С момента их изобретения более 100 лет назад самолеты перемещались по воздуху благодаря вращающимся поверхностям винтов или турбин. Но, просматривая научно-фантастические фильмы, такие как «Звездные войны», «Звездный путь» и «Назад в будущее», я представлял, что двигательные установки будущего будут тихими и тихими - возможно, с каким-то голубым свечением и «свистом» ”Шум, но нет движущихся частей, и нет потока загрязнения, льющегося из спины.
Этого еще не существует, но есть по крайней мере один физический принцип, который может быть многообещающим. Около девяти лет назад я начал исследовать использование ионных ветров - потоков заряженных частиц в воздухе - в качестве источника энергии для полета. Опираясь на десятилетия исследований и экспериментов, проведенных учеными и любителями, профессионалами и учеными старших классов, моя исследовательская группа недавно управляла почти бесшумным самолетом без каких-либо движущихся частей.
Самолет весил около пяти фунтов (2, 45 кг) и имел размах крыльев 15 футов (5 метров), а также пролетел около 180 футов (60 метров), так что до эффективного перемещения груза или людей на большие расстояния он далек. Но мы доказали, что с помощью ионного ветра можно летать на более тяжелом воздушном транспортном средстве. Он даже светится в темноте.
Пересматривая отброшенные исследования
Процесс, который использует наш самолет, формально называемый электроаэродинамическим двигателем, был исследован еще в 1920-х годах эксцентричным ученым, который думал, что он обнаружил антигравитацию - что, конечно, не имело место. В 1960-х годах аэрокосмические инженеры исследовали возможность его использования для обеспечения полетов, но пришли к выводу, что это невозможно сделать с пониманием ионных ветров и технологий, доступных в то время.
Однако в последнее время огромное количество любителей - и учеников старших классов, выполняющих научные ярмарки - разработали небольшие электроаэродинамические двигательные установки, которые предполагали, что он в конце концов сможет работать. Их работа имела решающее значение для первых дней работы моей группы. Мы стремились улучшить их работу, прежде всего, проведя большую серию экспериментов, чтобы узнать, как оптимизировать конструкцию электроаэродинамических двигателей.
Перемещение воздуха, а не частей самолета
Базовая физика электроаэродинамического движения относительно проста для объяснения и реализации, хотя некоторые из лежащих в основе физики сложны.
Мы используем тонкую нить или провод, который заряжается до +20 000 вольт, используя легкий преобразователь питания, который, в свою очередь, получает питание от литий-полимерной батареи. Тонкие нити называются излучателями и находятся ближе к передней части плоскости. Вокруг этих излучателей электрическое поле настолько сильное, что воздух ионизируется - нейтральные молекулы азота теряют электрон и становятся положительно заряженными ионами азота.
Дальше назад к плоскости мы помещаем аэродинамическую поверхность - как небольшое крыло - передний край которой является электропроводящим и заряжается до -20 000 вольт тем же преобразователем мощности. Это называется коллекционером. Коллектор притягивает к себе положительные ионы. Когда ионы движутся от эмиттера к коллектору, они сталкиваются с незаряженными молекулами воздуха, вызывая то, что называется ионным ветром, который течет между эмиттерами и коллекторами, продвигая плоскость вперед.
Этот ионный ветер заменяет поток воздуха, создаваемый реактивным двигателем или винтом.
Начиная с малого
Я провел исследование, которое изучало, как на самом деле работает этот тип движителя, развивая детальное знание того, насколько эффективным и мощным он может быть.
Моя команда и я также работали с инженерами-электриками над разработкой электроники, необходимой для преобразования выходной мощности батарей в десятки тысяч вольт, необходимых для создания ионного ветра. Команда смогла изготовить преобразователь энергии намного легче, чем любой ранее доступный. Это устройство было достаточно маленьким, чтобы быть практичным в конструкции самолета, который мы в конечном итоге смогли построить и летать.
Наш первый полет, конечно, очень далек от полета людей. Мы уже работаем над тем, чтобы сделать этот тип двигателя более эффективным и способным выдерживать большие нагрузки. Первым коммерческим применением, если предположить, что оно зашло так далеко, могло бы стать создание бесшумных беспилотных летательных аппаратов, в том числе для мониторинга окружающей среды и коммуникационных платформ.
Заглядывая дальше в будущее, мы надеемся, что его можно будет использовать в более крупных самолетах, чтобы снизить уровень шума и даже позволить внешней обшивке самолета помочь создать тягу вместо двигателей или для увеличения их мощности. Также возможно, что электроаэродинамическое оборудование может быть миниатюрным, что позволяет создавать новые разновидности нанодронов. Многие могут поверить, что эти возможности маловероятны или даже невозможны. Но это то, что инженеры 1960-х думали о том, что мы уже делаем сегодня.
Эта статья была первоначально опубликована на разговор.
Стивен Барретт, профессор аэронавтики и космонавтики Массачусетского технологического института
