Природные ресурсы, на которых работают почти все ныне существующие двигатели, небесконечны, и при их использовании в воздух выделяются вредные вещества, что вредит окружающей экосистеме. Данный проект направлен на решение этой проблемы путем создания двигателя, использующего гораздо меньшее количество топлива при большем КПД и способного работать несколько лет без остановки [1].

История ионных двигателей начинается с экспериментов по изучению электростатических сил и их взаимодействия с воздухом. Один из первых ученых, кто обратил внимание на этот эффект, был Томас Таунсенд Браун. Его исследования привели к созданию так называемого «эффекта Бифельда-Брауна», который предполагал, что под воздействием высокого напряжения между двумя разнозаряженными пластинами можно достичь направленного движения объекта [2].

Двигатель на ионном ветре представляет собой инновационную технологию, которая использует электростатические силы для создания тяги. В отличие от традиционных двигателей, таких как поршневые или реактивные, двигатель на ионном ветре не имеет движущихся частей и работает бесшумно [3]. Это делает его привлекательным для множества отраслей, начиная от авиации и заканчивая системами вентиляции и кондиционирования воздуха.

Он состоит из коронарного и коллекторного электродов (эмиттера и коллектора), источник тока и высоковольтный усилитель напряжения.

Эмиттер является ключевым компонентом двигателя на ионном ветре. Он создает высокое напряжение, которое используется для ионизации воздуха. Обычно этот электрод выполнен в виде тонкого провода или иглы, которые способствуют концентрации электрического поля в небольшой области. Высокая плотность электрического поля вокруг коронарного электрода приводит к тому, что молекулы воздуха начинают терять электроны и становятся положительно заряженными ионами.

Рецептор служит для сбора заряженных ионов и завершения электрической цепи. Обычно он выполнен в виде металлической пластины или сетки, заземленной или подключенной к источнику низкого потенциала. Заряженные ионы движутся по направлению к коллекторному электроду, сталкиваясь с нейтральными молекулами воздуха и передавая им свою энергию.

Для создания высокого напряжения между коронарным и коллекторным электродами требуется специальный источник питания. Это может быть преобразователь постоянного тока в высоковольтное напряжение или другой тип устройства, способного генерировать необходимый уровень напряжения. Высокое напряжение необходимо для обеспечения достаточной ионизации воздуха и создания направленного потока заряженных частиц.

Процесс ионизации воздуха заключается в том, что электрическое поле ускоряет электроны, которые ионизируют молекулы воздуха, создавая поток положительных ионов. На выходе ионы нейтрализуются, а их движение в одном направлении создаёт реактивную тягу.

Ознакомившись с концепцией электростатики, взаимодействия зарядов и поведения ионов в электрическом поле, я решил протестировать принцип работы коронного разряда для получения ионного ветра.

За основу тестового устройства были взяты два отрезка полипропиленовой трубы, диаметром 32 и 25 мм, в первой трубе было проделано несколько сквозных отверстий для монтажа медной жилы от кабеля 0,75мм.

Во второй отрезок трубы монтировалось полотно от ножовки по металлу сложенной в колено, после чего оба отрезка трубы были соосно закреплены на деревянной подставке с помощью термоклея.

В ходе сборки тестового образца, при помощи паяльника были соединены компоненты цепи с соблюдением полярности.

Перед проведением первого запуска устройства в целях безопасности использовались средства индивидуальной защиты. При проведении теста, удалось получить коронный разряд, который формировался неравномерно в связи с чем тестовая салфетка откланялась незначительно.

В ходе создания 3D-модели, из цилиндра был создан диффузор путем масштабирования и вычитании геометрии одного объекта из другого, после чего готовая модель дублировалась и масштабировалась относительно оригинала. После применения масштаба центры окружностей каждой модели лежали на одной прямой, затем к каждой модели добавилась вертикальная стойка в виде прямоугольной балки, также на одинаковый уровень (для обеспечения соосности деталей на постаменте).

На этом этапе модели были экспортированы в формат STL и загружались в программу слайсер для нарезки модели на слои перед печатью (рисунок 1).

Рис. 1. Тестовый макет ионного двигателя

Перед началом сборки необходимо провести металлизацию одного из диффузоров, для равномерного распределения электрического заряда.

Для это необходимо покрыть заготовку токопроводящим графитовым лаком, после чего к ней будет подключен отрицательный контакт от батарейки 9V.

Положительный контакт крепится к медному электроду, после чего заготовка и электрод помещаются в раствор медного купороса и лимонной кислоты.

В ходе процесса металлизации заготовку необходимо периодически перемещать внутри раствора, для равномерного покрытия медью.

После процесса металлизации заготовку промываем в растворе пищевой соды и воды для деактивации электролита.

Во второй диффузор устанавливается медная лента предварительно отрезанная по длине внутренней окружности и с одной стороны имеющая надрезы в виде треугольников, для формирования на их вершинах коронарного разряда.

Диффузоры устанавливаются на основание в одну линию, после чего к ним подводятся провода электродов от повышающего модуля.

С помощью паяльника припаиваются к токопроводящей поверхности каждого из диффузоров.

Далее по схеме подключаются остальные компоненты электронной цепи с соблюдением полярности.

В ходе выполнения данного проекта были приобретены навыки работы в следующих сферах: 3D-моделирование в программе TinkerCAD, создания электрической цепи при помощи пайки, равномерное распределение электрического заряда методом металлизации. Были созданы: 3D-модель электрической цепи и тестовый макет ионного двигателя (рисунок 2).

Рис. 2. Тестовый макет ионного двигателя

Литература:

1. Гиберт, В. Моделирование будущего / В. Гиберт. — М.: АСТ, 2021. — 320c.
2. Морозов А. И. «Физические основы космических электрореактивных двигателей». — М.: Атомиздат, 1978.
3. Электростатический двигатель — экспериментальные решения по изготовлению моделей действующих двигателей — URL: https://school-science.ru/8/22/42591