумя теплообменниками. Градиент температуры в регенераторе позволяет усилить звуковые колебания, но только определённой длины волны, равной длине резонатора. С самого начала процесс выглядит так: при нагреве горячего теплообменника возникают микро шорохи, возможно даже потрескивания от тепловых деформаций, это неизбежно. Эти шорохи – это шум, имеющий широкий спектр частот. Из всего этого богатого спектра звуковых частот, двигатель начинает усиливать то звуковое колебание, длина волны которого, равна длине трубы – резонатора. И неважно насколько мало начальное колебание, оно будет усилено до максимально возможной величины. Максимальная громкость звука внутри двигателя наступает тогда, когда мощность усиления звука с помощью теплообменников равна мощности потерь, то есть мощности затухания звуковых колебаний. И эта максимальная величина порой достигает огромных величин в 160 дБ. Так что внутри подобного двигателя действительно громко. К счастью, звук наружу выйти не может, так как резонатор герметичен и по этому, стоя рядом с работающим двигателем, его еле слышно.

Усиление определённой частоты звука происходит благодаря всё тому же термодинамическому циклу – циклу Стирлинга, который осуществляется в регенераторе.


Рисунок 5 – Стадии цикла грубо и упрощённо.

Как я уже писал, в термоакустическом двигателе вообще нет движущихся частей, он генерирует только акустическую волну внутри себя, но, к сожалению, без движущихся частей снять с двигателя электроэнергию невозможно.

Обычно добывают энергию из термоакустических двигателей с помощью линейных генераторов. Упругая мембрана колеблется под напором звуковой волны высокой интенсивности. Внутри медной катушки с сердечником, вибрируют закрепленные на мембране магниты. Вырабатывается электроэнергия.

В 2014 году Kees de Blok, Pawel Owczarek и Maurice Francois из предприятия Aster Thermoacoustics показали, что для преобразования энергии звуковой волны в электроэнергию, годится двунаправленная импульсная турбина, подключенная к генератору [3].


Рисунок 6 – Схема импульсной турбины

Импульсная турбина крутится в одну и ту же сторону вне зависимости от направления потока. На рисунке 6 схематично изображены лопатки статора по бокам и лопатки ротора посередине. А так турбина выглядит у них в реальности:


Рисунок 7 – Внешний вид двунаправленной импульсной турбины

Ожидается, что применение турбины вместо линейного генератора сильно удешевит конструкцию и позволит увеличить мощность устройства вплоть до мощностей типичных ТЭЦ, что невозможно с линейными генераторами.

Что ж, будем продолжать пристально следить за развитием термоакустических двигателей.

Список использованных источников

[1] М.Г. Круглов. Двигатели Стирлинга. Москва «Машиностроение», 1977.
[2] Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. Москва «Мир», 1986.
[3] Kees de Blok, Pawel Owczarek. Acoustic to electric power conversion, 2014.

Adblock
detector