CN1836974A - 离子风航空飞行器 - Google Patents

Abstract

在本发明中，要求把飞行器的外壳用光滑的、高强度的绝缘塑料制成。并将飞行器的外形做成“飞碟”状。其上半球的弧度要大于下半球的弧度，使其构成流线型。在内部结构上，采取平板电容器固定、永久磁铁旋转的工作方式。转动中，通过“导电滑环”和导线把电容器正极板中心所积累的正电荷引导至“放电腔”的侧壁上。带锯齿放电锥环与负极板的边缘连在一起，并固定于飞行器外壳上的适当位置。以能够同放电腔组成“雨伞形”的高压静电场为宜，只有这样才能确保“离子风”顺利地沿着飞行器的外表面快速从上面进入放电腔，以便于形成飞行器上、下两个部分之间的压力差，以及产生高速向下喷出的热气流，从而产生对飞行器的举力与向前行驶的推力。

Description

离子风航空飞行器

一技术领域

航空制造业

二背景技术

(一)概述

到目前位置，在航空运输领域使用的飞行设备，大体上可分为螺旋桨式与喷气式两大类。除了直升飞机直接利用螺旋桨对空气的反作用力、宇宙飞船借助于火箭装置的喷气动力而升空之外，其余的民用或军用飞行设备几乎都是借助“流速大压强小”这一空气动力学原理，使飞机产生举力而升空的。诚如所知，无论哪种飞行装置，它们的共同特点都是：燃料消耗巨大、噪音巨大、设备结构复杂、造价昂贵、操控难度很大、起降环境受到设施(如机场)与气象条件的严格限制、安全系数偏低等问题。为此，这里提出了一种借助于“离子风”产生举力的新型航空飞行器。

(二)本装置的理论基础

1)静电平衡现象

众所周知，金属导体的特征是其中含有带负电的自由电子和带正电的结晶点阵。当导体不带电时，自由电子的负电荷与结晶点阵的正电荷互相抵消，使整个金属不显带电的特征。这时除了在微观上可以看到自由电子的热运动和结晶点阵的振动之外，电荷没有任何形式的宏观运动。

当导体受到电场力的作用或带上额外的电荷时，导体中的自由电子(无论是原来就存在于导线之中的还是外来的)，在所受电场力的作用下，就开始相对于结晶点阵(结晶点阵本身只作微观振动)作定向的宏观运动，并引起了导体上电荷的重新分布。但是，这种宏观上的电荷运动是要消耗能量的。如果没有外界能源不断地支持就会立刻停止下来。电荷又会重新分布。我们把这种情况叫做静电平衡状态。在静电平衡状态下，不仅导体内部任何一点的电场强度等于零，而且导体表面任何一点电场强度的方向垂直于该点的表面。

2)电容器中的静电场

与此不同的情况是，如果我们把两块导电的金属板相互靠近，比如在中间夹上一层均匀的、具有一定厚度的绝缘介质，就构成了熟知的平板电容器。把这种电容器的两个极板分别地连接到一个电池的正极和负极上，在静电平衡时，电荷就会均匀地分布在两个极板之上。其中，与电池正极相连的极板就带上了正电荷，而与电池负极相连的极板就带上了负电荷。经过一个暂短的过渡过程，就会达到一种新的静电平衡状态。

3)运动电荷所受到的洛伦兹力

诚如所知，载流导线在磁场中要受到磁力的作用，这是因为导线中的电流来源自由电子的定向运动。所以我们可以假设，运动着的带电粒子在磁场中同样会受到洛伦兹力的作用。事实上，载流导体在磁场中作定向运动(如电动机的转动)的原因，是由于导体中的带电粒子除了在磁场中作定向运动之外，还不断地与导体中的宏观物质相互碰撞而把作用力传递给导体本身。——这就是载流导体在磁场中受力的微观本质。

根据上面的分析，我们可以进一步地研究安培定律的意义。按照安培定律，载流导线上任意一电流元Idl在磁感应强度为

的磁场中所受到的外力

$\mathrm{df}=\mathrm{BIdl}\sin (\stackrel{\→}{\mathrm{dl}}\·\stackrel{\→}{B})---\left(1\right)$

假设电流元的横界面为s，单位体积内有n个带有电荷e的粒子，且这些粒子定向运动的平均速度为 那么

的方向就是 的方向。而电流强度的定义为：

        I＝neυs    (2)

将其代入安培定律后得出

$\mathrm{df}=\mathrm{en\υ}\mathrm{sBdl}\sin (\stackrel{\→}{\mathrm{\υ}}\·\stackrel{\→}{B})---\left(3\right)$

这里的 是电荷定向运动方向和磁场强度的方向间的夹角。这个力就叫做“洛伦兹力”，

其方向垂直于矢量

和

所决定的平面。显然，当这一夹角等于90°时，上式可以写成

        df＝enυsBdl    (4)

在dl这一段导体内始终保持有dn＝nsdl个运动的带电粒子。如果我们认为这段载流导体所受到的磁场力就是磁场经由这些定向运动的带电粒子传递给导体的，则每一个运动着的带电粒子在磁场中受到的力应为

$f_1=\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dn}}=\mathrm{e\υ}B\sin (\stackrel{\→}{\mathrm{\υ}}\·\stackrel{\→}{B})---\left(5\right)$

这个力就叫做“洛伦兹力”。无论粒子带的是正电荷还是负电荷，它们的指向关系都满足于“右手定则”。而洛伦兹力与电流的方向以及磁场方向之间的矢量关系可以用以下矢量方程表示：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\→}{f_{+}}=e\stackrel{\→}{\mathrm{\υ}}\×\stackrel{\→}{B}\\ \stackrel{\→}{f_{-}}=-e\stackrel{\→}{\mathrm{\υ}}\×\stackrel{\→}{B}\end{array}\right.---\left(6\right)$

也就是说，上式所代表的受力方向取决于电荷本身的正负。由于洛伦兹力与带电粒子的运动方向垂直，所以这种力事实上并不对带电粒子做功，而只能改变粒子本身的运动路径。

4)离子风的产生与升力的形成

通过以上分析可以看出，如果让已经充电的平板电容器在垂直于该电容器表明的磁场中相对地旋转(或者电容器的极板不动，永久磁铁作垂直于磁力线的转动)，那么由式(6)可知，在洛伦兹力的作用下，电容器两个极板上所携带的正负电荷就会向相反的方向移动。假如负极板上的负电荷向极板的边缘移动，则正极板上的正电荷就会向它的圆心移动。这样一来，就会在正极板的圆心与负极板的边缘上分别堆积大量的正电荷与负电荷。如果把它们适当地引导，就会在设定的区间上形成一个高压静电场。

假设我们把负极板的边缘设计成尖锐的锯齿状，那么集中在负极板圆周边缘上的负电荷就会与其周围空气中残留的“正离子”相互中和而形成“尖端放电现象”。与此同时，剩下来的“负离子”就会在电场力的驱使下迅速地离放电区而形成一种所谓的“离子风”。实验证明，即使微弱放电所形成的离子风也可以吹灭蜡烛。

由于我们事先已经把飞行器的外壳用绝缘材料做成流线型，那么离子风中的负离子(连同周围的空气分子)就会在高压静电场的作用下，沿着飞行器的外表面迅速地冲向静电场的正极而被拖入放电腔。进入放电腔的负离子便立刻与堆积在那里的正电荷中和放电。如果把放电腔做成喷射器的形状，则放电所产生的高温气流就会迅速向下喷出。

可想而知，夹杂着空气的离子风沿着飞行器上表面的流速将远大于其底半部外表面处空气的流速，根据“流速大压强小”这一空气动力学原理，飞行器就会受到一个垂直向上的举力。再加上放电腔内高速向下喷出气流的反冲力，二者的合力，便可以使飞行器迅速的垂直升空。——从而构成了所谓的“离子风航空飞行器”的工作原理(参见图1)。

三发明内容

在本发明，要求把飞行器的外壳用光滑的、高强度的绝缘塑料制成。并将飞行器的外形做成“飞碟”状。其上半球的弧度要大于下半球的弧度，使其构成流线型。在内部结构上，采取平板电容器固定、永久磁铁旋转的工作方式。在永久磁铁转动的过程中，通过“导电滑环”和导线把电容器正极板中心所积累的正电荷引导至“放电腔”的侧壁上。带锯齿放电锥环与负极板的边缘连在一起，并固定于飞行器外壳的适当位置。以能够同放电腔组成“雨伞形”的高压静电场为宜，只有这样才能确保“离子风”顺利地沿着飞行器的外表面快速进入放电腔，造成飞行器上下之间的压力差，以及产生高速向下喷出的热气流，从而产生对飞行器的举力与向前行驶的推力。(参见图2)

本装置的动力来源可以采用多种形式，其中包括：利用太阳能电池，即把飞行器的上表面覆盖一层光顺的太阳能电池板，再通过一定容量的蓄电瓶存储并向带动永久磁铁旋转的直流电动机以及电容器的正负极板供电。当然，这里也可以采用航空煤油发电机组供电。

再者，把飞行器因放电而产生的高温气流的喷射方向做成可以操纵的形式。这样一来，通过控制永久磁铁的旋转速度、或者是提高电容器两个极板间的额定电压，就可以控制飞行器所获得的升力，改它的载重能力和飞行高度。通过操纵热气流的喷射方向就可以改变飞行器本身的前进方向。

这种飞行器的结构简单，维修保养方便，操纵灵活简便，噪音很低。在同等能量消耗的前提下，机械效率将高于现有的飞行装置。因此说，这种装置的能量消耗较低，并且可以直接利用太阳能。再者，由于这种飞行器可以垂直起降，无需大型的专用机场。若是在这种飞行器顶部安装一个大型自动开启的降落伞装置，那么，即使关键部件失灵也能安全着陆。因此说，这是一种具有广泛发展前景的理想的航空飞行器。

四附图说明

图1.离子风的形成原理示意图

A：圆柱型永久磁铁；B、C：软磁性矽钢板；D：轻型绝缘介质；E：电解铜制成的电容器负极板；F：电解铜制成的电容器正极板；G：永久磁铁的旋转轴线。

图2.航空飞行器的总布置图

A：电容器的绝缘支架；B：电容器正极板；C：电容的负极与放电锥环；D：正极板与放电腔：E：高性能的永久磁铁；F：永久磁铁两端的极靴；G：高温气流喷射出口；H：负离子气体进入口；I：机电设备底座；J：高效蓄电池；K：驱动磁场旋转的直流电动机；L：驱动磁场旋转的传动装置；M：操控室与控制台；N：飞行器载货舱；O：飞行器外壳；P：飞行器载客舱；Q：飞行器的起落架；R：电容器的固定框架。

图3.圆形平板电容的结构示意图

A：电容器的正极板；B：电容器的负极板；C：电容的负极板与放电锥；D：给电容器供电的接线柱；E：电容器的输电线；F：电容器的固定框架。

图4.永久磁铁等旋转构件示意图

A：两块高磁场强度的筒形永久磁铁；B：永久磁铁的两个极靴；C：软磁性材料制成的磁铁内套筒；D：抗磁性绝缘材料制成的磁铁外套筒；E：永久磁铁的传动轴；F：离子风的进入口；G：耐热绝缘陶瓷衬套；H：正极板的放电腔；I：热气流的喷出口；J：正电荷的输电线；K：永久磁铁传动轴的驱动装置；L：传动皮带与皮带轮；M：机电设备的机座；N：驱动电机；O：电动机的输电线；

五具体实施方案

用高性能的轻质绝缘材料作为平板电容器两板间的绝缘介质，用电解铜薄板作为电容器的正负极板，将若干个这样的电容并联地组合在一起，构成一个具有足够容量的大型平板电容器(参见图3)。这个电容器最外缘用一个上翘的、带锯齿的“放电环”同电容器的负极板相连。其正极板的中心并联在一起之后，用导线以及“滑环机构”与转动轴上部的正极板放电腔相连。放电腔本身要用耐较高温度的绝缘陶瓷制成，并镶嵌在旋转机构的内部，旋转轴本身要用具有足够机械强度的抗磁性材料制成。上下两块环形永久磁铁的南北极相对，软磁性材料做成的铁筒与两块磁铁紧密地套在一起，再用两个半径相等的软磁性铁板固定在上下两个永久磁铁的外端，构成一个“工”字型的永久磁铁，并与旋转轴组合在一起，然后通过上下两个滚动轴承与飞行器的框架组装在一起，从而构成了一个组合的旋转构件(参见图4)。即是说，把圆形平板电容与飞行器的外壳固定在一起，把旋转机构用滚动轴承固定在飞行器的框架上，再通过皮带轮或齿轮传动机构与直流电机相连。同时要把直流电源与电容器的正负极的接线柱相连。放电腔下端高速热气流的出口处，设置可以远距离操纵的碟型阀，控制高速气流的喷出方向，用以控制飞行器的前进方向。

Claims (4)

1.本飞行器结构简单、造价低廉、操控方便、没有噪音、机械效率高、安全可靠，可垂直起降、无需机场和跑道、可在任意高度飞行(理想高度在电离层及其以下)。

2.本装置可用太阳能电池和蓄电池配合供电，亦可用燃油发电机组供电。

3.通过调整旋转机构的转速来调节飞行器本身的飞行高度与起落。

4.通过操控喷射气流的方向来控制这种飞行器的前进方向。

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