イオン推進航空機

イオン推進航空機またはイオンクラフトは、燃焼や可動部品を必要とせずに電気流体力学(EHD) を利用して空中で揚力または推力を生み出す航空機です。現在の設計では、有人飛行や有効荷重に十分な推力が得られません。

コロナによって生成された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、 1709年にフランシス・ホークスビーが著した「さまざまな主題に関する物理機械的実験」という本にそのことが記されています。

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であると誤解し、ビーフェルト・ブラウン効果と名付けて、人生の大半をこの原理の研究に費やした。彼の装置は重力の方向に関係なく磁場勾配の方向に推力を生み出し、真空中では機能しなかったため、他の研究者はこの効果がEHDによるものであることに気付いた。^{[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る。初期の例ではワットあたり約1グラムの重量を持ち上げることができたが、^[3]これでは必要な重い高電圧電源を持ち上げるには不十分であり、電源は地上に残され、細くて柔軟なワイヤーを介して航空機に供給されていた。

EHD推進を揚力に利用する方法は、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た。彼は1959年に「イオンクラフト」の特許を申請した。 ^[4]彼は、重電力供給は外部のままであったものの、異なる領域に印加される電圧を変化させることで横方向の操縦が可能なVTOLイオンクラフトのモデルを製作し、飛行させた。^[5]

2008年の無翼電磁航空機（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、21世紀初頭に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研究されました。推進システムには、イオン化効率を高めるために磁場を使用するなど、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]}

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および飛行する最初のイオン推進航空機は、2006年にエレクトロンエアのイーサン・クラウスが開発したVTOL機でした。^[10]彼の特許申請は2014年に提出され、2017年にスターダストスタートアップからプロジェクトを支援するためのマイクログラントが授与されました。 ^[11]この機体は、急速に上昇したり、数分間水平に飛行したりするのに十分な推力を発揮しました。^{[10] [12]}

2018年11月、初の自立型イオン推進固定翼飛行機であるMIT EAD Airframe Version 2が60メートル飛行した。これは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。翼幅は5メートル、重量は2.45kgであった。^[13]この飛行機はゴムバンドを使ってカタパルトで発射され、EADシステムが低空飛行中の飛行機の姿勢を維持した。

イオン 空気推進は、可動部品を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。このため、この技術は「ソリッド ステート」ドライブと呼ばれることもあります。この技術は、電気流体力学の原理に基づいています。

基本的な形態では、2 つの平行な 導電性 電極、先端のエミッタ ワイヤ、および下流のコレクタで構成されています。このような構成に高電圧(1 mm あたり数キロボルトの範囲) をかけると、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後方に加速して、反応で推力を生成します。途中で、これらのイオンは電気的に中性の空気分子と衝突し、それらを加速します。

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。電極の極性を逆にしても、電荷を運ぶイオンの極性も反転するため、運動の方向は変わらない。どちらの場合も、推力は同じ方向に発生する。正のコロナの場合、最初に窒素イオンが生成され、負の極性の場合、酸素イオンが主要な一次イオンとなる。これらのイオンは両方とも、さまざまな空気分子を即座に引き付けて、どちらかの符号の分子クラスターイオン^{[14]を作成し、これが}電荷キャリアとして機能する。

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。^[15] 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。^[16]

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。^[17]

EHD装置によって生成される推力はビーフェルト・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。^[18] 一般化された1次元処理では次の式が得られる。 ここで $${\displaystyle F={\frac {Id}{k}}}$$

• 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であり、^[19] 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の単位で表されます。表面圧力と温度での空気の典型的な値は1.5 × 10 ⁻⁴  m ² ⋅V ⁻¹ ⋅s ⁻¹）。^[19]

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

イオンクラフトのスイッチを入れると、コロナワイヤには通常 20 ～ 50 kVの高電圧が加わります。コロナワイヤの電圧が約 30 kV に達すると、近くの空気分子から電子が剥ぎ取られてイオン化されます。このとき、イオンは陽極からはじかれてコレクターのほうに引き寄せられ、イオンの大部分はコレクターのほうに加速します。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、外部電界の強さ、イオンと中性空気分子の質量によって決まります。

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）ということは、移動する粒子が膨張するイオン雲に拡散し、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、2 番目の電極に戻ることはありません。代わりに、同じ方向に移動し続けて、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、等しく反対の力が発生するため、電離層航空機は同じ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、エアギャップ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撃を受けます。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た中性空気の結果、運動量の交換が効果的に起こり、推力が生成されます。空気が重く密度が高いほど、結果として生じる推力は高くなります。

従来の反動推力と同様に、EAD 推力は、固定翼 飛行機に動力を供給す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リフト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。

イオン推進システムの推力発生部品は、コロナまたはエミッターワイヤ、エアギャップ、エミッターの下流にあるコレクター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。エミッターとコレクターは、最大推力を生み出す飽和コロナ電流条件を実現するために、できるだけ互いに近づける必要があります (つまり、狭いエアギャップにします)。ただし、エミッターがコレクターに近すぎると、ギャップを横切ってアークが発生する傾向があります。 ^[要出典]

イオン推進システムでは高電圧が必要となるため、多くの安全対策が必要です。

エミッタワイヤは、通常、高電圧電源のプラス端子に接続されます。一般的には、細い裸の導電 ワイヤで作られています。銅線も使用できますが、ステンレス鋼ほどうまく機能しません。同様に、44ゲージや50ゲージなどの細いワイヤは、30ゲージなどのより一般的な大きなサイズよりも性能が優れている傾向があります。これは、直径の小さいワイヤの周りの電界が強くなると、ピークの法則で説明されているように、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。^[20]

エミッターは、使用中に紫色のコロナ放電光を発する傾向があるため、「コロナワイヤー」と呼ばれることもあります。 ^[要出典]これは単にイオン化の副作用です。

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から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。^[21]

コレクターは、コロナワイヤの下に滑らかな等電位面を提供する形状になっています。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ホイルスカートが含まれます。スカートの鋭いエッジは、推力機構内のイオンとは反対の極性のイオンを生成するため、パフォーマンスが低下します。^{[引用が必要]}

• 大気呼吸電気推進
• ビーフェルト・ブラウン効果
• ホール効果スラスタ
• イオンスラスタ
• イオン風
• 磁気プラズマ動力スラスター
• プラズマアクチュエータ

ウィキメディア・コモンズには、イオン駆動空気スラスタに関連するメディアがあります。

• NASAの「推進における一般的なエラー」ページにおける静電反重力
• NASA: 推進用非対称コンデンサ
• デフェリス、デイビッド。「NASA​​ – イオン推進：より遠く、より速く、より安く」。www.nasa.gov。2020年11月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2019年8月15日閲覧。
• YouTubeでリフターやイオンクラフトの作り方を学ぶ
• 「飽和コロナ電流条件における EHD スラスタの完全な分析と設計ソリューション」、NASA、2004 年、https://www.gsjournal.net/h/papers_download.php?id=1830