आयन-चालित विमान

एक आयन-चालित विमान या हवाई जहाज एक ऐसा विमान है जो विद्युत दहन या चलने वाले भागों की आवश्यकता के बिना वायु में भारोत्तोलक (बल) या दबाब प्रदान करने के लिए विद्युतद्रवगतिकी (ईएचडी) का उपयोग करता है। वर्तमान डिजाइन मानवयुक्त उड़ान या उपयोगी भार के लिए पर्याप्त बल नहीं देते हैं।

उत्पत्ति
कोरोना-जनित आवेशित कणों के साथ आयनिक पवन प्रणोदन के सिद्धांत की खोज विद्युत की खोज के तुरंत बाद की गई थी, जिसका सन्दर्भ 1709 में फ्रांसिस हॉक्सबी द्वारा विभिन्न विषयों पर भौतिक-यांत्रिक प्रयोग नामक पुस्तक में दिया गया था।

वीटीओएल भारोत्तोलक प्रयोग
अमेरिकी प्रयोगकर्ता थॉमस टाउनसेंड ब्राउन ने अपने जीवन का ज्यादातर समय सिद्धांत पर काम करते हुए व्यतीत किया, इस भ्रांतिपूर्ण धारणा के अनुसार कि यह एक गुरुत्वाकर्षण-विरोधी प्रभाव था, जिसे उन्होंने बीफेल्ड-ब्राउन प्रभाव का नाम दिया। चूंकि उनके उपकरणों ने गुरुत्वाकर्षण की दिशा की परवाह किए बिना क्षेत्र ढाल की दिशा में दबाब दिया, और निर्वात में काम नहीं किया, अन्य श्रमिकों ने महसूस किया कि यह प्रभाव ईएचडी के कारण था।

वीटीओएल आयन-चालित विमान को कभी-कभी भारोत्तोलक कहा जाता है। प्रारंभिक उदाहरण प्रति वाट लगभग एक ग्राम वजन उठाने में सक्षम थे, यह आवश्यक भारी उच्च-वोल्टेज विद्युत आपूर्ति को उठाने के लिए अपर्याप्त था, जो जमीन पर बनी हुई थी और लंबे, पतले और लचीले तारों के माध्यम से हवाई जहाज की आपूर्ति करती थी।

1950 और 1960 के दशक में अमेरिकी विमान डिजाइनर मेजर अलेक्जेंडर प्रोकोफीफ डी सेवरस्की द्वारा भारोत्तोलक के लिए ईएचडी प्रणोदन के उपयोग का अध्ययन किया गया था। उन्होंने 1959 में एक आयनोक्राफ्ट के लिए एकस्वीकृत दायर किया। उन्होंने एक मॉडल वीटीओएल आयनोक्राफ्ट बनाया और उड़ाया, जो विभिन्न क्षेत्रों में लगाए गए वोल्टेज को अलग-अलग क्षेत्रों में घुमाने में सक्षम था, हालांकि भारी विद्युत आपूर्ति बाहरी बनी रही।

2008 पंखहीन विद्युत चुम्बकीय एयर व्हीकल (डब्ल्यूईएवी), एक तश्तरी के आकार का ईएचडी भारोत्तोलक है, जिसकी पूरी सतह पर विद्युतद्वार लगे हुए हैं, का अध्ययन फ्लोरिडा विश्वविद्यालय में सुब्रत रॉय (वैज्ञानिक) के नेतृत्व में शोधकर्ताओं की एक टीम ने बीस के पहली शताब्दी के प्रारंभिक भाग में किया था। उन्होंने 1959 में एक आयनोक्राफ्ट के लिए एकस्वीकृत दायर किया। प्रणोदन प्रणाली ने आयनीकरण दक्षता बढ़ाने के लिए चुंबकीय क्षेत्र के उपयोग सहित कई नवाचारों को नियोजित किया। बाहरी आपूर्ति वाले मॉडल ने न्यूनतम लिफ्ट-ऑफ और होवर हासिल किया।

ऑनबोर्ड पावर
इक्कीसवीं सदी की विद्युत आपूर्ति हल्की और अधिक कुशल है। 2006 में इलेक्ट्रॉन एयर के एथन क्रॉस द्वारा विकसित पहला आयन-चालित विमान अपने स्वयं के ऑनबोर्ड विद्युत आपूर्ति का उपयोग करके उड़ान भरने और उड़ान भरने वाला एक वीटीओएल हवाई जहाज था। उनका एकस्वीकृत आवेदन 2014 में दायर किया गया था, और उन्हें 2017 में स्टारडस्ट स्टार्टअप्स द्वारा अपनी परियोजना का समर्थन करने के लिए माइक्रोग्रांट से सम्मानित किया गया था। हवाई जहाज ने तेजी से उठने या कई मिनटों के लिए क्षैतिज रूप से उड़ान भरने के लिए पर्याप्त दबाब विकसित किया।

नवंबर 2018 में पहला स्व-निहित आयन-चालित स्थिर -पंख हवाई जहाज, एमआईटी ईएडी एयरफ्रेम संस्करण 2 ने 60 मीटर की उड़ान भरी। यह मैसाचुसेट्स की तकनीकी संस्था से स्टीवन बैरेट के नेतृत्व में छात्रों की एक टीम द्वारा विकसित किया गया था। इसका पंख 5 मीटर लंबा था और इसका वजन 2.45 किलोग्राम था। विमान को एक इलास्टिक बैंड का उपयोग करके गुलेल से प्रक्षेपित किया गया था, जिसमें ईएडी प्रणाली निम्न स्तर पर उड़ान में विमान को बनाए रखती थी।

संचालन के सिद्धांत
आयन (भौतिकी) वायु प्रणोदन बिना किसी गतिमान पुर्जों के विद्युत ऊर्जा के माध्यम से वायु का प्रवाह बनाने की एक तकनीक है। इस वजह से इसे कभी-कभी सॉलिड-स्टेट ड्राइव के रूप में वर्णित किया जाता है। यह विद्युतद्रवगतिकी के सिद्धांत पर आधारित है।

अपने मूल रूप में, इसमें दो समानांतर (ज्यामिति) विद्युत चालन इलेक्ट्रोड, एक अग्रणी उत्सर्जक तार और एक अधः प्रवाह संग्राहक होते हैं। जब ऐसी व्यवस्था उच्च वोल्टेज (किलोवोल्ट प्रति मिमी की सीमा में) द्वारा संचालित होती है, तो उत्सर्जक आयनीकरण अणु वायु में होते हैं जो संग्राहक को पीछे की ओर गति करते हैं, प्रतिक्रिया में दबाब पैदा करते हैं। मार्ग में, ये आयन विद्युत रूप से तटस्थ वायु के अणुओं से टकराते हैं और बदले में उन्हें गति देते हैं।

प्रभाव प्रत्यक्ष रूप से विद्युत ध्रुवता पर निर्भर नहीं है, क्योंकि आयन धनात्मक या ऋणात्मक रूप से आवेशित हो सकते हैं। विद्युतद्वार की ध्रुवीयता को व्युत्क्रम करने से गति की दिशा में परिवर्तन नहीं होता है, क्योंकि यह आवेशित करने वाले आयनों की ध्रुवीयता को भी व्युत्क्रम कर देता है। दबाब एक ही दिशा में, किसी भी तरह से उत्पन्न होता है। धनात्मक कोरोना के लिए, नाइट्रोजन आयन प्रारंभ में बनाए जाते हैं, जबकि नकारात्मक ध्रुवीयता के लिए, ऑक्सीजन आयन प्रमुख प्राथमिक आयन होते हैं। यह मैसाचुसेट्स की तकनीकी संस्था से स्टीवन बैरेट के नेतृत्व में छात्रों की एक टीम द्वारा विकसित किया गया था। इन दोनों प्रकार के आयन किसी भी संकेत का, जो आवेश वाहकों के रूप में कार्य करता है आणविक क्लस्टर-आयन बनाने के लिए विभिन्न प्रकार के वायु अणुओं को तुरंत आकर्षित करते हैं ।

वर्तमान ईएचडी थ्रस्टर पारंपरिक इंजनों की तुलना में बहुत कम कुशल हैं। एक एमआईटी शोधकर्ता ने नोट किया कि आयन थ्रस्टर्स में पारंपरिक जेट इंजनों की तुलना में कहीं अधिक कुशल होने की क्षमता है।

शुद्ध आयन थ्रस्टर रॉकेट के विपरीत, विद्युतद्रवगतिकी सिद्धांत अंतरिक्ष के निर्वात में लागू नहीं होता है।

इलेक्ट्रोहाइड्रोडायनामिक्स
ईएचडी उपकरण द्वारा उत्पन्न थ्रस्ट बीफेल्ड-ब्राउन प्रभाव का एक उदाहरण है और इसे चाइल्ड-लैंगमुइर समीकरण के संशोधित उपयोग के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है।

एक सामान्यीकृत एक आयामी उपचार समीकरण देता है:

$$F = \frac{Id}{k} $$ जहाँ
 * F परिणामी बल है।
 * I विद्युत धारा है।
 * d वायु का अंतर है।
 * k कार्यशील द्रव की आयन गतिशीलता है, जिसे SI इकाइयों में A s2 kg−1 में मापा जाता है, लेकिन सामान्यतः इसे m2 V−1 s−1 की इकाइयों में वर्णित किया जाता है। सतह के दबाव और तापमान पर वायु के लिए एक विशिष्ट मूल्य 1.5×10-4 एम2 वी-1 एस-1) है।

जैसा कि वायु जैसे गैस पर लागू होता है, सिद्धांत को विद्युतद्रवगतिकी (ईएडी) के रूप में भी जाना जाता है।

जब आयनक्राफ्ट चालू होता है, तो कोरोना तार उच्च वोल्टेज से आवेशित हो जाता है, सामान्यतः 20 से 50 किलोवोल्ट के बीच आवेशित हो जाता है। जब कोरोना तार लगभग 30 kV तक पहुँच जाता है, तो यह आस-पास के वायु अणुओं को उनके इलेक्ट्रॉनों को अलग करके आयनित कर देता है। जैसा कि ऐसा होता है, आयन एनोड से पीछे हट जाते हैं और संग्राहक की ओर आकर्षित होते हैं, जिससे ज्यादातर आयन संग्राहक की ओर तेजी से बढ़ते हैं। ये आयन एक स्थिर औसत वेग से यात्रा करते हैं जिसे प्रवाह वेग कहा जाता है। ऐसा वेग टक्करों, बाहरी विद्युत क्षेत्र की ताकत, और आयनों और तटस्थ वायु अणुओं के द्रव्यमान के बीच औसत मुक्त पथ पर निर्भर करता है।

तथ्य यह है कि धारा एक कोरोना डिस्चार्ज (और एक कसकर सीमित विद्युत चाप नहीं) द्वारा ले जाया जाता है, इसका तात्पर्य यह है कि गतिमान कण एक विस्तारित आयन बादल में प्रसारित हो जाते हैं, और तटस्थ वायु अणुओं के साथ अधिकांशतः टकराते हैं। ये टकराव हैं जो दबाब पैदा करते हैं। आयन बादल की गति आंशिक रूप से तटस्थ वायु अणुओं पर प्रदान की जाती है, जिसके साथ यह टकराता है, क्योंकि वे तटस्थ होते हैं, दूसरे विद्युतद्वार पर वापस नहीं जाते हैं। इसके अतिरिक्त वे तटस्थ वायु बनाते हुए उसी दिशा में यात्रा करना जारी रखते हैं। चूंकि इन तटस्थ अणुओं को आयनोक्राफ्ट से बाहर निकाला जाता है, इसलिए न्यूटन के गति के नियमों के साथ सहमति होती है न्यूटन का तीसरा नियम|न्यूटन का गति का तीसरा नियम, समान और विपरीत बल, इसलिए आयनोक्राफ्ट एक समान बल के साथ विपरीत दिशा में चलता है। लगाया गया बल एक कोमल वायु के बराबर है। ये आयन एक स्थिर औसत वेग से यात्रा करते हैं जिसे प्रवाह वेग कहा जाता है। परिणामी थ्रस्ट वायु के दबाव और तापमान, गैस संरचना, वोल्टेज, आर्द्रता और वायु अंतर दूरी सहित अन्य बाहरी कारकों पर निर्भर करता है।

विद्युतद्वार के बीच की अंतराल में वायु द्रव्यमान उच्च प्रवाह वेग पर चलने वाले उत्तेजित कणों द्वारा बार-बार प्रभावित होता है। यह विद्युत प्रतिरोध पैदा करता है, जिसे दूर किया जाना चाहिए। प्रक्रिया में पकड़ी गई तटस्थ वायु का अंतिम परिणाम प्रभावी रूप से गति में विनिमय का कारण बनता है और इस प्रकार दबाब पैदा करता है। वायु जितनी भारी और सघन होती है, परिणामी दबाब उतना ही अधिक होता है।

विमान विन्यास
पारंपरिक प्रतिक्रिया थ्रस्ट के साथ, ईएडी थ्रस्ट को एक निश्चित-पंख वाले हवाई जहाज को शक्ति देने के लिए क्षैतिज रूप से निर्देशित किया जा सकता है या एक संचालित लिफ्ट क्राफ्ट का समर्थन करने के लिए लंबवत रूप से निर्देशित किया जा सकता है, जिसे कभी-कभी "भारोत्तोलक " कहा जाता है।

डिजाइन
आयन प्रणोदन प्रणाली के प्रणोद उत्पन्न करने वाले घटकों में तीन भाग होते हैं; एक कोरोना या एमिटर वायर, एक एयर गैप और एमिटर से एक संग्राहक वायर या स्ट्रिप डाउनस्ट्रीम। एक हल्का इंसुलेटिंग फ्रेम व्यवस्था का समर्थन करता है। एमिटर और संग्राहक को एक दूसरे के जितना संभव हो उतना करीब होना चाहिए, यानी एक संकीर्ण वायु के अंतराल के साथ, संतृप्त कोरोना वर्तमान स्थिति को प्राप्त करने के लिए जो अधिकतम दबाब पैदा करता है। हालाँकि, यदि एमिटर संग्राहक के बहुत करीब है, तो यह गैप को स्पार्क करता है।

आवश्यक उच्च वोल्टेज के कारण आयन प्रणोदन प्रणालियों को कई सुरक्षा सावधानियों की आवश्यकता होती है।

उत्सर्जक
एमिटर तार सामान्यतः उच्च वोल्टेज विद्युत आपूर्ति के धनात्मक टर्मिनल से जुड़ा होता है। वायु अन्तराल की चौड़ाई सामान्यतः 1 मिमी / केवी है। सामान्यतः, यह एक छोटे गेज के नग्न प्रवाहकीय तार से बनाया जाता है। जबकि तांबे के तार का उपयोग किया जा सकता है, यह स्टेनलेस स्टील के साथ-साथ काम नहीं करता है। इसी तरह, 44 या 50 अमेरिकी वायर गेज़ जैसे पतले तार अधिक सामान्य, बड़े आकार जैसे 30 गेज से बेहतर प्रदर्शन करते हैं, क्योंकि छोटे व्यास के तार के चारों ओर मजबूत विद्युत क्षेत्र के परिणामस्वरूप कम आयनीकरण शुरुआत वोल्टेज और पीक के नियम द्वारा वर्णित एक बड़ा कोरोना धारा होता है।

उत्सर्जक को कभी-कभी कोरोना तार के रूप में संदर्भित किया जाता है क्योंकि उपयोग में बैंगनी कोरोना निर्वहन चमक को उत्सर्जित करने की प्रवृत्ति होती है। ये आयन एक स्थिर औसत वेग से यात्रा करते हैं जिसे प्रवाह वेग कहा जाता है। यह केवल आयनन का एक पार्श्व प्रभाव है।

वायु अन्तराल
वायु का अन्तराल दो इलेक्ट्रोडों को अवरोधित करता है और संग्राहक पर अपना आवेशित खोने से पहले उत्सर्जक पर उत्पन्न आयनों को तटस्थ वायु के अणुओं में गति को तेज करने और स्थानांतरित करने की अनुमति देता है। वायु अन्तराल की चौड़ाई सामान्यतः 1 मिमी / केवी है।

संग्राहक
संग्राहक को कोरोना तार के नीचे एक चिकनी सुसज्जित सतह प्रदान करने के लिए आकार दिया गया है। इसके विभिन्न रूपों में एक तार की जाली, समानांतर प्रवाहकीय ट्यूब, या एक चिकनी, गोल किनारे वाली एक पन्नी स्कर्ट सम्मिलित है। स्कर्ट पर नुकीले किनारे प्रदर्शन को नीचा दिखाते हैं, क्योंकि यह थ्रस्ट यंत्रविन्यास के अंतर्गत विपरीत ध्रुवता के आयन उत्पन्न करता है।

यह भी देखें

 * हॉल-इफेक्ट थ्रस्टर
 * आयन थ्रस्टर
 * मैग्नेटोप्लाज्माडायनामिक थ्रस्टर
 * प्लाज्मा एक्ट्यूएटर

अग्रिम पठन

 * DR Buehler, Exploratory Research on the Phenomenon of the Movement of High Voltage Capacitors. Journal of Space Mixing, 2004
 * FX Canning, C Melcher, E Winet, Asymmetrical Capacitors for Propulsion. 2004.
 * GVi Stephenson The Biefeld Brown Effect and the Global Electric Circuit. AIP Conference Proceedings, 2005.
 * DR Buehler, Exploratory Research on the Phenomenon of the Movement of High Voltage Capacitors. Journal of Space Mixing, 2004
 * FX Canning, C Melcher, E Winet, Asymmetrical Capacitors for Propulsion. 2004.
 * GVi Stephenson The Biefeld Brown Effect and the Global Electric Circuit. AIP Conference Proceedings, 2005.

बाहरी संबंध

 * Electrostatic Antigravity on NASA's "Common Errors in propulsion" page
 * NASA: Asymmetrical Capacitors for Propulsion

Propulsion électrocinétique