Giriş: Kişisel Uçuş Fiziği

Kişisel uçuşun rüyası yüzyıllardır icat edilmiş mucitler ve mühendislere sahiptir, Leonardo da Vinci'nin ornithopter modern jetpacks ve hoverbikes'a doğru çizilir. Her uçan cihazın kalbinde tek bir fiziksel ilke vardır: itme dinamikleri anlamak sadece akademik değildir - kişisel uçan bir cihazın dışarı çıkabileceğini, manevrayı güvenli bir şekilde ve olaysız araziyi diktiğidir.

Thrust, hava yoluyla bir uçak ileriye doğru hareket eden mekanik güçtür. Sabit uçak, itkis sürüklenme sistemleri ve kişisel uçan cihazlar için -ortalama, genellikle tek-kokuant araçlar - güven, sıkı ağırlık ve enerji kısıtlamaları içinde verimli bir şekilde yaratılmalıdır. Aşağıdaki bölümler fiziği kırar, mevcut tahrik sistemleri ve kişisel uçuş için vaat eden kesme-çöpürücüleri modern yaşamın rutin bir bölümünü oluşturan araştırma.

Havacılıkta Thrust'ın Temelleri

En basit, itikat Newton’un üçüncü yasası tarafından açıklanan reaksiyon gücüdür: Her eylem için, denklem tarafından eşit ve tam tersi bir tepkidir.[Dörtüncü derece geriye veya aşağı yukarı doğru hareket eder).[Dörtüncü dereceler, doğru yönde hareket eder).[Düzücüksel hızlar)

Havacılıkta, itme sürüklenmelidir - hava hızıyla artan aerodinamik direniş kritik bir tasarım parametresi olmalıdır; 1.0'dan daha büyük bir değeri uçuş yolunda da aşmalıdır.For dikey takeoff and iniş (VTOL) cihazlar için, itme aracının toplam ağırlığından daha büyük olmalıdır.

Motor verimliliği belirli bir dürtü tarafından ölçülmektedir (I[DÜDÜ:0)[[DÜT 1: 1) veya özel yakıt tüketimi (TSFC) için elektrik tahrik edilmesi, anahtar metrik elektrik enerjisi ünitesine doğru itilir (N/kW). Bu metrikler, mühendisler kişisel uçan cihazlar tasarlarken farklı tahrik mimarisini karşılaştırır.

Newton'un Yasaları Kişisel Uçuşa Uygulamalı

Newton’un yasalarının derin bir kavrayışı, kişisel uçuş cihazı tasarımına katılan herkes için önemlidir. İlk yasa – bir dış güç tarafından hareket etmeden geri kalan bir vücut - bazı temelleri, herhangi bir cihazdaki en az güç ve tahrik gereksinimlerinin neden ortaya çıktığını belirtir.

Kişisel Uçan Cihazları için Thrust Systems türleri

Üç birincil itikat mimarisi kişisel uçan cihaz manzarasına hükmetmektedir: jet it, pervane itme ve roket itme.Her biri güvenlik, gürültü, yakıt tüketimi ve operasyonel aralığı etkileyen farklı avantajları ve sınırlamaları vardır.

Jet Thrust

Jet motorları gelen havayı sıkıştırarak, onu yakıtla karıştırarak, karışımı karıştırır ve her bir nozlu ile yüksek hızda sıcak egzoz gazını şarj eder. Kişisel cihazlarda küçük turbojet veya turbofan motorları yaygın olarak kullanılır.Theurpack International) JB-10, örneğin, iki küçük jet motorunu bir şekilde bir araya getirerek bir kişi için monte edilir.

Mikro-turbine teknolojisindeki son gelişmeler, motor ağırlığının azaltıldığını ve yakıt verimliliğini azaltmıştır. Ancak, jet itki sistemleri düzenleyici kısıtlamalar nedeniyle sivil kullanım için meydan okumalıdır (many hava alanı yetkilileri onları deneysel uçaklar olarak sınıflandırır) ve güvenlik endişeleri - tek bir motor başarısızlığı ikiz-jet kullanımı, bir balchute sistemi konuşulduğu sürece felaket olabilir.

Pervane Thrust

Kurşunlu kişisel uçan cihazlar hobiistler ve erken kabul edilenler arasında daha yaygındır.Onlar bir veya daha fazla elektrikli veya yanmalı motorlar, Volocopter veya Ehang 184 gibi spin iterleri için hızlı bir şekilde çalışır. Propeller iter than jet it, more energy-pert Marchin Jetpack) ve değişken bıçaklar veya diferansiyel motor hızları ile kontrol sağlar.

Kişisel uçuş için, pervane ile birincil meydan okuma, küçük hacimli rotorların yüksek bıçak yüklemesinde doğal dengesizliğe sahiptir. Büyük rotorlar daha verimlidir, ancak aracın ayak izi ve ağırlığı artırmaktır. Elektrikli tahrik, düşük maliyetli uçuşlar için geçerli olan kullanımlar haline gelmiştir.

Rocket Thrust

Rocket propulsion kendi o oksiterini taşır, atmosferik oksijenden bağımsız hale getirir.Bu, roket destekli kişisel uçan cihazların vakumda veya çok yüksek irtifalarda çalışmasını sağlar - Bell Rocket Belt gibi roketli kemerler için yoğun bir şekilde çalışır ve daha sonra JetPack'in kullanımı gibi firmalar tarafından kullanılan hidrojen peroksit dekompozisyon:0).

Bugün, kişisel cihazlar için roket itki büyük ölçüde deneysel ve kötü amaçlı uygulamalarla sınırlıdır. roketlerin termal ve akustik imzası onları kentsel ortamlar için pratik hale getirir. Ancak, devam eden araştırmalar hibrit roketlere ve jelecilere genişletilebilir ve güvenlik geliştirir, potansiyel olarak aşırı kişisel uçuş için yeni nişler açar.

Thrust Dynamics

Temel Newton ilişkisinin ötesinde, başarılı itme sistemi tasarımı birkaç bağlantı değişkenlerini optimize etmeye bağlıdır: egzoz hızı, kütle akışı oranı ve motor verimliliği. Aşağıdaki alt bölümler her birini ayrıntılı olarak inceler.

Eğlenme Velocity

Belirli bir kütle akışı oranı için, yüksek egzoz hızları yüksek itme sağlar. Bu yüzden jet motorları ve roketler, süpersonik hızlarda egzozlar, nispeten küçük motor çekirdeklerinden muazzam bir itme üretebilir. pervane ve düklenen-fan sistemleri, uyandırma hızı daha düşük (tipik olarak altlaronik) ancak büyük bir jet motorun neden büyük bir hız elde edebileceğini açıklıyor.

Kişisel uçan cihazlarda, mühendisler istenen üst hız, gürültü kısıtlamaları ve enerji tüketimi dengelenmelidir. Yüksek egzoz hız sistemleri düşük hızlarda daha yüksek ve düşük hızlarda daha düşük seviyelidir, ancak düşük seviyeli yüksek akış sistemleri sessizdir, ancak daha büyük yapılar gerektirir (bigger rotorlar veya dük açılışlar) yeterince hava taşımak için.

Mass Flow Rate

Hava veya pervane kütlenin ikinci başına tahrik sistemi üzerinden geçtiği oran, fan çapında doğrudan bir akışla sınırlıdır ve karbon fiber gibi kompozit malzemeler, yüksek çözünürlükte hızları yükselterek yüksek seviyelere kadar yüksek seviyelere çıkarmaktadır.

Bazı yenilikçi tasarımlar, bir kişinin artı aracıyla araç genişletmeksizin kitlesel akışı arttırmaya çalışır: eğer rotorlar veya birden çok küçük rotorlar bir matrixte düzenlenir. eVolo Volocopter 18 küçük rotorlar kullanır, her biri mütevazı bir kütle akışına katkıda bulunur, ancak kolektif olarak bir şekilde bir kişi artı araç için yeterince iter.Bu işlemden dolayı şarj edilebilir: eğer biri başarısız olursa, diğerleri uçuşu korumak için telafi edilebilir.

Motor Verimliliği ve Termal Yönetim

Bir itme sisteminde verimlilik, giriş enerjisine faydalı itme gücü oranı olarak tanımlanır (ya da elektriksel) Yanan motorlar için, ısı verimliliği genellikle% 25-40, diğer taraftan ısı olarak kaybedilmelidir. Elektrik motorları, aksine,% 90 verimliliğini aşabilir, onları dramatik olarak daha enerji verimli hale getirebilir. Ancak, elektrik güç kaynakları (barış veya yakıt hücreleri) jet yakıtından daha düşük enerji yoğunluğuna sahiptir, böylece genel sistem son derece önemlidir.

Termal yönetim, özellikle jet ve roket cihazları için kritik bir endişedir. Yüksek sıcaklık egzozları pilottan ve kırılgan bileşenlerinden uzak durmalı. Birçok kişisel jetpack tasarımları, operatörün bacaklarını korumak için seramik veya titanyum ısı kalkanları kullanır ve geri döndürür. elektrik sistemleri için, ısı motor rüzgar ve güç elektroniklerinde üretilir; aktif hava soğutma veya sıvı soğutma döngüleri kilo verir, ancak performans bozulmasını önler.

Kişisel Cihazlar için Thrust Development'da Zorluklar

Pratik, güvenli ve uygun fiyatlı bir kişisel uçan cihaz geliştirmek, saf itki fiziğin ötesine giden birkaç ilgili zorluğu çözmeyi gerektirir. Aşağıdakiler bugün mühendisler tarafından karşı karşıya kalan en acil sorunlardır.

Güç Supply ve Enerji Yoğunluğu

Tek en büyük engel enerji depolamadır.Mevcut lityum-iyon aküleri yaklaşık 250-300 Wh/kg. Bir kişi artı araç yaklaşık 20-30 kWh'ye 30 dakikalık bir uçuş için ihtiyaç duyacaktır, yani batarya kütlesi sadece 100 kg veya daha fazla olacaktır - toplam ağırlık.Bu, şarj sistemi, çerçeve, avanyalar ve güvenlik ekipmanı dahil olmak üzere biraz para yükü bırakır.

Araştırmacılar sağlam devlet pilleri, lityum-sulfur kimyagerleri keşfediyor ve enerji yoğunluğu boşluğunu kapatmak için gelişmiş süper kapasitetörleri keşfediyorlar. - O zamana kadar, kişisel uçan cihazlar, tethered güç ( kablo veya kablosuz mikrodalga iletim) mümkün olmadığı sürece kısa sürede sınırlı kalacaktır.

Gürültü ve Titreşim

Gürültü kirliliği, kişisel uçan cihazların kabul edilmesi için büyük bir engeldir. Jet motorları ve yüksek performanslıM pervaneler 100 dB'yi aşabilecek ses seviyeleri üretirler, onları yerleşim mahalleleri için uygun olmayan bir şekilde azaltırlar. Titreşim sadece pilot rahatsızlıklara neden değildir, aynı zamanda hava çerçeve bileşenleri ve zaman içinde yorgunluk başarısızlıklarına yol açabilirler, çünkü mühendisler akustik çarşaflar üzerinde çalışıyorlar, aktif gürültü iptal edilir ve daha az maliyetlidir.

Kontrol ve İstikrar Thrust Transients

Kişisel uçan cihazlar hızlı bir şekilde yanıt vermeli ve yanlışlıkla pilot girişleri tahmin etmelidir. Thrust vektöring - itme vektörünün yönünü değiştirmek - manevra için gerekli olan. jetpacks, bu genellikle motor nozullarını ya da deflector vanes kullanarak elde edilir. multicopters, itme vektörü çeşitli hızlarda yapılır. ancak, itme noktalarına hızlı değişiklikler, özellikle de yüksek bir ağırlık merkezi ile cihazlarda, yüksek bir hız kontrol ünitesi ve GPS destekli ölçüm cihazları ile ilgili olarak hızlanırlar.

Araştırmacılar, sert akışta küçük kontrol yüzeylerini kullanan güç sistemleri araştırıyorlar, dövüş jetlerinde kullanılanlara benzer. Kişisel cihazlar için, bu sistemler rüzgar gibi rahatsızlıklardan kurtulmanın yeterli bir yetkisini sağlamalıken hafif ve düşük güç olmalıdır.

Kişisel Uçuş için Thrust Teknolojisinde Future Yol

Önümüzdeki birkaç gelişmekte olan teknoloji kişisel uçan cihazlar daha pratik, daha güvenli ve erişilebilir hale getirmeye söz veriyor. Aşağıdaki eğilimler bir sonraki strüktür sistemleri şekillendiriyor.

Elektrikli Kanallı Fanlar ve Hibrit Propulsion

Elektrikli kanal fanları (EDFs), elektrikli motorların hem dikey bir yükleyicisi ile ısıtılması ile birlikte sessizliğini ve verimliliğini birleştirir.*DFLT:0)Lilium) (bu araç, beş tane elektrikli eVTOL) küçük bir elektrik motorunu kullanarak, küçük bir elektrik motorun iki dikey asansörü ve itkiğini garanti altına almak için daha küçük bir ısıtımı sağlar.

Thrust-Augmented Lift via Ground Etkisi

Zemine çok yakın uçan kişisel uçan cihazlar (bir rotor çapı ile) zemin etkisini kullanabilir, rotor ve zemin arasındaki hava yastıklarının %30'a kadar yüksek oranda artmasını sağlar.Bu, daha küçük motorlara ve daha az batarya ağırlığına izin verir. Bazı kavramlar, örneğin, çekme aşaması gibi.

Özel Thrust Systems için Katkı İmalatı

3D baskı, mühendislerin karmaşık nozul şekilleri, rotor bıçakları tasarlamasını ve kablolamalarını sağlar ve sabit olmayan ısı dökmeleri doğrudan ısıya yazdırılır.Bu, metal 3D baskılarını prototip kişisel uçan cihazlara hızlı bir şekilde kullanarak, belirli uçuş profillerini ayarlamasını sağlar. Örneğin, lattice-yapılı ısı bataklığı için, betonun ısıyı ilave etmek için egzozsuz ısıyı doğrudan yazdırabilir.

Özerk Thrust Yönetimi ve Başarısız Güvenli Sistemler

Kişisel uçuş geleceği muhtemelen sahnelerin arkasındaki itti yönetimi ele alan otonom uçuş modlarını içeriyor. Sensörler yükseklik, hava hızı ve pil durumu otomatik olarak optimal uçuş parametrelerini korumak için iter. Bir güç arızası veya motor arızası durumunda, reddant sistemleri anında yeniden yapılandırılmalıdır - tüm kontrol edilen motorların kontrol edilmemiş gecikmelerini önlemek için simetrik olarak. Ballistic parachutes, bu büyük bir roket kullanarak, büyük bir kanal kullanımı için son derece iyi bir şekilde bir yük sağlar.

Sonuç: Yenilik Motoru Olarak Thrust Dynamics

Thrust dinamikleri, tüm kişisel uçan cihazların inşa edildiği yatakdır. Kitlesel akış zamanlarının basit ilişkisinden, gürültü, verimlilik ve güvenlik arasındaki karmaşık ticarete kadar, her tasarım kararı sadece bir sonraki uçak nesli nasıl oluşturulacağı, kontrol edildiğine ve sürekli olarak devam ettirilmesine izin verir.