В США испытали модель ионолета
Ученые из Массачусетского технологического института провели первые летные испытания модели самолета-ионолета, в котором для обеспечения потребной тяги используется явление ионного ветра, иначе называемое эффектом Бифельда—Брауна. Об этом говорится в статье разработчиков, опубликованной в Nature. Во время испытаний самолет с помощью ионной тяги пролетел около 60 метров на высоте 47 сантиметров от пола. Запуск летательного аппарата производился с помощью катапульты, пишет издание N + 1.
Самолет, который называется Version 2 EAD Airframe, или V2, весит всего 2,45 килограмма, а размах крыла составляет пять метров, сообщает агентство Reuters.
«Это первый полет самолета без подвижных частей», — отметил конструктор Стивен Барретт. Подобные летательные аппараты интересовали его с детства, с тех пор как он впервые посмотрел сериал «Звездный путь».
«После этого фильма я стал задумываться, что в будущем на самолетах не должно остаться пропеллеров и турбин, — признается Барретт. — Они должны стать похожими на космические корабли из “Звездного пути”, которые испускают только синее свечение и тихо скользят».
Явление ионного ветра характеризуется образованием потока ионизированного воздуха между двумя разнесенными друг от друга электродами, на которые подается высокое напряжение в десятки киловольт. Ранее некоторые исследователи предлагали возможные конструкции летательных аппаратов, которые использовали бы явление ионного ветра, однако эти проекты были закрыты. Считается, что двигатели, использующие эффект Бифельда—Брауна, не могут обеспечить большую тягу.
В реальности были сделаны несколько экспериментальных летательных аппаратов, названных лифтерами или ионолетами. Они представляют собой легкий корпус в виде многоугольника, обычно треугольника, на котором расположены один электрод в виде медной проволоки и второй в виде ленты фольги. Такие аппараты могут подниматься вертикально, но совершенно неуправляемы. Собрать лифтер можно самостоятельно в домашних условиях.
Модель самолета-ионолета, сделанная американскими учеными, выполнена по схеме высокоплана. Под консолями крыла исследователи установили по четыре горизонтальные пары электродов, благодаря которым и возникает явление ионного ветра. По данным ученых, двигатель такой конструкции обеспечивает тягу в три ньютона (около 306 грамм-сил). Потребляемая мощность силовой установки — 500 ватт.
Самолет получил аккумуляторную сборку из литий-полимерных батарей, способную выдавать напряжение от 160 до 225 вольт. Постоянный ток от сборки преобразуется в переменный высокой частоты с помощью резонансного инвертора с обратной связью. Затем переменный ток поступает на повышающий трансформатор с соотношением 1:15, а после него — на генератор Кокрофта—Уолтона. Последний представляет собой двухполупериодный умножитель напряжения на шести диодных мостах и 18 конденсаторах. На его выходе формируется напряжение 40 киловольт.
Напряжение с выхода умножителя подается на электроды под крылом и через резистивный делитель — на вход обратной связи резонансного инвертора. Разработчики утверждают, что все преобразователи и трансформаторы были спроектированы ими с нуля и собраны вручную, благодаря чему удалось добиться существенного уменьшения их массы по сравнению с готовыми такими схемами. В итоге отношение мощности к массе у энергетической установки составляет 1,2 киловатта на килограмм, а тяги — 6,2 ньютона на килограмм.
С учетом полученных результатов можно вычислить тяговооруженность модели самолета-ионолета, которая составляет 0,12. Для сравнения: тяговооруженность стратегического бомбардировщика Ту-160 составляет 0,37. Во время испытаний исследователи сначала с помощью катапульты запускали модель самолета с выключенным двигателем. Дальность планирования модели составила в среднем десять метров. Затем была проведена серия запусков с включенным двигателем. Средняя дальность полета модели составила 45 метров, а максимальная — 60. Запуски производились в помещении.
Ученые считают ошибочным мнение, что двигатели, построенные на явлении ионного ветра, не могут обеспечивать потребную тягу для больших летательных аппаратов. Совершенствование конструкции двигателей позволит создавать мощные силовые установки, которые по сравнению с современными авиационными двигателями будут более экологичными и экономичными. В частности, их нужно будет реже ремонтировать, поскольку такие двигатели лишены подвижных частей.
Впрочем, как пишет «Вести.Наука», новичок еще очень далек от самолета, который мог бы выполнять полезные функции. Все-таки такая машина должна летать дольше и вне помещений, а также иметь возможность перевозить хоть какую-то начинку, не говоря уже о возможных грузах.
Сейчас авторы работают над усовершенствованием ионного двигателя. В частности, они планируют увеличить плотность тяги (отношение силы тяги к площади сечения реактивной струи).
Как надеются исследователи, в будущем подобные двигатели смогут поднять в воздух бесшумные и экологичные дроны для решения самых разных задач.
Один из вариантов ионного двигателя используется в некоторых космических аппаратах, например в New Horizons, который пролетел около Плутона, или BepiColombo, направляющийся сейчас к Меркурию. В космосе источником ионов может быть захваченный заранее запас газа, а в атмосфере можно использовать окружающие атомы и молекулы, так как электричество заставляет их сталкиваться, терять электроны и превращаться в ионы, пишет издание «Индикатор».
В используемых в настоящее время ионных двигателях применяется запас топлива, как правило, ксенона. Но существует и концепция прямоточных ионных двигателей, которая, правда, пока не применялась на летавших в космос аппаратах. Ее отличие в том, что в качестве рабочего тела предлагается использовать не конечный запас газа, загружаемый в бак перед запуском, а воздух из атмосферы Земли или другого атмосферного тела.
Относительно небольшой аппарат с таким двигателем сможет практически неограниченно находиться на низких орбитах высотой примерно от 150 километров, компенсируя атмосферное торможение тягой двигателя, работающего на воздухе, поступающем в него из атмосферы. В 2009 году ESA запустило спутник GOCE, который смог за счет постоянно включенного ионного двигателя с запасом ксенона пробыть на 255-километровой орбите в течение почти пяти лет. После этого агентство занялось разработкой прямоточного ионного двигателя для аналогичных низкоорбитальных спутников, и провело первые испытания такого двигателя.
Испытания проходили в вакуумной камере, в которой располагался двигатель. Первоначально в него подавали ускоренный ксенон. После этого в газозаборное устройство начали добавлять смесь кислорода с азотом, имитирующую атмосферу на высоте 200 километров. В конце испытаний инженеры провели тесты исключительно с воздушной смесью для проверки работоспособности в основном режиме.
Стоит отметить, что аналогичный двигатель разрабатывается и в России, его испытания начались в 2017 году. Как сообщил N + 1 профессор МАИ Сергей Хартов, во время успешных испытаний этого двигателя использовался еще один электрореактивный двигатель. Он подавал в устройство для забора газа поток воздуха с давлением 10–5 от атмосферного и скоростью около восьми километров в секунду. Это имитировало реальные условия для спутника, летящего на низкой орбите.
Специалисты Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н. Е. Жуковского (ЦАГИ) реализуют этот проект совместно с Московским авиационным институтом.
Работа посвящена созданию и использованию прямоточных воздушных электрореактивных двигателей (ПВЭРД) для долговременного поддержания космических аппаратов (КА) на сверхнизких орбитах — 150–250 км. Исследования проводятся в рамках программы ЦАГИ—РАН. В октябре в ЦАГИ провели серию наземных испытаний ПВЭРД, сообщили в пресс-службе института.
Преимуществом перспективного аппарата с ПВЭРД станут его экономичность и длительность пребывания на орбите, ограниченная лишь физическим ресурсом двигателя, а не запасом топлива. Предполагается, что роль топлива будет играть разреженный воздух из атмосферы, который ионизируется и разгоняется в электромагнитном поле. Получившаяся плазма устремляется из двигателя наружу, сообщая КА ускорение в противоположном направлении. Полет на сверхнизких орбитах позволит КА выполнить те же целевые задачи, что и на популярных сегодня низких орбитах высотой порядка 1000 километров, но значительно уменьшить массу КА и, соответственно, затраты на его запуск (примерно в 300 раз). На порядки можно снизить и требуемые мощности передатчиков и приемников спутниковой связи.
На данном этапе ученые ЦАГИ имитировали работу двигателя при различной плотности воздуха в специальной ионосферной аэродинамической трубе. Зажечь плазму можно только начиная с определенной плотности атмосферного газа — это значит, что есть высота, выше которой использование ПВЭРД невозможно из-за слишком разреженного воздуха. Специалисты получили это пороговое значение плотности и по нему вычислили диапазон высот, где атмосфера уже достаточно разрежена для уменьшения аэродинамического сопротивления, но еще позволяет запустить двигатель, тяга которого компенсирует сопротивление внешней среды.
По словам специалистов, испытания прошли успешно, результаты подтвердили реализуемость процесса ионизации в ранее предсказанном диапазоне высот 150–190 км.
«Мы убедились, что выбранная схема двигателя позволяет зажечь плазму на ожидаемой высоте. Следующий шаг — определение ресурса двигателя. Ученые ЦАГИ с коллегами из других организаций представят технические решения, направленные на повышение ресурса, затем последует его расчетное определение, а финальным этапом станет проверка теоретических результатов экспериментами. После завершения всего комплекса наземных испытаний планируется провести летный эксперимент на сверхнизких орбитах в космосе», — сообщил руководитель программы аэрокосмических исследований ФГУП ЦАГИ Александр Филатьев.
> Программа ЦАГИ—РАН действует с 2000 года. Ее цель — применение результатов фундаментальных исследований Российской академии наук для решения практических задач авиационно-космической отрасли. ЦАГИ в качестве головного института выполняет связующую роль между РАН и предприятиями промышленности, организуя прикладные исследования по наиболее актуальным проблемам авиастроения.