低气压离子风推进器仿真与实验

离子风动力具有无需机械旋转部件、低功耗及低噪声等优点,在平流层飞艇和太阳能飞机上具有重要的应用潜力。模拟临近空间的低气压环境,采用“线-柱”电极结构电晕放电装置产生离子风,实验测量不同放电条件下离子风推进器产生的推力和推功比,研究了气压、放电电压、电极间隙对离子风动力的影响。仿真和实验结果表明,气压的降低会导致推进器推功比的下降,具体表现为:当电极间隙为2.0 cm,最大推功比由1 atm(1 atm=101325 Pa)时的17.70 mN/W降低至0.02 atm时的0.24 mN/W;而推功比的损失可以通过增大电极间隙来补偿,当电极间隙增加至14 cm,在0.02 atm的气压环境下,推功比由0.24 mN/W升至0.70 mN/W。通过优化离子风推进器结构,增加电极间隙,离子风动力具备低气压环境下的应用潜力。

基于离子风电推进系统的平流层飞艇飞行轨迹分析

针对传统螺旋桨受大气密度等环境变化影响,推力和效率显著下降的特点,提出将新型离子风电推进系统应用于平流层飞艇,建立动力学模型和相应推力模型,通过Simulink模块开展轨迹跟踪与定点控制仿真,并对15 km到30 km高度上螺旋桨和离子风作为平流层飞艇主动力的飞行轨迹进行对比分析。结果表明,40 kW功率下,在20 km以上高度,离子风动力飞艇的飞行曲线偏移量与瞬态响应时间远小于螺旋桨动力飞艇。通过优化离子风推进器的结构,选取最佳电压和电极间隙,有可能实现离子风作为飞艇的主动力。