Первый в мире самолет без движущихся частей

Тихий, легкий самолет не зависит от винтов или турбин

Новый самолет MIT приводится в движение с помощью ионного ветра. Аккумуляторы в фюзеляже (желтоватый отсек перед плоскостью) подают напряжение на электроды (синие / белые горизонтальные линии), натянутые по всей длине плоскости, создавая поток ионов, который продвигает плоскость вперед.

С тех пор, как первый самолет совершил полет более 100 лет назад, практически каждый самолет в небе управлял с помощью движущихся частей, таких как пропеллеры, лопасти турбины и вентиляторы, которые приводятся в действие от сжигания ископаемого топлива или от аккумуляторных батарей, которые производят постоянный, ноющий гул.

Теперь инженеры MIT создали и управляли первым в мире самолетом без движущихся частей. Вместо воздушных винтов или турбин легкий самолет приводится в действие «ионным ветром» - бесшумным, но мощным потоком ионов, который вырабатывается на борту самолета и генерирует достаточно тяги, чтобы продвигать самолет в течение длительного, устойчивого полета.

В отличие от самолетов с турбинным двигателем, самолет не зависит от ископаемого топлива для полета. И в отличие от пропеллерных дронов, новый самолет совершенно бесшумный.

«Это первый в истории длительный полет самолета без движущихся частей в двигательной системе», - говорит Стивен Барретт, доцент аэронавтики и астронавтики в MIT. «Это потенциально открыло новые и неисследованные возможности для самолетов, которые являются более тихими, механически более простыми и не выделяют выхлопных газов».

Он ожидает, что в ближайшем будущем такие ионно-ветровые двигательные установки могут быть использованы для полета менее шумных беспилотников. Кроме того, он предполагает использование ионного двигателя в сочетании с более традиционными системами сгорания для создания более экономичных гибридных пассажирских самолетов и других крупных самолетов.

История разработки

Барретт говорит, что вдохновение для создания иона самолета отчасти исходит из кино- и телесериалов «Звездный путь», которые он с энтузиазмом смотрел в детстве. Его особенно тянуло к футуристическим шаттлам, которые легко скользили по воздуху, казалось бы, без движущихся частей и почти без шума или выхлопа.

«Это заставило меня подумать, что в долгосрочной перспективе у самолетов не должно быть винтов и турбин», - говорит Барретт. «Они должны быть больше похожи на шаттлы в« Звездном пути », которые имеют только голубое свечение и бесшумно скользят».

Около девяти лет назад Барретт начал искать способы создания двигательной установки для самолетов без движущихся частей. В конце концов он столкнулся с «ионным ветром», также известным как электроаэродинамическая тяга - физический принцип, который был впервые идентифицирован в 1920-х годах и описывает ветер или тягу, которые могут возникать при прохождении тока между тонким и толстым электродом. , Если приложено достаточное напряжение, воздух между электродами может создавать достаточную тягу для движения небольшого самолета.

В течение многих лет электроаэродинамическая тяга в основном была проектом для хобби, и конструкции по большей части ограничивались небольшими настольными «подъемниками», привязанными к большим источникам напряжения, которые создают достаточно ветра, чтобы небольшое судно могло ненадолго зависать в воздухе. Во многом предполагалось, что будет невозможно произвести достаточное количество ионного ветра, чтобы продвигать большие самолеты в течение длительного полета.

«Это была бессонная ночь в отеле, когда у меня было реактивное дыхание, и я думал об этом и начал искать способы, которыми это могло бы быть сделано», - вспоминает он. «Я провел некоторые расчеты с опозданием и обнаружил, что да, это может стать жизнеспособной двигательной системой», - говорит Барретт. «И оказалось, что нужно было много лет, чтобы перейти от этого к первому испытательному полету».

Как это работает?

Окончательный дизайн команды напоминает большой легкий планер. Самолет, который весит около 5 фунтов и имеет 5-метровый размах крыла, несет множество тонких проводов, которые натянуты как горизонтальные ограждения вдоль и под передним концом крыла самолета. Провода действуют как положительно заряженные электроды, в то время как более толстые провода, расположенные аналогичным образом, проходящие вдоль заднего конца крыла самолета, служат отрицательными электродами.

Фюзеляж самолета содержит стопку литий-полимерных аккумуляторов. В состав группы Барретта по созданию ионных самолетов входили члены исследовательской группы силовой электроники профессора Дэвида Перро в Исследовательской лаборатории электроники, которая разработала источник питания, который преобразует выходную мощность батарей в достаточно высокое напряжение для приведения самолета в движение. Таким образом, аккумуляторы подают электричество на 40000 вольт, чтобы положительно зарядить провода через легкий преобразователь питания.

Как только провода под напряжением, они действуют, чтобы привлечь и отделить отрицательно заряженные электроны от окружающих молекул воздуха, подобно гигантскому магниту, притягивающему железные опилки. Молекулы воздуха, которые остались позади, вновь ионизируются и, в свою очередь, притягиваются к отрицательно заряженным электродам в задней части плоскости.

По мере того как вновь образованное облако ионов движется к отрицательно заряженным проводам, каждый ион миллионы раз сталкивается с другими молекулами воздуха, создавая тягу, которая продвигает самолет вперед.

Експермент

Команда, в которую также входили сотрудники лаборатории Линкольна Томас Себастьян и Марк Вулстон, многократно летала на самолете через гимназию в спортивном центре duPont MIT - крупнейшем помещении, которое они могли найти для проведения своих экспериментов. Команда пролетела самолет на расстоянии 60 метров (максимальное расстояние в тренажерном зале) и обнаружила, что самолет производит достаточную ионную тягу, чтобы выдерживать полет все время. Они повторили полет 10 раз, с похожими характеристиками.

«Это был самый простой самолет, который мы могли спроектировать, который мог бы доказать концепцию, что ионный самолет может летать», - говорит Барретт. «Это все еще далеко от самолета, который мог бы выполнить полезную миссию. Он должен быть более эффективным, летать дольше и летать снаружи».

Команда Барретта работает над повышением эффективности их конструкции, чтобы производить больше ионного ветра с меньшим напряжением. Исследователи также надеются увеличить плотность тяги конструкции - величину тяги, создаваемой на единицу площади. В настоящее время для полета легкого самолета команды требуется большая площадь электродов, которая по существу составляет двигательную систему самолета. В идеале Барретт хотел бы спроектироват�� самолет без в��димой двигательной установки или отдельных поверхностей управления, таких как рули и лифты.

«Это заняло много времени, - говорит Барретт. «Переход от базового принципа к чему-то, что на самом деле летит, был долгим путешествием по характеристике физики, затем придумал дизайн и заставил его работать. Теперь возможности для такого типа двигательной установки жизнеспособны».