Самолет с „йонен вятър“: какво полетя през 2018 г. и какво последва

На 21 ноември 2018 г. в „Nature“ екип от Масачузетския технологичен институт (MIT) с професор Стивън Барет (Steven Barrett) описа самолет с петметров размах на крилата, който лети без витло, турбина или друга движеща се част в задвижването. Тягата идва от „йонен вятър“ – поток от въздух, който изтласкват електрически ускорени йони. Самолетът направи десет полета в спортна зала. Това доказа, че принципът е осъществим, но не че вече има практична машина.

Как работи йонният вятър

Принципът е известен от 20-те години на XX век. Според съобщението на MIT тънки жици по предния ръб на крилото служат за положителни електроди, а по-дебели жици отзад – за отрицателни. Високото напрежение отнема електрони от молекулите на въздуха наоколо и оставя положително заредени йони. Те се насочват към отрицателните електроди и по пътя се сблъскват с неутралните молекули на въздуха. Сблъсъците създават поток, който тласка самолета напред. Нищо в задвижването не се върти, затова то е почти безшумно и не отделя продукти от горене.

В „Nature“ са посочени подробности за електродите. Излъчвателят е жица от неръждаема стомана с диаметър 0,2 мм, колекторът е част от крило с профил NACA 0010 от пяна, покрита с алуминиево фолио, а разстоянието между тях е 60 мм. Електродите обхващат 3 метра.

Какво полетя през 2018 г.

Самолетът има размах на крилата 5 метра и тежи около 5 фунта, т.е. около 2,3 килограма. Литиево-полимерни батерии подават 40 000 волта през лек преобразувател на напрежението. В „Nature“ са описани десет полета с устойчиво хоризонтално движение. Девятият продължава между 10 и 12 секунди, а изходното напрежение се поддържа на около 40,3 киловолта.

Дължината на полета е ограничена от залата – 60 метра според MIT, а екипът го повтаря 10 пъти с подобни резултати. Статията стига и до по-общ извод: границите на отношението тяга към мощност и на плътността на тягата, които дотогава се смятаха за пречка пред идеята, могат да бъдат преодолени.

Барет определи полета като „първия досега устойчив полет на самолет без движещи се части в задвижването“. Той добави и че това е „още доста далеч от самолет, който би могъл да изпълнява полезна задача“.

Какво още не можеше самолетът

Той беше най-простата конструкция, с която може да се докаже принципът, и летя само на закрито. За тягата е нужна голяма площ на електродите, която заема по-голямата част от конструкцията. Преди това изследователите не са успявали да вдигнат нищо по-тежко от няколко грама. Според MIT предстои да се подобрят ефективността, продължителността на полета и работата на открито. Като близка цел екипът посочва по-тихи дронове, а като далечна – съчетание на йонно задвижване със сгорящи двигатели в по-икономични хибридни пътнически самолети.

Какво направиха след това

Два показателя се оказаха ключови: тягата на единица мощност и тягата на единица площ, наричана плътност на тягата. Следващите работи се опитват да подобрят и двата.

През 2021 г. Николас Гомес-Вега (Nicolas Gomez-Vega), Haofeng Xu, Джеймс Абел (James M. Abel) и Барет изследваха „разделени“ тласкачи, при които йонизацията и ускорението на йоните са две отделни стъпки. По-ранна работа на групата е показала, че така може да се подобри отношението тяга към мощност в сравнение с обичайния разряд, захранван от един източник. Новата работа измерва тласкач с йонизация чрез диелектричен бариерен разряд и с отделно постоянно напрежение за ускорението и дава пълен модел, по който може да се проектира.

През 2023 г. Гомес-Вега, Артър Браун (Arthur Brown), Xu и Барет представиха модел на „многостепенни канални“ тласкачи, при които няколко двойки електроди са наредени последователно в канал. Според модела, ако загубите на всяка степен са малки, плътността на тягата може да нарасне с порядък спрямо еднократните конструкции. В същата работа пише, че електроаеродинамичното задвижване е показано като осъществимо за самолети, но се нуждае от значителни подобрения, преди да стане практично.

През 2024 г. Люк Нелсън (C. Luke Nelson) и Даниел Дрю (Daniel S. Drew) от университета в Юта направиха петстепенно устройство за микро-летателни апарати. То достигна натоварване на диска около 18 N/m² – приблизително с порядък повече от постигнатото дотогава на тази скала – при същата измерена ефективност на тягата като в предишните работи. Авторите допускат, че такива тласкачи могат да се монтират под крилата на микроапарат и да доведат до разпределено задвижване.

Какво още трябва да се подобри

Според Нелсън и Дрю основната пречка за приложение е ограничената ефективност на тягата при практични натоварвания на диска. Прегледаните работи са модели и лабораторни тласкачи; самолетът от 2018 г. остава демонстрация на принципа, а не практичен апарат.