CN108248808A

CN108248808A - 临近空间电动力贴片

Info

Publication number: CN108248808A
Application number: CN201810023177.1A
Authority: CN
Inventors: 全荣辉; 周凯; 方美华
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2018-01-10
Filing date: 2018-01-10
Publication date: 2018-07-06
Anticipated expiration: 2038-01-10
Also published as: CN108248808B

Abstract

本发明公开了一种临近空间电动力贴片，包括：阳极丝线、阴极丝线、阳极基座、阴极基座、绝缘贴片、上绝缘片、下绝缘片和绝缘铆钉。本发明的有益效果为：(1)电动力贴片可以黏附在低速飞行器外层，不需要像螺旋桨一样独立的空间，而且随着黏附面积增加，推力增大，特别适用平流层飞艇等大型低速飞行器；(2)在20km至50km高度以内，随着高度增加，相同电压的电动力贴片推力会不断增加；(3)电动力贴片无机械运动，无噪声，红外可见度低；(4)电动力贴片与现有高空螺旋桨等推进装置相比，重量更轻，设计更为简单，无转动扭矩平衡要求。

Description

临近空间电动力贴片

技术领域

本发明涉及临近空间低速飞行器动力技术领域，尤其是一种临近空间电动力贴片。

背景技术

目前临近空间低速飞行器的动力途径主要包含以下几个方面：(1)螺旋桨动力：其特点是采用大桨径的螺旋桨，以通电或燃料供能方式，在20km高度附近获取较大推力，例如高空飞艇的螺旋桨；主要优点是推力大，可以达到几千牛以上，主要缺点是噪声较大，而且随着高度近一步增加，大气密度下降，螺旋桨所提供的动力迅速下降；(2)风动力：其特点是利用临近空间大气风场，由大气风场形成动力，例如热气球或平流层气球；主要优点是无需消耗额外能量，主要缺点是无法主动控制，因而很难完全抵消大气风场影响；(3)喷气动力：其特点是利用气体燃烧膨胀或加热膨胀喷射出去，形成较强动力，多应用于高速飞行器，例如冲压发动机等；主要优点是可以形成强劲的动力，例如达到几万牛推力，而且便于控制，主要缺点是推力下限高，通常都是几千牛以上，而且需要持续不断消耗燃料，无法维持长时间航行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种临近空间电动力贴片，能够在20km至50km高度使用，应用于平流层飞艇等低速飞行器表面，通过通电电离和加速周围空气而实现动力。

为解决上述技术问题，本发明提供一种临近空间电动力贴片，包括：阳极丝线、阴极丝线、阳极基座、阴极基座、绝缘贴片、上绝缘片、下绝缘片和绝缘铆钉；阳极丝线由阳极基座底部左侧水平导孔引入，从阳极基座左侧竖直导孔穿出，穿过上绝缘片的左侧孔洞，再穿出左绝缘贴片，以半圆弧形弯曲后再依次穿入右绝缘贴片、上绝缘封装片的右侧孔洞，由阳极基座右侧竖直导孔顶部穿入，从阳极基座右侧底部水平导孔穿出；阴极丝线由阴极基座底部左侧水平导孔引入，从阴极基座左侧竖直导孔穿出，穿过上绝缘封装片的左侧孔洞，再穿出左绝缘贴片，以半圆弧形弯曲后再依次穿入右绝缘贴片、上绝缘封装片的右侧孔洞，由阴极基座右侧竖直导孔顶部穿入，从阴极基座右侧底部水平导孔穿出；当阳极基座和阴极基座圆管从上绝缘片穿出时，绝缘贴片套接在阳极基座和阴极基座圆管上，上绝缘片和下绝缘片通过绝缘铆钉与阳极基座和阴极基座固定。

优选的，阳极基座为中空结构，底部为水平条形，左侧留有一中空线孔，连接到左侧中空的竖直圆管，基座左侧上部为竖直圆管形，阳极丝线从中穿出，在顶部保持与底部垂直；阳极基座右侧与左侧结构对称，在右侧上部有竖直的中空圆管，与右侧底部中空线孔相接，阳极丝线从中穿出；阴基基座与阳极基座结构相同。

优选的，绝缘贴片为圆环形，一共有4个。

优选的，上绝缘片为四方形，中间留有4个小孔，上绝缘片套接阳极基座和阴极基座后与下绝缘片相黏连；下绝缘片与上绝缘片结构相同。

优选的，绝缘铆钉一共有8个，上绝缘片和下绝缘片的四角各有一个绝缘铆钉封装贴片，阳极基座和阴极基座各有2个绝缘铆钉固定位置。

优选的，阳极基座和阴极基座各有1个绝缘铆钉固定位置，在阴极基座和阳极基座之间增加固定位置用的绝缘铆钉。

一种临近空间电动力贴片，包括：阳极丝线、阴极丝线、阳极基座、阴极基座、绝缘贴片、上绝缘片、下绝缘片和绝缘铆钉；阳极丝线和阴极丝线由下绝缘片穿出，与上绝缘片表面保持竖直，在上绝缘层表面高度为1cm-3cm；当阳极基座和阴极基座圆管从上绝缘片穿出时，绝缘贴片套接在阳极基座和阴极基座圆管上，上绝缘片和下绝缘片通过绝缘铆钉与阳极基座和阴极基座固定。

优选的，绝缘铆钉一共有8个，上绝缘片和下绝缘片的四角各有一个绝缘铆钉封装贴片，其他绝缘铆钉位于阴极基座和阳极基座的圆管之间。

本发明的有益效果为：(1)电动力贴片可以黏附在低速飞行器外层，不需要像螺旋桨一样独立的空间，而且随着黏附面积增加，推力增大，特别适用平流层飞艇等大型低速飞行器；(2)在20km至50km高度以内，随着高度增加，相同电压的电动力贴片推力会不断增加；(3)电动力贴片无机械运动，无噪声，红外可见度低；(4)电动力贴片与现有高空螺旋桨等推进装置相比，重量更轻，设计更为简单，无转动扭矩平衡要求。

附图说明

图1为本发明的实施例1中的贴片总装示意图。

图2为本发明的实施例1中的贴片分装示意图。

图3为本发明的实施例1中的阳极基座剖面示意图。

图4为本发明的实施例2中的贴片总装示意图。

图5为本发明的实施例3中的贴片总装示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，实施例1中，阴极丝线101和阳极丝线107为直径0.1mm至1mm的金属丝，如铜丝、不锈钢丝等。根据电动力贴片工作时间需求不同，对于需长时间工作的电动力贴片，阴极丝线和阳极丝线表面可以镀一层金属金，减少在空气中腐蚀。

上绝缘片102，可以是100微米至3mm厚度的绝缘薄膜，如PE或聚四氟乙烯等薄膜，主要用于包裹阴极基座105和阳极基座106；上绝缘片102根据阴极基座105和阳极基座106的圆管有对应的圆孔，使得阴极基座105和阳极基座106顶部能够顺利穿出。

绝缘贴片103，可以与上绝缘片102为同种材料，中心有圆孔，尺寸与阴极基座105和阳极基座106的圆管外径相同；绝缘贴片103底面涂有黏胶，套接上阴极基座105和阳极基座106的圆管后与上绝缘片102相黏连。

电动力贴片的四角绝缘铆钉104贯穿上绝缘贴片102和下绝缘贴片108，用于保持它们的相互位置；电动力贴片中心四个绝缘铆钉贯穿上绝缘贴片102，阴极基座105或阳极基座106，以及下绝缘片108，并且固定它们的相对位置；绝缘铆钉104的材料可以是尼龙等聚合物绝缘材料，高度约2mm至3mm。

阴极基座105和阳极基座106剖面图如图3所示，包括条形底部和圆管型顶部；阴极基座105和阳极基座106组成为PC等材料，可以通过3D打印等工艺完成加工；阴基基座105和阳极基座106底部有两个用于穿过铆钉的通孔，用于固定其相对位置，避免滑动。

下绝缘片108由PE等绝缘材料制作而成，厚度约0.1mm至1mm；根据安装需求，可以在下绝缘片108上下表面涂有黏胶，用于固定上绝缘片102，及与电动力贴片待黏附的物体表面；也可以增加绝缘铆钉104的长度，直接穿过下绝缘片108，固定在其它物体表面。

阴极丝线101和阳极丝线107可以在电动力贴片其它部件均组装好后从阴极基座105和阳极基座106底部圆孔穿入，从顶部圆管穿出，再从另一侧顶部圆管穿入，从另一侧底部圆孔穿出；之后将阴极丝线101通过导线连接高压电源接地端，将阳极丝线107连接高压电源输出端。

实施例2如附图4所示，与实施例1的各部件材料相同，但在结构上实施例2增加了内环的阴极丝线401和阳极丝线407；阴极丝线401和阳极丝线407同样分别从阴极基座405和阳极基座底406部穿入，从它们另一侧穿出；穿过阴极基座405和阳极基座406的绝缘铆钉减少至一个，因此在阴极基座405和阳极基座406之间还增加了固定位置用的绝缘铆钉404。

实施例2中，内环的阴极丝线401和阳极丝线407数目可以根据电动力贴片的尺寸决定，阴极丝线401或阳极丝线407的内外环之间通常保持1cm至2cm的距离；阴极丝线401内环数可以少于或等于阳极丝线407内环数。

实施例2的接线方式与实施例1相同，阳极丝线407连接高压电源输出端，阴极丝线401连接高压电源接地端。

实施例3如附图5所示，各组成部件的材料与实施例1相同，阴极丝线501和阳极丝线507由下绝缘层508底部穿入，经阴极基座504和阳极基座505后，从上绝缘层506穿出，与上绝缘层表面保持竖直，在上绝缘层表面高度为1mm至3cm；阴极基座504和阳极基座505左右两侧不再有引线孔，而是由顶部圆管竖直贯穿底部，形成通孔；绝缘铆钉503除了位于贴片四角不变外，其它绝缘铆钉的位置位于阴极基座504和阳极基座505的圆管之间。

实施例3的接线方式与实施例1相同，阳极丝线507连接高压电源输出端，阴极丝线501连接高压电源接地端。

将电动力贴片如实施例1组装完毕，将阴极丝线101通过导线连接高压电源接地端，将阳极丝线107连接高压电源输出端；接通高压电源，根据临近空间高度不同，从20km至50km，当施加的电压达到600V至1200V时，在上绝缘片102的阳极丝线107圆弧段表面将发生电晕放电现象；此时由于施加偏压较弱，电晕放电电流较小，根据107阳极丝圆弧段长度不同，在0.1mA至10mA变化；提升高压电源的供电电压至10kV附近，此时阳极丝线107所产生的电晕放电电离区近一步扩大，但未达到阴极丝线101；电晕放电所产生的气体离子离开电离区后向阴极丝漂移；若无中性气体分子参与，气体离子被阴极丝线101和阳极丝线107之间所产生的电场加速，三者合力为零，大量气体离子最终被阴极丝所吸附，因此此时电动力贴片不产生推力；由于在临近空间电晕放电产生气体离子同时，仍有大量的中性气体分子存在，气体分子在阴极丝线101和阳极丝线107之间被气体离子碰撞加速，最终飞离电动力贴片，此时气体离子、阴极丝线101和阳极丝线107三者合力不为零，存在向前的推力，该推力大小与阴极丝线101和阳极丝线107之间气体离子电荷密度与电场强度乘积对空间积分；根据实验结果，在低气压2Torr附件(对应40km高度)，随偏压不同，弧长20cm的阴极丝和阳极丝可以产生大约量级0.1mN至10mN的推力；当改用实施例2增加电离和电场强度时，电动力贴片可以产生更大的推力；以平流层飞艇为例，若在几千平米的气囊表面上使用电动力贴片，预期可以产生量级100N至1kN的推力，用于抵消临近空间风场的影响或作为慢速移动的动力。该动力随着平流层飞艇高度增加不会下降，而且无需消耗推进燃料，无机械噪声，具有良好的应用前景。

本发明的工作原理是：空气流经阳极丝线附近发生电晕电离，产生的离子受到阴极丝线吸引而向阴极丝线运动，在该运动过程中通过碰撞加速中性气体分子而在贴片的阳极丝线和阴极丝线所产生的电场力合力不为零，最终使得贴片产生推力效果。

本发明的电动力贴片可以黏附在低速飞行器外层，不需要像螺旋桨一样独立的空间，而且随着黏附面积增加，推力增大，特别适用平流层飞艇等大型低速飞行器；在20km至50km高度以内，随着高度增加，相同电压的电动力贴片推力会不断增加；电动力贴片无机械运动，无噪声，红外可见度低；电动力贴片与现有高空螺旋桨等推进装置相比，重量更轻，设计更为简单，无转动扭矩平衡要求。

Claims

1.一种临近空间电动力贴片，其特征在于，包括：阳极丝线、阴极丝线、阳极基座、阴极基座、绝缘贴片、上绝缘片、下绝缘片和绝缘铆钉；阳极丝线由阳极基座底部左侧水平导孔引入，从阳极基座左侧竖直导孔穿出，穿过上绝缘片的左侧孔洞，再穿出左绝缘贴片，以半圆弧形弯曲后再依次穿入右绝缘贴片、上绝缘封装片的右侧孔洞，由阳极基座右侧竖直导孔顶部穿入，从阳极基座右侧底部水平导孔穿出；阴极丝线由阴极基座底部左侧水平导孔引入，从阴极基座左侧竖直导孔穿出，穿过上绝缘封装片的左侧孔洞，再穿出左绝缘贴片，以半圆弧形弯曲后再依次穿入右绝缘贴片、上绝缘封装片的右侧孔洞，由阴极基座右侧竖直导孔顶部穿入，从阴极基座右侧底部水平导孔穿出；当阳极基座和阴极基座圆管从上绝缘片穿出时，绝缘贴片套接在阳极基座和阴极基座圆管上，上绝缘片和下绝缘片通过绝缘铆钉与阳极基座和阴极基座固定。

2.如权利要求1所述的临近空间电动力贴片，其特征在于，阳极基座为中空结构，底部为水平条形，左侧留有一中空线孔，连接到左侧中空的竖直圆管，基座左侧上部为竖直圆管形，阳极丝线从中穿出，在顶部保持与底部垂直；阳极基座右侧与左侧结构对称，在右侧上部有竖直的中空圆管，与右侧底部中空线孔相接，阳极丝线从中穿出；阴基基座与阳极基座结构相同。

3.如权利要求1所述的临近空间电动力贴片，其特征在于，绝缘贴片为圆环形，一共有4个。

4.如权利要求1所述的临近空间电动力贴片，其特征在于，上绝缘片为四方形，中间留有4个小孔，上绝缘片套接阳极基座和阴极基座后与下绝缘片相黏连；下绝缘片与上绝缘片结构相同。

5.如权利要求1所述的临近空间电动力贴片，其特征在于，绝缘铆钉一共有8个，上绝缘片和下绝缘片的四角各有一个绝缘铆钉封装贴片，阳极基座和阴极基座各有2个绝缘铆钉固定位置。

6.如权利要求1所述的临近空间电动力贴片，其特征在于，阳极基座和阴极基座各有1个绝缘铆钉固定位置，在阴极基座和阳极基座之间增加固定位置用的绝缘铆钉。

7.一种临近空间电动力贴片，其特征在于，包括：阳极丝线、阴极丝线、阳极基座、阴极基座、绝缘贴片、上绝缘片、下绝缘片和绝缘铆钉；阳极丝线和阴极丝线由下绝缘片穿出，与上绝缘片表面保持竖直，在上绝缘层表面高度为1cm-3cm；当阳极基座和阴极基座圆管从上绝缘片穿出时，绝缘贴片套接在阳极基座和阴极基座圆管上，上绝缘片和下绝缘片通过绝缘铆钉与阳极基座和阴极基座固定。

8.如权利要求7所述的临近空间电动力贴片，其特征在于，绝缘铆钉一共有8个，上绝缘片和下绝缘片的四角各有一个绝缘铆钉封装贴片，其他绝缘铆钉位于阴极基座和阳极基座的圆管之间。