Institutul de Cercetare Dezvoltare pentru Materie Condensata si Electrochimie Timisoara
Proiect:Validarea experimentala a propulsiei ionice in conditii de laborator.
Demonstrator: sistem de zbor cu motor ionic rotativ,
Codul de inregistrare al proiectului:PN-III-P2-2.1-PED-2019-364
Contract finantare: PED 414 2020-IPROLAB
Director proiect:Chirita Mihaila Ion Marius
Raport tehnic/stiintific Etapa I (01.11-31.12. 2020)
Activitatile asociate anului 2021 au fost orientate catre optimizarea modelului de lucru (design si parametri constructivi) si utilizarea rezultatelor obtinute la realizarea practica a unor sisteme complete (ground si elice) care sa asigure o forta de propulsie pe verticala la nivelul maxim asigurat de motorul ionic rotativ.
In acest scop au fost realizate motoare cu 30 de contraelectrozi cu morfologie cilindrica,cu dimensiuni intre 14 si 32 cm (din centimetru in centimetru si cu inaltimi diferite adaptate pentru una, doua si trei elice), 21 de groundu-ri cu profil toroidal cuprinzand 3 tipuri de forme de ground-uri toroidale si invers toroidale cu diametre cuprinse intre 14 si 20 cm si cu raze de curbura cuprinse intre 2 si 6 cm, din 0,5 in 0,5 centimetri, 5 ground-uri cu morfologie trunchi de con cu diametrul bazei mici D = 17 cm si inaltimi diferite (diametrele bazei mari diferite).
Pe de alta parte, au fost testate diferite geometrii si densitati de distributie ale surselor de particule electrice (ace metalice) in vederea stabilirea numarului optim de acestora, distantele de plasare ale acestora pe paletele elicelor si lungimea acestora.
O alta directie de actiune a urmarit optimizarea dimensiunii si a geometriei benzii de Cu aplicate pe palele elicelor, in directa corelatie cu geometria contraelectrodului, aceasta fiind modificata atat ca forma (de cea cilindrica la forma toroidal complexa) cat si ca dimenisiune (diametru intern si extern).
In vederea testarii in laborator a motoarelor si ansamblurilor cu 2, 3, 4, 6 motoare RIE a fost proiectat si construit un dispozitiv de testare si determinare a valorii fortei ascensionale. Acesta permite masurarea cu precizie a fortei de apasare exercitate asupra unei balante electronice, de catre o tija cu lungimea de 2 m actionata de motorul ionic rotativ (fig.1).
Fig1. Proiect ansamblu instalatie de testare forte
Un alt rezultat planificat rezultat planificat a fost obtinerea a doua surse de inalta tensiune care sa permita testarea motoarelor ionice rotative in conditii diverse, in scopul determinarii variantelor cele mai parformante ale acestora. Conform imaginii de mai jos, (Fig. 2), s-au printat la imprimanta 3D un numar de 31 de contraelectrozi cilindrici cu diametre cuprinse intre 14 cm si 20 cm, dintre care 18 ultrausoare, proiectate special pentru a reduce greutatea, un numar de 27 contraelectrozi toroidali, cinci contraelectrozi trunchi de con, ansambluri contraelectrod si subansambluri pentru legaturi/completari, etc.
Fig. 2 Contraelectrozi executati la imrimanta 3D : de la snga la deapta. Toroizi, cilindri, cilindri usori, trunchiuri de con
Raport tehnic/stiintific Etapa a-II-a 2021
Asamblarea RIE optimizate pe bancul de testare pentru testarea fortelor este prezentata in Fig. 3. Sistemul a fost conceput astfel incat sa permita deplasarea electrodului central (electrodul negativ) atat pe orizontala cat si pe vertical.
Fig. 3 Asamblarea pe bancul de testare a fortelor pentru un motor cu simpla elice (stanga) si pentru doua elice (dreapta).
Asamblarea sistemului geometric
optimizat pe bancul de testare pentru testarea fortelor unui singur motor RIE
cu dubla elice si a doua motoare legate in parallel cu cate o elice este
prezentata in Fig. 4.
Fig. 4 Asamblarea pe bancul de testare a fortelor pentru un motor cu dubla elice si pentru doua motoare legate in parallel (dreapta).
Masuratori relevante pentru un motor sunt incluse in tabelul 1. Forta maxima obtinuta a fost F = 26,41 gF la 98,2 kV, I = 1 mA, si o turatie de 3121 rot/min. Constructia sistemului de doua motoare si amplasarea lor s-a facut astfel incat sa se evite decarcarile accidentale. Cele doua motoare au fost echipate cu cate o elice de diametru D = 12,4 cm cu cate 2 electrozi. Elicele au fost stabilizate la 6 cm deasupra nivelului superior al ground-urilor toroidale. Masuratori relevante sunt incluse in tabelul 2. Forta maxima obtinuta a fost F = 46,25 gF la 94,7 kV, I = 2 mA, si o turatie de 2797 rot/min.
Obs. 1 Fortele la doua motoare (fata de un singur motor) aprope se dubleaza la orice tensiune si current. Deviatiile sunt mai mari la tensiuni si curenti mici unde erorile de masurare sunt mai mari.
Obs. 2 Acest lucru
demonstreaza ca pierderile de forta si putere sunt mici cand se
trece de la un motor la doua. Figura 5 reprezinta raportul dintre fortele la un
motor si la doua motoare. Se observa ca raportul este aproximaiv liniar ceea ce
ne indica ca fortele sunt scalabile cu numarul de motoare folosite
ceea ce ne indreptateste sa consideram ca obiectivele etapei din anul 2022 vor
putea fi indeplinite.
Fig. 5 Raortul fortelor F1/F2, un motor/doua motoare vs. tensiune (stanga) si vs. current (dreapta).
In concluzie, ne asteptam ca utilizarea a trei, patru si respective 6 motoare planificate sa fie facute in prima perioada a anului 2022 sa aduca un plus de forta, proportional cu numarul lor.
Rezultate partiale relevante in urma tuturor optimizarilor/testelor efctuate obtinute in intervalul decembrie 2020 - decembrie 2021(finalizare mai 2022), sunt urmatoarele:
1. Contraelectrod cu profil toroidal cu dimensiunile 170x25x35x18 [cm].
2. Inaltimea plasarii elicei in raport cu nivelul superior al contraelectrodului h =6 cm.
3. Lungimea foliei de Cu de pe palele elicei si pozitiile de plasare a electrozilor conform tabelului 1 din raportul tehnic, ultima pozitie.
4. Fortele si dependenta lor de tensiune, curent, turatie conform tabelelor 1 si 2:
|
h [cm] |
U [kV] |
I [mA] |
N [rot/min] |
F [g] |
|
7,5 |
98,2 |
1 |
3121 |
26,41 |
|
7 |
95 |
0,9 |
3084 |
25,41 |
|
6 |
90,4 |
0,95 |
3065 |
24 |
|
5,5 |
92,6 |
1 |
3040 |
24,61 |
Tabel 1 masuratori relevante pentru motorul “single” RIE toroidal 170x25x35x18
|
h [cm] |
U [kV] |
I [mA] |
N [rot/min] |
F [g] |
|
7,5 |
94,7 |
2 |
2797 |
46,25 |
|
7 |
98,4 |
2,03 |
2798 |
45,2 |
|
6 |
96,4 |
1,95 |
2820 |
45,55 |
|
|
|
|
|
|
|
5,5 |
92,12 |
1,89 |
2740 |
42,41 |
Tabel 2 masuratori relevante pentru motorul dubla propulsie RIE cu contraelectrod toroidal 170x25x35x18
Raportandu-ne la rezultatele publicate la nivel international, fortele reprezentate in cele doua tabele constuie un record unic si absolut la data “Decembrie 2021”.De asemenea, geometria care a permis obtinerea acestor valori este unica pentru motoarele cu propulsie ionica.Pentru elicele CRP s-au obtinut aceleasi date cu mici diferente in limitele erorilor de masura. Sistemele CRP au totusi un avantaj si anume acela ca momentul cinetic /motor este conservat. Curentul in cazul CRP este mai mare cu cca 10 %. Pentru elicele cu trei si cu 4 pale dar si peentru elicea cu diametru D = 18,5 cm, s-au obtinut rezultate similare cu cele din tabelul 2, cu mici diferente in limitele erorilor.
Au mai fost realizate:
O5/A52/R52 Articol trimis la publicare:Marius Chirita, Adrian Ieta, First Rotary Ionic Engine with Counter-Rotating Propellers, Journal of Propulsion and Power trimis in data de 06.05 2021, cod inregistrare 2021-05-B38521, statut la 09.12.2021 revizia a-II-a, R2.
O6/A61/R61
1) Oral Presentation: Empirical Optimization of Rotary Ionic Engines, Marius Chirita, Adrian Ieta, Mircea Nicolaescu, Virgil Rotaru, „2021 Annual Meeting of the Electrostatics Society of America” Oklahoma University, USA, 14-16 Iunie 202.
2) Prezentare RO.230, European Exhibition of Creativity and Innovation, Iasi 20-22 MAY 2021 Marius Chirita, Adrian Ieta, Electrohydrodynamic propeller for in-atmosphere propulsion; rotational device firs flight. Rezultatele au fost recompensate cu medalia de aur.
O6/A62/R62 Rezultatele relevante transmise catre publicare la Journal of Propulsion and Power la luna Mai 2021sunt:
1) Viteza de rotație pentru o singură elice (P2) RIE a atins peste 2800 rpm față de maxim 1720 rpm raportat anterior.
2) Am introdus o măsură de eficiență pentru RIE ca raportul dintre energia cinetică și puterea totală absorbită.
3) Eficienței RIE-urilor studiate se poate modifica în funcție de parametrul variabil utilizat (tensiune, curent, viteză, putere) și optimizările ar trebui făcute în consecință.
4) De asemenea, am constatat că raportul dintre puterea absorbită și viteza elicei variază liniar cu curentul total în intervalul explorat și ar putea fi utilizat pentru a compara modelele RIE.
5) Experimentele calitative efectuate arată pentru prima dată efectele conservării momentului unghiular în RIE.
6) Într-un CRP RIE, perechea elice stânga/dreapta induce moment unghiular zero în system.
7) Dacă viitoarele drone ionice bazate pe RIE vor putea fi dezvoltate, CRP-urile au avantajul de a fi proiectate ca sisteme cu moment unghiular zero.
8) S-a raportat pentru prima oara posibilitatea de a plasa doua elice pe acelasi ax in system CRP care sa aiba moment unghiular zero.
O7. La realizarea tuturor imbunatatirilor experimentale s-au utilizat cicluri PDCA (plan-do-check-act), in scopul eficientizarii activitatilor si obtinerea trasabilitatii proceselor. Rezultatele calaculelor si testelor au fost salvate alaturi de reprezentarile grafice realizate si inregistrari fotografice.
Contract finantat de UEFISCDI nr. 414 PED/2020, valoare totala a contractului 593555 lei.