Ученые из MIT создали первый самолет, оснащенный «воздушными» ионными двигателями, и успешно испытали его в лаборатории. Дебютный полет машины продлился всего двеннадцать секунд, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.
«Наша машина стала первым самолетом, который поднялся в воздух при помощи двигателя без движущихся частей. Это открывает дорогу для создания полностью бесшумных летательных аппаратов, очень простых с механической точки зрения и при этом не выбрасывающих выхлопных газов», — заявил Стивен Барретт (Steven Barrett), профессор аэронавтики из Массачусетского технологического института (США).
Дух инноваций
Идея создания ионного двигателя далеко не нова – первые такие мысли появлялись у советских и американских конструкторов еще в 60 годах прошлого века. За последние полвека было запущено сразу несколько космических аппаратов, оснащенных подобными двигателями – советские зонды серии «Метеор» и «Космос», климатический спутник GOCE, зонды НАСА Deep Space 1 и Dawn, японская межпланетная станция «Хаябуса» и ряд других аппаратов.
Все они обладают одними и теми же преимуществами и недостатками. С одной стороны, ионные двигатели крайне экономичны, требуя крайне мало топлива. С другой, их КПД и вырабатываемая ими сила тяги крайне малы. Поэтому разгон и торможение корабля идет крайне медленно, что делает их крайне неудобным средством для доставки людей к Марсу и другим планетам.
По этим же причинам, как отмечает Барретт, инженеры никогда не рассматривали ионные силовые установки в качестве возможной замены для турбовентиляторных или турбовинтовых двигателей, применяемых сегодня в гражданской и военной авиации.
Инженеры и физики из MIT выяснили, что эти представления были ошибочными, открыв методику ионизации воздуха, которая позволит повысить КПД работы подобных двигателей на несколько порядков уже в ближайшем будущем.
Ионный ветер
Как обнаружили ученые, крыло особой формы, покрытое тонкой сеткой из электродов, может вызывать своеобразную «цепную реакцию» в воздухе, заставляя присутствующие в нем свободные электроны сталкиваться с нейтральными молекулами и выбивать из них другие частицы, заполняя окружающее их пространство «супом» из множества ионов и незаряженных частиц.
Если этот «суп» будет находиться внутри электрического поля, то заряженные частицы начнут двигаться в нем в сторону противоположного им полюса, сталкиваясь с нейтральными молекулами и заставляя их двигаться в обратном направлении. Возникнет своеобразный «ионный ветер», имеющий достаточно большую силу тяги.
Используя подобный прием, Барретт и его коллеги фактически утроили рекорд КПД ионных двигателей, повысив его с 1% до 2,4%, и создали миниатюрный самолет массой в 2,5 килограмма и с размахом крыльев в 5 метров.
Эта машина, как показали опыты ученых, смогла пролететь 55 метров в лаборатории, потратив на 12 секунд полета примерно 900 ватт электроэнергии. В будущем, как считают физики, эти показатели могут быть многократно улучшены за счет оптимизации формы крыла и улучшения свойств его ионного «оперения».
Подобные успехи, как признают ученые, могут показаться публике скромными, однако и полет братьев Райт, состоявшийся чуть больше ста лет назад, продлился крайне недолго и тоже не вызывал особого оптимизма. Однако всего через 20-30 лет после их экспериментов летающие машины стали ключевой частью армий всех ведущих держав мира и одним из главных столпов мировой экономики.