הקדמה: הפיזיקה של טיסה אישית

החלום של טיסה אישית יש ממציאים ומהנדסים במשך מאות שנים, מסקיצות האורניטר של לאונרדו דה וינצ'י ועד לחבילות סילון מודרניות ואופנועים.בלב כל מכשיר מעופף הוא עיקרון פיזי ייחודי: הבנה של דינמיקות דחף היא לא רק אקדמית - זה הבסיס להנדסה המכתיב אם מכשיר טיסה אישי יכול להרים, בבטחה, לנחות ללא אירוע זה.

Thrust הוא הכוח המכאני שמניע מטוס קדימה דרך האוויר.במטוסים קבועים, דוחק גרור; ברוטטורcraft, הוא משלב עם מעלית. עבור מכשירים לטיסה אישית - שותפים, לעתים קרובות כלי רכב חד-מושביים - חייב להיות מיוצר ביעילות בתוך משקל חזק, נפח, ומגבלות אנרגיה.הסעיפים הבאים לשבור את הפיזיקה, מערכות ההנעה הזמינות, ואת המחקר חיתוך-הזה מבטיח חלק משגר של החיים המודרניים.

יסודות Thrust בתעופה

(ב) ב[[המאה ה-20]], [[1966]], [[1966]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1966]], [[1924]], [[1966]], [[1924]]]], [[1966]]]]]], [[1966]], [[1966]], [[1966]], [[1966]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]]]]]], [[1966]]]]]]]]]]]] ב[[1966]],

בתעופה, דחף חייב להתגבר על גרר – ההתנגדות האירודינמית שעולה עם הכיכר של מהירות האוויר. במהלך ההמראה, דחף חייב גם לעלות על רכיב המשקל לאורך נתיב הטיסה.עבור ההמראה האנכי והנחתה (VTOL) מכשירים, דחף חייב להיות גדול יותר מאשר המשקל הכולל של הרכב.יחס של דחף למשקל הוא פרמטר עיצוב קריטי; ערך גדול יותר מ- 1.0 נדרש עבור אנכי כמטר.

יעילות המנוע נמדדת על ידי דחף ספציפי (IIRLT:0 spearFLT:1) או צריכת דלק ספציפית דחף (TSFC) עבור הנעה חשמלית, המדד העיקרי הוא דחף ליחידת חשמל (N /kW). מדדים אלה מסייעים למהנדסים להשוות ארכיטקטורות הנעה שונות בעת תכנון מכשירים לטיסה אישית.

חוקי ניוטון החלים לטיסה אישית

תפיסה עמוקה של חוקי ניוטון חיונית לכל מי שמעורב בעיצוב אוטומטי אישי של מכשיר הטיסה.החוק הראשון – גוף במנוחה נשאר במנוחה אלא אם כן פעל על ידי כוח חיצוני – מסביר מדוע מדף נשאר קבוע על הקרקע עד שמסתובבים בו.החוק השני (כוח שווה פיות מסה) שולט כמה מהר מכשיר יכול לשנות מהירות או כיוון.

סוגים של Thrust Systems למכשירים מעופפים אישיים

שלושה ארכיטקטורות דחף ראשוניות שולטות בנוף המכשיר לטיסה אישי: דחף סילון, דחף דחף דחף דחף דחף דחף דחף דחף דחף דחף דחף דחף דחף דחף דחף דחף דחף, ודחף טילים.לכל אחד יש יתרונות ומגבלות שונים המשפיעים על בטיחות, רעש, צריכת דלק וטווח תפעולי.

Jet Thrust

מנועי Jet מייצרים דחף על ידי דחיסה של אוויר הנכנס, ערבוב אותו עם דלק, שילוב תערובת, וגירוש גז דלק חם ממצה במהירות גבוהה באמצעות נושלה.במכשירים אישיים, turbojet קטן או turbofan מנועי משמשים בדרך כלל.FLT:0Jetpack InternationalFLT 1 JB, לדוגמה, משתמש שני מנועים קטנים על פני קיבולת גבוהה כדי לרתום מספיק כדי להפעיל את רמת חום גבוהה.

ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיית מיקרו-טרבין הפחיתה את משקל המנוע ושיפור יעילות הדלק.עם זאת, מערכות הדחף של מטוסים עדיין מאתגרות לשימוש אזרחי עקב מגבלות רגולטוריות (רשויות חלל אוויריות מסווגות אותם כמטוסים ניסיוניים) ודאגות בטיחות - כשל מנוע יחיד ברתום דו-ג'ט יכול להיות קטסטרופלי אלא אם כן מערכת טמאטית בליסטיאלית תופצה.

תגית: Thrust

מכשירים לטיסה אישית מונעים על ידי מפיק הם נפוצים יותר בקרב התחביבים ומציינים מוקדמים.הם משתמשים אחד או יותר מנועים חשמליים או מבעירה לספין-דוחנים, אשר מאיצים את האוויר לאחור ומייצרים דחף קדימה.הדוגמאות הבולטות ביותר כוללות את ה-FLT:0 Martin JetpackFLT:1 (למרות שטכנית עיצוב ducted-fan) ו- Multicopter-type-type-אישיות כגון מהירויות נמוכות של פחמן או מנועים, לעומת מנועים, לעומת מהירויות פחמן פחות מ-Fericer 18, לעומת מהירויות איטיות, או יעילות, לעומת מנועים, לעומת מהירויות פחמן, לעומת מהירויות פחמן CVer, לעומת מהירויות איטיות, לעומת מהירויות איטיות יותר, לעומת חסכוניות יותר מקודריות, לעומת , לעומת מהירויות פחמן-Fericer.

לטיסה אישית, האתגר העיקרי עם דחף המניע הוא חוסר היציבות הטבוע של רוטטורים קטנים מטר על טעינה להב גבוה. בועות גדולות יותר הם יעילים יותר אבל להגדיל את טביעת הרגל של הרכב ואת המשקל. אלקטריק הפך לבחירה הדומיננטית עבור מכשירים בטיסה אישית מבוססי דחף מדחף כי מנועים DC ללא מברשת מציעים תגובה מיידית, אמינות גבוהה, אפס פליטות אנרגיה סוללות ישירות, עם זאת, עדיין להגביל את הפחתת קצבאות - 15 דקות נסיעה קצרים או מגבלות טיסה.

Rocket Thrust

הטילה טונעה נושאת את החמצן שלה, מה שהופך אותו עצמאי של חמצן אטמוספירי.זה מאפשר למכשירים לטיסה אישית המופעלים על ידי טילים לפעול בוואקום או בגובה גבוה מאוד - שימוש בתיירות חלל תת-ביטביטביטאלי או חליפות מהשמיים קיצוניות.הדוגמה המפורסמת ביותר היא ה-FLT:0SpaceXFLT:1 מנועים סופר-Draco (למרות שלא מכשיר אישי לדלקתי) לשימוש בדלקתי-קלריות, כמו סוללות קצרות יותר, כמו סוללות (Ricertextext) או 30 שניות לחץ אוויריות, לעומת 30 שניות לחץ אוויריות, לעומת 30 שניות לחץ אוויריות קצרות (Ricertext) אלא גם מ-FLTXFLTXFLTXFLT:1-FLT:1T) של מנועים) של מנועים) של מנועים).

כיום, דחף טילים למכשירים אישיים מוגבל במידה רבה ליישומים ניסיוניים והפועלולים.חתת הרקטות התרמית והאקוסטית הופכת אותם לבלתי-מעשיים לסביבות עירוניות.עם זאת, מחקר מתמשך בטילים היברידיים ודחפורים ג'ל עלול להאריך את משך הזמן הבוער ולשפר את הבטיחות, פוטנציאל לפתוח נישות חדשות לטיסה אישית בגובה קיצוני.

עקרונות מרכזיים של Thrust Dynamics

מעבר למערכת היחסים ניוטוןית הבסיסית, עיצוב מערכת דחיפה מוצלח תלוי בקידוד מספר משתנים מחוברים: מהירות ממצה, קצב זרימה המונית ויעילות המנוע.התתת החלקים הבאים בודקים כל אחד בפירוט.

המונחים: Velocity

עבור קצב זרימה מסה נתון, מהירות ממצה גבוהה יותר מניב דחף גבוה יותר.זה למה מנועי סילון וקטרקות, אשר מאיץ גזים ממצה במהירויות סופר-קולוניות, יכול לייצר דחף עצום מליבות מנוע קטנות יחסית. in Pushler ומערכות ducted-fan, מהירות ההתעוררות היא נמוכה יותר (בדרך כלל subsonic) אבל שיעור זרימת ההמונים גדול הרבה יותר בגלל האזור הגדול שסחף, ולכן מנוע סילון נמוך יותר מאשר מהירות סילון מהיר יותר מאשר מנוע סילון).

במכשירי טיסה אישיים, מהנדסים חייבים לאזן את המהירות הרצויה, הגבלות רעש, צריכת אנרגיה.מערכות מהירות גבוהה יותר ממצה חזק ויעילות יותר במהירויות נמוכות, בעוד שמערכות זרימה נמוכות של גז גבוה שקטות יותר אך דורשות מבנים גדולים יותר (בריקים או פתחי דוקטר) כדי לנוע מספיק אוויר.

שיעור זרימה

השיעור שבו ניתן להשיג מסה אווירית או דחף עובר דרך מערכת ההנעה לשנייה הוא מנוף ישיר על דחף.הגדלת זרימת המסה על ידי הרחבת אזור הצריכה, העלאת צפיפות האוויר המואץ (באמצעות דחיסה), או הגדלת RPM. עבור אוהדים חשמליים מחנכים אישיים, זרימת המסה מוגבלת על ידי מאוורר ואת המהירות הבטוחה המקסימלית של להבים.

כמה עיצובים חדשניים מנסים להגדיל את זרימת ההמונים ללא הרחבת הרכב באמצעות קואקסיאלי למניעת גזרורים או מספר רב של רוטורים קטנים מסודרים במריצה. eVolo Volocopter משתמש 18 רקובים קטנים, כל אחד מהם תורם זרימת המונים צנועה, אבל להשיג מספיק דחף עבור אדם בתוספת רכב. גישה זו מבוזרת גם מספקת undancy: אם אחד מהם נכשל, אחרים יכולים לפצות על מנת לשמור על טיסה יציבה.

יעילות המנוע והניהול התרמומי

יעילות במערכת דחיפה מוגדרת כיחס של כוח דחף שימושי לאנרגיה קלט (דלק או חשמל) עבור מנועי הבעירה, יעילות תרמית היא בדרך כלל 25–40%, עם השאר שאבד כמו חום.חשמל מנועים, לעומת זאת, יכול לעלות על 90% יעילות, מה שהופך אותם באופן דרמטי יותר יעיל אנרגיה.

ניהול תרמי הוא דאגה קריטית, במיוחד עבור מכשירי סילון וקטרקות.שיש להזיז את הממצה של הטייס וכל רכיבים פגיעים.עיצובים אישיים רבים להשתמש במגיני חום קרמיקה או טיטניום כדי להגן על הרגליים של המפעילה ובחזרה.עבור מערכות חשמל, חום מיוצר במתפתלי המנוע ואלקטרוניקה כוח; קירור אוויר פעיל או קירור מוסיף ביצועים דליקים, אך למנוע ירידה.

אתגרים בפיתוח Thrust למכשירים אישיים

פיתוח מכשיר טיסה מעשי, בטוח, וזמין דורש פתרון מספר אתגרים הקשורים מעבר לפיזיקה טהורה.הדברים הבאים הם הנושאים הדוחקים ביותר העומדים בפני מהנדסים כיום.

כוח אספקה ואנרגיה

הhurdle הגדול ביותר הוא אחסון אנרגיה. סוללות ליתיום הנוכחי מציעים כ 250-300 Wh / ק"ג - אדם בתוספת רכב במשקל 200 ק"ג יהיה צורך בערך 20-30 קילוואט עבור טיסה של 30 דקות, כלומר מסת סוללה לבד יהיה 100 ק"ג או יותר - חצי משקל הכולל של פחמן נמוך יותר עבור מערכת ההנעה, מסגרת, avionics, בטיחות וציוד Jet יש דלק פחות מ - 000 / 000 / 000 / 000 / 000 קלוגניים.

החוקרים בוחנים סוללות מוצקות של מדינתיות, כימאים ליתיום-סולפור, וסופר-capacitors מתקדמים כדי לסגור את פער צפיפות האנרגיה עד אז, מכשירים לטיסה אישית יישארו מוגבלים לטיסות קצרות, אלא אם כן כוח tethered (באמצעות כבל או אלחוטי שידור מיקרוגל) הופך להיות אפשרי.

רעש וגאווה

זיהום רעש הוא מחסום גדול לקבלה ציבורית של מכשירים לטיסה אישית.מנועי ג'ט ודוחנים גבוהים-RPM לייצר רמות קול שיכולות לעלות על 100 dB, מה שהופך אותם בלתי מתאימים לשכונות מגורים. Vibration לא רק גורם לאי נוחות טייס, אלא גם מדגיש רכיבי מסגרת אוויר ויכול להוביל לעייפות על פני זמן מהנדסים פועלים על קו אקוסטי, ביטול רעש פעיל, ואופטימיזציה של צורות להב (למשל, הם פחות מקודחים) ללא לחץ חזק יותר מאשר מלחים מהירים יותר מאשר מלחיצים מהירים יותר מאשר מלחיצים מהירים יותר.

שליטה ויציבות במהלך Transients

מכשירים לטיסה אישיים חייבים להגיב במהירות וצפוי לתפוקת הטייסים. Thrust וקטורינג - היכולת לשנות את הכיוון של הווקטור הדחף - חיוני לתמרן. ב- Jetpacks, זה מושג בדרך כלל על ידי הטיה של המנוע nozzles או באמצעות deflector vanes. In Multicopters, דחף וקטור נעשה על ידי מהירויות שונות של רקוב.

חוקרים חוקרים מערכות מחשוב שעושות שימוש על פני השטח של שליטה קטנה בזרם הממצה, בדומה לאלה המשמשים במטוסי קרב.למכשירים אישיים, מערכות אלה חייבות להיות קלות משקל וכוח נמוך, תוך מתן מספיק סמכות להתאושש מהפרעות כמו גורדי הרוח.

כיוונים עתידיים ב- Thrust Technology for Personal Flight

במבט קדימה, כמה טכנולוגיות מתפתחות מבטיחות להפוך את מכשירי טיסה אישיים ליותר מעשי, בטוחים יותר, נגישים.המגמות הבאות מעצבות את הדור הבא של מערכות דחף.

אוהדים חשמליים ומניעה היברידית

(ד) מעריצים מחנכים חשמליים (EDFs) משלבים את השקט והיעילות של מנועים חשמליים עם ריכוז דחף של חברות כמו FLT:0LiliumFLT:1 (למרות שהרכב שלהם הוא 5 מושבים eVTOL) הוכיחו כי מערךים של EDF קטנים יכול לספק גם מעלית אנכית ודחף קדימה.

Thrust-Augmented Lift באמצעות אפקט הקרקע

מכשירים לטיסה אישיים השוטפים קרוב מאוד לקרקע (עם קוטר אחד רוטר) יכולים לנצל את ההשפעה הקרקעית, שבו כרית האוויר בין הרוטור לבין הקרקע מגביר את יעילות להרים עד 30%.זה מפחית את הביקוש לחטוף, המאפשר מנועים קטנים יותר ופחות משקל סוללה.חלק מהמושגים, כמו FLT:0AeroX HoverFLT1,ms בגובה נמוך כל כך, דורשות אפקט נחיתה רגיל, בעיקר, אך ורק מגובה זה דורש שימושי.

ייצור תוספתי עבור מערכות Thrust Customized

הדפסה תלת מימדית מאפשרת למהנדסים לעצב ולעצב צורות מורכבות של nozzle, להבים רוטר, ו duct Geometries כי יהיה בלתי אפשרי למכונה באופן קונבנציונלי.זה מאפשר רכיבים דחף כי הם קלים, חזקים יותר, ומכוונן לפרופילי טיסה ספציפיים.לדוגמה, כיור חום מובנה מחסנים ניתן להדפיס ישירות לתוך ממצה ממצה כדי לבזבז חום ללא תוספת משקל פרטי ונבנה במהירות 3 חודשים על גבי מתכת.

מערכות ניהול Thrust ו- Fail-Safe Systems

עתיד הטיסה האישית עשוי לכלול מצבי טיסה אוטונומיים אשר מטפלים בניהול דחף מאחורי הקלעים.חיישנים מדידה גובה, מהירות אוויר וסוללה יכול להתאים באופן אוטומטי לדחוף לשמור על פרמטרים אופטימליים לטיסה, במקרה של כשל כוח או תקלה מוטורית, מערכות מחוסמות חייבות מיד לשנות את ההפצה דחף - לדוגמה, על ידי סגירת מנועים מנוגדים סימטריים כדי למנוע ספינים לא מבוקרים, אשר יכולים כבר לפרוס את כל אמצעי שיפוטי קטן.

מסקנה: Thrust Dynamics as the Engine of innovation

דינמיקת Thrust היא הסלע שעליו כל המכשירים לטיסה אישית בנויים.מהיחסים הפשוטים של זמני זרימת ההמונים במהירות ממצה להיקף המסחר המורכב בין רעש, יעילות ובטיחות, כל החלטה עיצובית עולה לאחור עד כמה דחף נוצר, מבוקר וקבוע.כאשר טכנולוגיית סוללות משתפרת, הנעה חשמלית מתבגרת, ותוספים מאפשר התאמה חסרת תקדים, חזון של טיסות אישיות נפוצות ממדע בדיוני ומציאות מעשית לא רק כלפי יזמים.