CN111350643B - 小型离子风电推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型离子风电推进装置，包括高压电源、绝缘基座、固定于绝缘基座上且沿竖向、相对设置的电离电极和接地电极，电离电极和接地电极通过高压导线分别与高压电源的高压输出端、接地端相连；电离电极包括第一金属框架及固定设置于第一金属框架内的金属片栅网，金属片栅网上固定设有金属基碳纳米管垂直阵列，并使得金属基碳纳米管垂直阵列与第一金属框架电学导通；接地电极包括第二金属框架及固定设置于第二金属框架内的金属栅网。本发明可以大幅度提高空气电离效率，整体尺寸可以缩小到10cm量级，可在大气中应用。

Description

小型离子风电推进装置

技术领域

本发明涉及低速飞行器动力设备，特别是涉及一种在大气中采用电源驱动的小型离子风电推进装置。

背景技术

目前，离子风电推进装置主要依靠电离加速空气而形成动力。当大气流经离子风装置高压电极附近时中性气体分子被电离，电离所产生的离子在电场作用下向接地端漂移，在漂移过程中碰撞和加速大气中性分子，进而形成推力，推力大小与电极之间的电荷密度及电场强度相关。目前常规离子风电推进装置采用的高压电极主要为半径1mm以下的金属导线作为电离电极，采用金属片或金属丝作为接地极。由于单根导线所电离的大气中性分子有限，所产生推力约为50mN/m，因此为达到100mN以上推力，离子风电推进装置通常较为庞大，由多根长达1米以上的金属导线并联形成，推进装置截面积多在1平方米以上，所占空间较大，而且推力弱小，导致常规离子风推进装置实用性较差。

发明内容

发明目的：针对常规离子风电推进装置大尺寸限制，本发明的目的是提供一种小型离子风电推进装置，以碳纳米管垂直阵列为电极，可以大幅度提高空气电离效率，整体尺寸可以缩小到厘米量级，可在大气中应用。

技术方案：本发明的小型离子风电推进装置包括高压电源、绝缘基座、固定于绝缘基座上且沿竖向、相对设置的电离电极和接地电极，电离电极和接地电极通过高压导线分别与高压电源的高压输出端、接地端相连；电离电极包括第一金属框架及固定设置于第一金属框架内的金属片栅网，金属片栅网上固定设有金属基碳纳米管垂直阵列，并使得金属基碳纳米管垂直阵列与第一金属框架电学导通；接地电极包括第二金属框架及固定设置于第二金属框架内的金属栅网。

其中，金属框架起固定作用，金属栅网为接地电极收集离子形成闭合回路；第一金属框架即为电离电极金属框架，第二金属框架即为接地电极金属框架。电离电极的第一金属框架可为四方形金属边框结构，第一金属框架可通过螺丝固定在绝缘基座上；电离电极的金属片栅网由多个金属片相互嵌套而成，为多孔结构，金属基碳纳米管垂直阵列固定于金属片上；第二金属框架可为环状或四方形金属边框结构，通过螺丝固定绝缘基座，由导线连通高压电源接地端；金属栅网为金属丝或金属片编织成的网状结构，焊接在第二金属框架上。

进一步地，金属片栅网由多个金属片相互嵌套而成，金属基碳纳米管垂直阵列固定于金属片上，金属片的数量可根据实际推力需要进行设计确定；金属栅网为由金属丝或金属片编织成的网状结构。金属片栅网和金属栅网的固定方式可采用焊接固定在金属框架内。由于现有技术中的金属基碳纳米管垂直阵列均为厘米量级，即长度为几个厘米的小块，因此该固定方式可以实现在单位面积内固定相对较多的金属基碳纳米管垂直阵列，增加电离面积，产生更大推力的同时，并且可以减少空气流经电极的阻挡截面积。

优选地，金属片栅网的金属片两侧面上均固定有金属基碳纳米管垂直阵列。

进一步地，所述金属基碳纳米管垂直阵列为铜基或不锈钢基。铜基和不锈钢基为目前制作碳纳米管垂直阵列转移成功率较高材料，而且相比碳布等材料结构更稳定，电离时热传导率高，不易融化。

进一步地，所述高压电源提供10kV以上的正电压或负电压；高压电源的高压输出端通过导线连接电离电极的第一金属框架，导通金属基碳纳米管垂直阵列，使得金属基碳纳米管垂直阵列表面形成较大电场。

进一步地，所述金属基碳纳米管垂直阵列为金属基底片状结构，通过焊接固定在电离电极的金属片栅网的金属片两侧面上。目前，金属基无法直接生长出碳纳米管，故可采用碳基或硅基长出碳纳米管后，转移到金属基上，然后再固定到电离电极金属片上；即金属基底片状结构是指金属基碳纳米管垂直阵列，它是由通过化学或电学方式生长好的碳纳米管垂直阵列通过转移技术，转移到金属基片上，形成金属基碳纳米管垂直阵列。

进一步地，所述高压导线为单芯或多芯导线，且外部包裹有绝缘层，导线连接高压电源与电离电极金属框架和接地电极金属框架。

进一步地，接地电极的竖向尺寸为电离电极竖向尺寸的1～2倍，可以扩大离子扩散面积，同时保持接地电极和电离电极间的电场强度不衰减太多，最终使得推进装置的推力更大。

进一步地，电离电极和接地电极的横向和竖向尺寸均为厘米量级。

优选地，电离电极和接地电极的尺寸均小于10cm。为了使装置尺寸缩小到10cm量级，电离电极和接地电极尺寸均小于10cm，金属基碳纳米管垂直阵列设置的数量根据目标推力而确定，当目标推力需要100mN左右时，可以设置16至20片。

发明原理是：金属基碳纳米管垂直阵列在本发明中主要起到增加电离面积的作用，产生更大推力。空气流经高压碳纳米管垂直阵列表面附近发生大量电离，产生的离子受到电场作用，由电离电极向接地电极运动，在该运动过程中通过碰撞加速中性气体分子使得流经离子风推进装置的空气运动速度增加，最终使得离子风推进装置产生推力效果。

有益效果：本发明与现有技术相比，传统离子风装置主要通过细小的金属导线电离，由于金属导线表面积小，因此电离面积较小，导致电离空气产生的离子数量少，使得要较长的导线才可以形成一定推力。以1米长的直径1mm金属导线为例，电离面积仅为31.4cm²。本发明采用碳纳米管垂直阵列电离空气，以1cm×1cm的碳纳米管垂直阵列为例(碳纳米管高度100um，管密度1.5×10¹³cm^-2，管径10m)，与空气接触的电离面积约为4.71cm²，10片碳纳米管垂直阵列的电离面积比上述1米长的金属导线大，而且可以通过平行排列使得电极尺寸大幅缩小，因此在更小的尺寸下实现常规离子风推进装置的推力幅度。

附图说明

图1是小型离子风电推进装置的整体示意图；

图2是小型离子风电推进装置的电离电极示意图；

图3是小型离子风电推进装置的接地电极示意图。

具体实施方式

下面结合实施例进行进一步地详细描述。本实施例中使用的金属基碳纳米管垂直阵列是通过市售直接购买得到的。

如图1所示，本实施例的小型离子风电推进装置包括高压电源1、绝缘基座、固定于绝缘基座上且沿竖向、相对设置的电离电极2和接地电极3，电离电极2和接地电极3通过高压导线4分别与高压电源1的高压输出端、接地端相连。电离电极2包括第一金属框架5及固定设置于第一金属框架5内的金属片栅网7，金属片栅网7上固定设有金属基碳纳米管垂直阵列9，并使得金属基碳纳米管垂直阵列9与第一金属框架5电学导通；接地电极3包括第二金属框架6及固定设置于第二金属框架6内的金属栅网8。并且，接地电极3的竖向尺寸为电离电极2的竖向尺寸的1～2倍，两者横向尺寸相同。高压导线4为单芯或多芯导线，且外部包裹有绝缘层。

本实施例中，绝缘基座包括绝缘支架和绝缘底座10，绝缘支架包括电离电极绝缘支架11和接地电极绝缘支架12；绝缘底座10由绝缘材料制成，用于固定电离电极绝缘支架11和接地电极绝缘支架12；电离电极绝缘支架11由高阻绝缘材料制成，支撑电离电极金属框架，即第一金属框架5；接地电极绝缘支架12由高阻绝缘材料制成，用于支撑接地电极金属框架，即第二金属框架6。

如图2所示，电离电极2的第一金属框架5沿竖向设置，采用1mm或其它厚度铜片或不锈钢片制成四方形，底部通过金属螺丝13固定在电离电极绝缘支架11上；第一金属框架5与高压导线4通过焊接相连通，最终与高压电源1相连。电离电极金属片栅网7由多个1mm或其它厚度金属片相互嵌套形成，电离电极金属片栅网7与第一金属框架5焊接为一体。电离电极绝缘支架11由环氧树脂或其它绝缘材料制成，电离电极绝缘支架11上侧面通过金属螺丝13固定电离电极的第一金属框架5，电离电极绝缘支架11的底部通过金属螺丝13固定在绝缘底座10上。绝缘底座10为环氧树脂或其它绝缘材料制成，绝缘底座10主要固定电离电极绝缘支架11和接地电极绝缘支架12。金属片栅网7由多个金属片相互嵌套而成，为多孔结构，金属基碳纳米管垂直阵列9为金属基底片状结构，将其固定于金属片的两侧面上，如图2所示，图2中为了表示螺丝等结构仅示出了八个金属基碳纳米管垂直阵列9，其中，金属片栅网7与第一金属框架5焊接重叠边片的另一侧也可以焊接八个金属基碳纳米管垂直阵列9(图中未示出)。

金属基碳纳米管垂直阵列9为铜基或不锈钢基碳纳米管垂直阵列，如国外nan-lab公司的Lot 443铜基碳纳米管垂直阵列产品，南京吉仓纳米科技有限公司的JCNTA系列铜基碳纳米管垂直阵列均可。金属基碳纳米管垂直阵列9通过铜基底或不锈钢基底焊接固定在电离电极金属片栅网7的每片金属两侧表面，并与电离电极金属片栅网7电学导通。金属螺丝13主要固定第一金属框架5于电离电极绝缘支架11上，高压导线4一端焊接在电离电极的第一金属框架5上，另一端与高压电源1相连接。

如图3所示，接地电极3的第二金属框架6沿竖向设置，由1mm厚度的铜片或不锈钢片制成，主要用于固定接地电极金属栅网8，并通过金属螺丝13固定在接地电极绝缘支架12上。接地电极金属栅网8由钨丝或其它金属丝线编织成的网状结构，金属栅网8通过焊接固定在接地电极的第二金属框架6上。接地电极绝缘支架12采用环氧树脂或其它绝缘材料制成，主要用于固定和支撑第二金属框架6，底端采用金属螺丝13固定在绝缘底座10上。绝缘底座10采用环氧树脂或其它绝缘材料制成，主要固定和支撑接地电极绝缘支架12。高压导线4的一端焊接在接地电极的第二金属框架6上，另一端与高压电源1相连通。

组装时，可将第一金属框架5通过金属螺丝13固定在电离电极绝缘支架11上，电离电极绝缘支架11为工字型结构，底部通过金属螺丝13固定在绝缘底座10上。第二金属框架6通过金属螺丝13固定在接地电极绝缘支架12上，接地电极绝缘支架12为工字型结构，底部通过金属螺丝13固定在绝缘底座10上。接地电极的第二金属框架6的竖直方向上的边长尺寸为电离电极的第一金属框架5的竖直方向上的边长尺寸的1～2倍。电离电极2的第一金属框架5和接地电极3的第二金属框架6通过高压导线4分别连接到高压电源1的高压输出端和接地端。本实施中10kV高压输出正电压和负电压均可，一般采用负电压，电离电极的电晕放电电流较为稳定。

本实施例的小型离子风电推进装置的工作过程及原理如下：

(1)将小型离子风电推进装置如上述连接方式组装完毕，将第一金属框架5通过导线连接高压电源输出端，将第二金属框架6通过导线连接高压电源接地端；

(2)接通高压电源1，根据气压环境不同，从地面0km至50km，当施加的电压达到600V至10kV时，在电离电极2的金属片栅网7上的金属基碳纳米管垂直阵列9将发生电晕放电现象，根据施加偏压的大小和金属基碳纳米管垂直阵列9的面积，1cm²金属基碳纳米管垂直阵列9的电晕放电电流在0.1mA至10mA变化；

(3)金属基碳纳米管垂直阵列9电晕放电所产生的气体离子离开电离电极2的金属片栅网7向接地电极3的金属栅网8漂移；

(4)若无中性气体分子参与，气体离子被电离电极金属片栅网7和接地电极金属栅网8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接地电极金属栅网8所吸附，此时小型离子风电推进装置不产生推力；

(5)在有大量的中性气体分子存在时，中性气体分子在电离电极金属片栅网7和接地电极金属栅网8之间被气体离子碰撞加速，最终飞离小型离子风电推进装置，此时气体离子、电离电极金属片栅网7和接地电极金属栅网8三者合力不为零，存在由接地电极金属栅网8指向电离电极金属片栅网7的推力，该推力大小等于电离电极金属片栅网7和接地电极金属栅网8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，在标准大气压下，随偏压不同，长3cm*宽3cm的电离电极金属片栅网7可以焊接16片金属基碳纳米管垂直阵列9，产生大约量级40mN至120mN的推力，相当于2～5根1m长、直径1mm的金属导线电离效果，但尺度大幅下降，因此具有良好的应用前景。

Claims (7)

1.一种小型离子风电推进装置，其特征在于：包括高压电源(1)、绝缘基座、固定于绝缘基座上且沿竖向、相对设置的电离电极(2)和接地电极(3)，电离电极(2)和接地电极(3)通过高压导线(4)分别与高压电源(1)的高压输出端、接地端相连；电离电极(2)包括第一金属框架(5)及固定设置于第一金属框架内的金属片栅网(7)，金属片栅网(7)上固定设有金属基碳纳米管垂直阵列(9)，并使得金属基碳纳米管垂直阵列(9)与第一金属框架(5)电学导通；接地电极(3)包括第二金属框架(6)及固定设置于第二金属框架内的金属栅网(8)；

金属片栅网(7)由多个金属片相互嵌套而成，金属基碳纳米管垂直阵列(9)固定于金属片上；金属栅网(8)为由金属丝或金属片编织成的网状结构；

金属片栅网(7)的金属片的两侧面上均固定有金属基碳纳米管垂直阵列，所述金属基碳纳米管垂直阵列(9)为金属基底片状结构。

2.根据权利要求1所述的小型离子风电推进装置，其特征在于：所述金属基碳纳米管垂直阵列(9)为铜基或不锈钢基。

3.根据权利要求1所述的小型离子风电推进装置，其特征在于：所述高压电源(1)提供10kV以上的正电压或负电压。

4.根据权利要求1所述的小型离子风电推进装置，其特征在于：所述高压导线(4)为单芯或多芯导线，且外部包裹有绝缘层。

5.根据权利要求1所述的小型离子风电推进装置，其特征在于：接地电极(3)的竖向尺寸为电离电极(2)竖向尺寸的1～2倍。

6.根据权利要求1所述的小型离子风电推进装置，其特征在于：电离电极(2)和接地电极(3)的横向和竖向尺寸均为厘米量级。

7.根据权利要求6所述的小型离子风电推进装置，其特征在于：电离电极(2)和接地电极(3)的尺寸均小于10cm。

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