Впервые в истории электрических полетов исследователям из Массачусетского технологического института (MIT) удалось осуществить полет тяжелее воздуха с помощью двигателя без движущихся частей.
Экспериментальный самолет прокладывает путь к высокоэффективным, с нулевыми выбросами, нулевым шумом и почти нулевым техническим обслуживанием полетам.
В то время как новые электрические самолеты бьют рекорды один за другим, новый тип электрического самолета достиг отраслевого прорыва.
Чтобы поддерживать полет без движущихся частей, экспериментальный самолет использует ионный двигатель.
Ионные двигатели работают на принципах электроаэродинамики. По сути, они используют электричество для ускорения заряженных частиц, а не пропеллер или реактивный двигатель для ускорения воздуха. Это иногда называют ионным ветром.
Этот тип твердотельного двигателя действительно используется в космонавтике уже некоторое время. Однако долгое время считалось, что он неспособен к полету на Земле из-за своей неспособности преодолевать силу гравитации. По крайней мере, до сих пор.
Исследователи из MIT опубликовали статью в журнале Nature, подробно описывающую их работу по успешному достижению твердотельного полета.
По словам ведущего исследователя Стивена Барретта, вдохновением для исследования послужил его детский интерес к научной фантастике:
«Я был большим поклонником «Звездного пути», и тогда я думал, что будущее будет за самолетами, которые летают бесшумно, без движущихся частей — и, возможно, имеют синее свечение. Но уж точно никаких пропеллеров или турбин или чего-то подобного. Поэтому я начал изучать, какая физика могла бы сделать возможным полет без движущихся частей, и наткнулся на концепцию, известную как ионный ветер, которую впервые исследовали в 1920-х годах.»
Как работает ионный двигатель?
Ионный двигатель, используемый в экспериментальном самолете MIT, содержал массив высоковольтных электродов, работающих примерно на 40 000 вольт. Даже при небольшом токе, примерно 15 мА, это все равно обеспечивало около 600 Вт мощности.
Массив высоковольтных проводов несет положительный заряд над множеством отрицательно заряженных аэродинамических профилей. Этот перепад напряжения ионизирует частицы азота в воздухе, заставляя их вылетать из двигателя назад и проходить над аэродинамическими профилями.
Когда ионы азота движутся назад из двигателя, они сталкиваются с молекулами воздуха, также выталкивая их назад. Это создает тягу, толкающую самолет вперед. При достаточном количестве крошечных высоковольтных проводов и поверхностей тяга может стать достаточной для приведения в движение самолета.
Конечно, чтобы максимизировать небольшую тягу, самолет также должен быть оптимизирован. Экспериментальный самолет MIT имел размах крыла более 5 метров (16 футов), но весил менее 2,5 кг (5,5 фунтов), включая аккумулятор.
Первые полеты проходили на расстояние до 60 метров (197 футов), хотя исследователи спешат отметить, что это аналогично расстояниям, достигнутым братьями Райт в их первых экспериментальных полетах в Китти-Хоук.
После демонстрации возможности полета на ионном двигателе команда теперь будет работать над расширением его возможностей путем дальнейшей оптимизации двигателя и самолета для достижения более длительного времени полета в более широких условиях эксплуатации.
Зачем использовать ионные двигатели?
Ионный полет имеет ряд важных преимуществ, которые могут помочь электрическим полетам конкурировать с полетами на ископаемом топливе.
В отличие от традиционных двигателей внутреннего сгорания, твердотельные ионные двигатели не имеют движущихся частей и, следовательно, почти не требуют технического обслуживания. Это позволило бы двигателям работать месяцами или даже годами.
В сочетании с солнечной энергией беспилотные летательные аппараты с ионными двигателями могли бы функционировать на большой высоте в течение длительного времени, выполняя важные коммуникационные функции и действуя как мини-спутники.
Ионные двигатели также создают нулевой шум и нулевые выбросы, оказывая минимальное воздействие на окружающий мир.
Хотя текущее использование все еще ограничено из-за ранней стадии разработки технологии, области применения обширны. Учитывая, что электрические авиалайнеры почти реальность, перспективы этого типа технологий многообещающи.