افزایش عملکرد پیشرانش پلاسمای کرونا با تغییر پیکربندی خطی الکترودها با هندسه‌های غیرخطی برای کاربردهای هوافضایی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی هوافضا، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

2 دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

چکیده
یکی از فناوری‌های نوین در حوزه پیشرانش پلاسمایی که اخیراً مورد توجه قرار گرفته، پیشرانش‌های پلاسمای کرونا هستند. این سامانه‌ها با استفاده از تخلیه الکتریکی بین الکترودهای ساطع و جاذب و بهره‌گیری از منبع تغذیه ولتاژ بالا، جریان یونی و نیروی پیشران تولید می‌کنند. در اغلب پژوهش‌های پیشین، از پیکربندی خطی برای تحلیل عملکرد این سامانه‌ها استفاده شده است. پژوهش حاضر با هدف بهبود عملکرد سامانه پیشرانش پلاسمای کرونا، از طریق بازطراحی هندسی الکترودها انجام شده است. در این تحقیق، با هدف بهبود عملکرد سامانه‌های پیشرانش پلاسمای کرونا برای کاربردهای هوافضایی، پیکربندی‌های هندسی جدیدی برای الکترودهای ساطع نظیر ساختارهای مثلثی و شش‌ضلعی پیشنهاد و بررسی شده‌اند. در این تحقیق، تحلیل سیستماتیک پارامترهای طراحی پیشرانش پلاسمایی و تأثیر هندسه الکترودها بر عملکرد سیستم، با استفاده از داده‌های تجربی و مدل‌سازی نرم‌افزاری انجام شده است. آزمایش‌های تجربی در ولتاژهای بالا تا ولتاژ ۳۳ کیلوولت و با دقت اندازه‌گیری تراست 0/2± میلی‌نیوتن بر متر با استفاده از الکترودهای مسی و آلومینیومی صورت گرفته است. نتایج آزمایش‌های تجربی در ساختارخطی و مدل‌سازی در پیکربندی‌های هندسی نشان می‌دهد که آرایش‌های غیرخطی، به‌ویژه شش‌ضلعی، به دلیل تقارن شعاعی و توزیع یکنواخت‌تر میدان الکتریکی، عملکرد بهتری دارند. آرایش شش‌ضلعی الکترودهای ساطع نسبت به پیکربندی خطی مرسوم، تراست را تا 49 درصد و راندمان را تا 11 درصد افزایش داده‌اند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Enhancing the Performance of Corona Plasma Propulsion by Replacing Linear Electrode Configuration with Nonlinear Geometries for Aerospace Applications

نویسندگان English

Seyed Abolfazl Mousavi 1
Farshad Pazooki 1
Seyed Hossain Sadati 2
Rouhollah Khoshkhoo 2
1 Department of Aerospace Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.
2 Faculty of Aerospace Engineering, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.
چکیده English

One of the emerging technologies in the field of plasma propulsion that has recently attracted attention is corona plasma propulsion systems. These systems generate ion flow and thrust force through electrical discharge between emitter and collector electrodes, utilizing a high-voltage power supply. In most previous studies, a linear configuration has been used to analyze the performance of these systems. The present study aims to enhance the performance of corona plasma propulsion systems through the geometric redesign of electrodes. To improve the performance of corona plasma propulsion systems for aerospace applications, new geometric configurations for the emitter electrodes—such as triangular and hexagonal structures—have been proposed and investigated. This research includes a systematic analysis of plasma propulsion design parameters and the effect of electrode geometry on system performance, using both experimental data and software modeling. Experimental tests were conducted at high voltages up to 33 kilovolts, with thrust measurements taken with an accuracy of ±0.2 millinewtons per meter, using copper and aluminum electrodes. The experimental results from the linear structure and the modeling of geometric configurations indicate that non-linear arrangements—particularly the hexagonal configuration—demonstrate better performance due to radial symmetry and a more uniform distribution of the electric field. The hexagonal arrangement of emitter electrodes improved thrust by up to 49% and efficiency by up to 11% compared to the conventional linear configuration.

کلیدواژه‌ها English

Corona Plasma
Propulsion
Thrust
Efficiency
Geometric Configuration
[1] Christenson, E. A., & Moller, P. S. (1967). Ion-neutral propulsion in atmospheric media. AIAA Journal, 5(10), 1768–1773. https://doi.org/10.2514/3.4307
 
[2] Davis J L, Hoburg J F. Wire-Duct Precipitator Field and Charge Computation Using Finite Element and Characteristics Methods. Journal of Electrostatics, 1983; 14:2:187–199. DOI:10.1016/  S0304-3886(96)00031-9
 
[3] Javadi H, Farzaneh M, Measuring of Corona Discharge Inception Voltage to Determine Electric Field over the nonhomogeneous Electrodes in the Air Insulation, 19th International Power System Conference, 2004. (in Persian)
 
[4] Jewell-Larsen N E, Karpov S V, Krichtafovitch I A, Vivi Jayanty, Hsu C P, Mamishev A V. Modeling of Corona- Induced Electrohydrodynamic Flow with COMSOL Multiphysics. Proc. ESA Annual Meeting on Electrostatics, Paper E1, 2008  DOI:10.1016/ j.elstat.2020.103446
 
[5] Wilson J, Perkins H D, and Thompson W K. An Investigation of Ionic Wind Propulsion. No. NASA/TM- 2009-215822. 2009. DOI:10.1109/  ICHVE49031.2020.9279492
 
[6] Colas D F, Ferret A, Pai D Z, Lacoste D A, Laux C O, Ion Wind Generation by a Wire-Cylinder-Plate Corona Discharge in Air at Atmospheric Pressure. Journal of Applied Physics. 2010; 108:10; 1-6. DOI:10.1063/1.3514131
 
[7] Kachi M, Dascalescu L, Corona Discharge in Asymmetric Electrode Configurations, Journal of Electrostatics,2014;72:6-12 DOI:10.1016/ j.elstat.2013.11.001
 
[8] Moreau E, Benard N, Alicalapa F, Douyère A, Electrohydrodynamic Force Produced by a Corona Discharge Between a Wire Active Electrode And Several Cylinder Electrodes. Application to Electric Propulsion. Journal of Electrostatics, 2015; 76:194-200. DOI:10.1016/j.elstat.2015.05.025
 
[9] Wang W, Yang L, Wu K, Lin C, Huo P, Liu S, Huang D, Lin M. Regulation-Controlling of Boundary Layer by Multi- Wire-to-Cylinder Negative Corona Discharge. Applied Thermal Engineering, 2017; 119:438-448.  DOI 10.1016/ j.applthermaleng.2017.03.092
 
[10] XU H, He Y, Kieran L S, Christopher K G, Sean P K, Cooper C H, Sebastian T, Mark R W, David J P, & Steven R B. Flight of an Aeroplane with Solid-State Propulsion. Nature, 2018; 563. DOI:10.1038/s41586-018-0707-9
 
[11] Drew D S, et al. Toward Controlled Flight of the Ionocraft: a Flying Microrobot Using Electrohydrodynamic Thrust with Onboard Sensing and No Moving Parts. IEEE Robotics and Automation Letters, 2018 3.4, 2018:2807-2813. DOI:10.1109/LRA.2018.2844461
 
[12] Fathi A, Ahangar M, M. Numerical simulation of corona discharge regime created by cylinder wire configuration under atmospheric conditions, Journal of Mechanical Engineering, Modares, 2018, Vol. 18, No. 2, pp. 32-323 (in Persian)
 
[13] Shintaro S, et al. Successively Accelerated Ionic Wind with Integrated Dielectric-Barrier-Discharge Plasma Actuator for Low-Voltage Operation. Scientific reports 9.1, 2019: 1-11. DOI: 10.1038/s41598-019-42284-w
 
[14] Fathi A, Ahangar M, M., Plasma flow modeling in an electrohydrodynamic thruster, Second, Section Quarterly Scientific Research Journal of Space Science and Technology 2019, Vol. 12, No. 2, pp. 1-10 DOI 10.30699/jsst.2019.82177 (in Persian)
 
[15] Aghaei Malek Abadi M, Khoshkhoo R, Soltani Ahmadi H, Numerical simulation of corona discharge regime in cylinder wire configuration under atmospheric conditions, Journal of Aerospace Science and Technology 2019, Vol. 12, No. 2, pp. 18-36 (in Persian)
 
[16] Cogollo M, Balsalobre P, Lantada A, Puage H, Design and Experimental Evaluation of Innovative Wire-to-Plane Fins’ Configuration for Atmosphere Corona-Discharge Cooling Devices, Journal of Applied Science, 2020; 10, 1010: 1-15. DOI:10.3390/app10031010
 
[17]  Li, T., Chen, K., & Zhao, H. (2020). Influence of electrode spacing on plasma propulsion efficiency. International Journal of Aerospace Engineering, 2020, 789–801. https://doi.org/10.1155/2020/789801 
 
[18] Chen, L., Yang, M., & Zhang, F. (2022). Theoretical modeling of ion acceleration in plasma propulsion systems. Aerospace Science and Technology, 140, 567–578. https://doi.org/10.1016/j.ast.2022.03.012 
 
[19] Gu L, Tan W, Jiang Z, Chen X, Ren W, Jin Z, Relationship between Corona Discharge Thrust and Applied Voltage’s Polarity, Journal of Energies, 2023; 16 :1-11. DOI:10.3390/en16145257
 
[20]Hosseini Moradi,S. A. and alborznia,H. (2023). Protecting electronic equipment against electromagnetic waves of ku band using single and multilayer plasma. Aerospace Defense, 2(2), 1-16.
[21]S.A. Hossini Moradi, H. Ranjbar Askari, M. Rahimi, (2014). The Absorption of X-band Radar Electromagnetic Waves in the Plasma Layer Blades in Consecutive Reflections, Iranian Journal of Marine Science And Technology, 18(69), 39. magiran.com/p1281389
 
[22]  Smith, J., & Jones, R. (2024). Optimization of plasma emitter configurations. Nature Communications, 15, 1234. https://doi.org/10.1038/s41467-024-01234-5 
دوره 4، شماره 1
بهار 1404
صفحه 102-120

  • تاریخ دریافت 28 اسفند 1403
  • تاریخ بازنگری 10 اردیبهشت 1404
  • تاریخ پذیرش 05 خرداد 1404