Date of Award

4-2023

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Electrical Engineering (MSEE)

Department

Electrical and Communication Engineering

First Advisor

Prof. Mahmoud F. Al Ahmad

Abstract

Since the first airplane invented 100 years ago, most or all airplanes propulsion systems are based on moving parts powered by fossil-fuel which is impacting our environment by producing unwanted gases such as carbon dioxide, methane, greenhouse gases and more, furthermore, it is well known that there is a degradation in Oil & Gas resources on earth. Therefore, scientists are interested in finding an alternative way to fly an object. Recently, ionic wind-induced by Direct-Current (DC) Corona discharge have been introduced to enhance the future generation of airplanes without the need for moving objects. Corona discharge phenomena occurs when high potential differences of the order of tens of kilovolts between two asymmetrical electrodes do exists, which enable the generation of Electrohydrodynamic (EHD) thrust in the air. As of now, no “ion” airplane with such a solid-state propulsion system has yet flown. Hence, this study takes a close outlook to investigate such possibility. This work examines the use of a multi-directional thruster integrated in an airplane structure to enhance its flying performance. The proposed design is of spherical shape that incorporates several couple of layers to generate the required ionic wind distribution. The designed airplane is composed of a body that contains the pilot cabinet with all required control and sensory systems. The body is attached by four propellers (ionic wind generators) to provide the required thrust and direction. Each propeller consists of two spheres: outer sphere and inner one. The outer sphere is a sector of distributed multi-needle electrodes. The inner sphere is shaped like a net/mesh. The outer sphere is connected to positive polarity, while the inner is connected to the negative polarity of a voltage source. This arrangement will result in the generation of a strong electric field region to ionize the surrounding gases in the gap between both spheres. The generated ions will travel from the positive outer towards the negative inner mesh which will collide the neutral atoms on the way and generate the required wind, based on established design, which will be assembled with many ionic wind producers as a sectors of sphere, the power supply for each sector will be connected to a controller to control which sector to be on and which one to be off, it will be working as a switcher, then based on selected sectors, the direction of flight will be controlled accordingly.

Arabic Abstract


العوامل المؤثرة في الرياح الأيونية في نظام دفع الهيكل الكروي للطائرة الصامتة

منذ أول طائرة تم انتاجها واختراعها قبل نحو 100 سنة، معظم بل كل محركات الطائرات تعمل على مبدأ قطع متحركة بناء على مبدأ احتراق الوقود الأحفوري والتي تؤثر سلبا على البيئة من خلال انبعاث بعض الغازات الضارة مثلا ثاني أكسيد الكربون، الميثان، غازات الاحتباس الحراري وأكثر، علاوة على ذلك، إنه من المعلوم أن مصادر الطاقة في النفط والغاز في نقصان متواصل. لذلك أصبح الباحثون شغوفون بإيجاد طرق بديلة للطيران باستخدام طاقة كهربائية نظيفة . حاليا، هناك بعض الدراسات التي تبحث في إمكانية تحسين قياسات منتجات الهواء الأيوني التي تعتمد على فرق الجهد العالي ومبدأ (Corona Discharge) إلى درجات يمكنها منافسة الطائرات التقليدية. أساس الفكرة نشأت بناء على خاصية (Corona Discharge) والتي تنتج عند وجود فرق ضغط عالي بين قطبين بينهما وسط قابل للتأين مثل الغازات والهواء، فرق الضغط العالي يصل على عشرات الكيلو فولت، ولاستثمار هذه الخاصية في إنتاج الهواء الأيوني يتم توليد فرق الجهد بين قطبين مختلفين في الشكل، وهذا ما يسمى الكهروهيدروديناميكا. حتى الآن، لم يتم تصنيع طائرة تستطيع التحليق باستخدام الرياح الأيونية. من هنا، تهدف هذه الدراسة للتحقيق فيما إذا كان هذه الفكرة ممكنة عن طريق تصميم محركات تعتمد على الكهروهيدروديناميكا تستطيع التحليق في كل الاتجاهات، يتركز التصميم على بناء أربع محركات كروية الشكل على أطار المركبة وفي الوسط تحتوي المركبة على صندوق المعدات من مصدر الطاقة (بطاريات) ومتحكم وبعض المستشعرات والكاميرات، ويتكون كل محرك من كرتين داخل بعضهما البعض، الكرة الخارجية تتكون من مقاطع (لتحديد الاتجاهات) وكل مقطع يحتوي على إبر موزعة على السطح وموجهة للداخل بحيث تكون شحنة هذه الإبر موجبة لتقوم بتأين الغاز، وأما الكرة الداخلية فتم تصميمها على شكل شبكة وتكون موصولة على القطب السالب حتى تلتقط الأيونات المنتجة بين الكرتين، المجال الكهربائي العالي عند رؤوس الإبر يقوم بتأيين الغاز والذي بدوره ينتقل للقطب السالب الذي يحاط بمجال كهربائي خفيف، انتقال الأيونات بين السطحين يقوم بالتصادم مع ذرات الغاز المتعادلة وبالتالي ينتج هواء يسمى الهواء الايوني والذي يتكفل بإنتاج قوة دافعة في الاتجاه المعاكس. بناء على التصميم المقترح والذي يتكون من أربع محركات كروية وكل محرك يتكون من مقاطع أصغر من منتجات الهواء الأيوني، يمكن توصيل هذه المنتجات بالمتحكم الذي بدوره يعمل كمبدل أو صمام محدد لاختيار أي مقطع يجب تفعيله، بهذه الطريقة يمكن التحكم باتجاه الهواء المنتج وبالتالي التحكم باتجاه الطيران.

Download
COinS