¿Un ionocraft tendría un desempeño mejor o peor en la atmósfera superior?

El ionocraft produce sustentación acelerando los iones en el aire hacia abajo mediante el uso de dos mallas mantenidas con una gran diferencia de voltaje relativo.

Con una mirada superficial al principio físico, parece que podría tener ventajas sobre otros métodos de propulsión en vuelos suborbitales a gran altitud. No está limitado por tener que llevar masa de reacción a bordo, no tiene que lidiar con una gran resistencia porque puede ser funcionalmente estacionario, y una mayor altitud podría no obligarlo a aumentar su tamaño como globos.

El único problema es que la idea no es práctica. Wikipedia señala requisitos de potencia de 1 vatio por gramo.

Sin embargo, los iones están más disponibles en la atmósfera superior. Cualitativamente, más iones para un ionocraft parecería implicar que obtendrías más fuerza con menos entrada de energía. La ecuación de sustentación para un ionocraft es:

F = yo d k

k es "coeficiente de movilidad iónica del aire". Estoy confundido sobre el significado de eso, así que no puedo responder esto yo mismo. ¿Debería ser más bajo o más alto a altitudes muy altas? Y teniendo en cuenta el panorama completo, ¿podría ser viable una iononave (que no es viable a nivel del mar) si la volara a grandes altitudes primero?

Respuestas (2)

Este documento de 1970 hace algunos progresos para responder la pregunta. Da el siguiente gráfico:

valores K

Esto da las movilidades de iones para diferentes altitudes y para cargas tanto positivas como negativas. Teniendo en cuenta que las unidades también coinciden, voy a identificar esto como k en la ecuación con bastante confianza.

La correlación proviene de la aplicación de principios físicos a la atmósfera, por lo que no se espera que esto sea correcto en la vida real. En realidad, hay varios factores de confusión en la vida real, incluida una diferencia significativa entre el día y la noche. Los intentos de una curva medida real real son mucho más complicados e incluso tienen un máximo global. Sin embargo, este máximo global está muy por encima de la marca de los 100 km y, hasta ese punto, parece que esta relación exponencial podría mantenerse bastante bien. Para una estimación directa de orden de magnitud (que es lo que quiere esta pregunta), esto parece perfectamente suficiente.

Ahora, para comparar valores, el valor del gráfico anterior para el nivel del mar se puede estimar aproximadamente mediante la observación:

k | h = 0 = 1.5 − 2.0 C metro 2 V s = 1.5 − 2.0 × 10 − 4 metro 2 V s

Comparemos con el artículo de Wikipedia sobre ionocraft:

k es el coeficiente de movilidad iónica del aire, medido en dimensión M−1 T2 I (Valor nominal 2·10−4 m2 V−1 s−1).

k | h = 0 = 2.0 × 10 − 4 metro 2 V s

Estos números parecen estar en bastante buena correspondencia. Esto le da un poco más de credibilidad a los números del gráfico. Si son correctos, estamos viendo un cambio en el valor del nivel del mar a altitudes más altas de alrededor de:

k | h = 70 k metro k | h = 0 ≈ 2 × 10 4

Está bastante claro que la ecuación de ionocraft se beneficiaría de la diferencia en el valor de k. La verdadera pregunta es si también existiría un detrimento de las otras variables independientes. Quizás la formación de arcos eléctricos ocurriría a un voltaje más bajo, lo que limitaría aún más las compensaciones I y d. Eso todavía no está claro para mí.

Tampoco está claro si un factor de 10.000 sería suficiente para pasar de no viable a viable. O si esto sería suficiente para compensar el costo de tender cables desde el suelo hasta una nave a gran altura. Todavía podrías ir más alto. El mínimo global parece más cercano a quizás 200 o 300 km de altitud. Al empujar los 70 km a tal vez 100 o 150 km, ciertamente podría comprar varios órdenes de magnitud más en k.

Puede que me equivoque aquí, pero he mirado el artículo al que hace referencia AlanSE y, como mencionó, la movilidad de los iones aumenta con la altitud (como era de esperar, agregaría). Sin embargo, no entiendo cómo ayuda esto al ionocraft ya que la fuerza es inversamente proporcional a la movilidad de los iones (F=Id/k), por lo que si k aumenta, la fuerza disminuiría, ¿no? Sé que la resistencia también disminuiría, pero con la eficiencia actual de los elevadores, dudo que un ionocraft en altitudes más altas funcione considerablemente mejor.

Es bueno ver estas ecuaciones sobre ionocrafts, sin embargo, la primera ecuación que se muestra, por la que todos han estado pasando, es incorrecta.

El empuje de un ionocraft se correlaciona principalmente con el voltaje, no con la corriente. 1 vatio a 100 kV produce mucho más viento de iones que 1000 vatios a 10 voltios, por ejemplo. 1000 vatios al mismo voltaje producirán más viento que 1 vatio a ese voltaje, pero no es en absoluto un aumento lineal. Todo esto, por supuesto, depende mucho de la geometría del sistema que produce los iones. Las corrientes más bajas a voltajes más altos pueden ser mucho más eficientes. En altitudes más altas, el aire es más delgado y proporciona menos resistencia eléctrica entre el colector y el emisor, por lo tanto, el dispositivo consumirá más corriente de acuerdo con la ley de Ohm (contrariamente, las cargas de resistencia más bajas consumen más corriente). Dado que hay menos partículas por unidad de longitud en el aire más delgado, habrá menos empuje. Si la distancia entre el emisor y el colector aumenta a mayores altitudes, la resistencia regresará y el conteo de partículas también regresará, por lo tanto, también de acuerdo con la ley de ohmios, el consumo de corriente regresará. Dado que la transferencia de energía y corriente será la misma, el empuje debería regresar. Sin embargo, aún no hay pruebas exhaustivas de esto a principios de 2019. Dado que los iones tendrían más tiempo para acelerar en el caso de gran altitud, podría resultar más eficiente. Es sorprendente que nadie haya probado esto a fondo en una cámara de vacío todavía.

Lo que ha escrito podría aplicarse a un motor de iones en el vacío, pero la ecuación dada para el ionocraft se aplica al aire denso donde el camino libre medio para los iones es muy corto (del orden de micras) y, por lo tanto, los iones nunca acumulan una gran cinética. energía. El proceso es más una difusión impulsada por un campo eléctrico que una aceleración, por lo que incluso si utilizó una diferencia de potencial de 100 kV, la velocidad de los iones; su velocidad de deriva se mantendrá en el rango de metros por segundo. El empuje proviene del impulso que se transfiere a todos los átomos neutros.
Esta sección del artículo de Wikipedia vinculado en la pregunta explica esto un poco.
Lo que escribí se aplica a resultados reales experimentando con propulsión iónica en el aire durante 19 años, en su mayoría a tiempo completo. También soy el inventor de la aeronave autónoma impulsada por iones, los videos están en Google. Un gran número de partículas cargadas continúan debajo de las ionoartes, aunque son de corta duración y rara vez se mencionan en la literatura. El camino de muchas de las partículas es desde el emisor hasta el colector. Tengo razón en que la ecuación aceptada es incorrecta. La propulsión de iones en el aire se correlaciona mucho mejor con el voltaje que con la corriente.
El efecto real se correlaciona un poco con la corriente, pero luego cae rápidamente. La gente imagina coronas intensas, pero idealmente es más como un efecto similar a la electrostática de baja temperatura. Es más eficiente con menor corriente.
¿Un ionocraft tendría un desempeño mejor o peor en la atmósfera superior?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v