Ионный ветер: Ионный ветер

как создание ионолёта может изменить современную авиацию — РТ на русском

Короткая ссылка

Виктор Миронов

Американские учёные испытали самолёт, работающий на ионной тяге. Это явление, при котором движение воздуха создаётся с помощью электрического поля. В ходе испытаний аппарат пролетел 60 м. Инженеры планируют усовершенствовать конструкцию машины, чтобы она смогла преодолевать большие расстояния и перевозить пассажиров.

Инженеры Массачусетского технологического института провели успешное испытание ионолёта. В действие такой аппарат приводит ионная тяга — явление, при котором движение воздуха создаётся с помощью электрического поля. Силовая установка обеспечила ионолёту тягу в три ньютона. Аппарат смог пролететь 60 м.

От идеи до воплощения

Автор исследования Стивен Барретт задумал разработку бесшумного и безопасного для окружающей среды летательного аппарата несколько лет назад. Вдохновение для создания ионного самолёта инженер черпал из фильма и сериала «Звёздный путь». Наблюдая в детстве за космическими кораблями, скользившими по воздуху на экране телевизора, будущий инженер мечтал однажды претворить фантастическую задумку сценаристов в жизнь.  

«Я полагал, что турбины и пропеллеры не будут нужны летательным аппаратам будущего. В моём воображении самолёты должны были напоминать шаттлы из «Звёздного пути», которые тихо скользят по воздуху, могут вертикально садиться и взлетать, а также зависать над поверхностью», — сообщил Баррет.

Около девяти лет назад Баррет начал искать способы создания двигательной установки для «самолёта будущего». Инженер решил обратиться к явлению ионного ветра, также называемому эффектом Бифельда — Брауна. В 1921 году физики Пауль Бифельд и Томас Браун выяснили, что ионный ветер возникает между двумя отрицательно заряженными электродами, если по металлическому проводу между ними пустить ток.

В 1960-е годы в США изобретатель и авиаконструктор Александр Прокофьев-Северский продолжил изучение этого явления и даже пытался построить свой ионолёт. Его модель могла взлетать и садиться, а также поворачиваться в воздухе. Электричество к аппарату подводилось по специальному кабелю.

  • Летающая модель ионолёта и проект одноместного аппарата А.Н. Северского.
  • © Popular Mechanics

Однако проблема создания ионолёта, который смог бы летать, заключалась в том, что его силовой установке требовался ток очень высокого напряжения. Учёные из Массачусетского технологического института смогли решить эту проблему. В фюзеляже ионолёта они расположили литиево-полимерные батареи, генерирующие электричество напряжением 40 тыс. вольт, которых, по их расчётам, должно было хватить для поднятия в воздух небольшого аппарата. Масса готового ионолёта составила 2,27 кг, размах крыльев — 5 м. 

«Электрификация» транспорта 

Инженеры провели испытания ионолёта в закрытом помещении — в спортивном зале. В ходе эксперимента аппарат вертикально поднялся в воздух и пролетел около 60 м на высоте 47 см от пола, после чего благополучно приземлился. Испытания учёные успешно повторили десять раз. 

«Это первый в истории полёт самолёта, который не имеет в своей двигательной конструкции никаких движущихся частей. Инженерам открывается перспективный путь для создания новых ионолётов», — заявил Баррет. 

По словам изобретателей, в отличие от современных лайнеров, ионолёту не требуется топливо, то есть он является экологически чистым. Кроме того, новый аппарат работает бесшумно. Американские учёные планируют усовершенствовать конструкцию ионолёта, чтобы он смог перемещаться на большие расстояния и в конечном счёте перевозить пассажиров.

По мнению российских экспертов, переход на электрическое движение в авиации открывает новые перспективы в самолётостроении.

«Становится труднее совершенствовать текущие авиационные двигатели, делать их более эффективными. В этом случае перевод авиации на электричество кажется перспективным, даже логичным.  На дорогах уже появились электромобили, теперь дело за воздухом. Можно смело сказать, что электроэнергия начинает играть важную роль в развитии транспорта», — сообщил в беседе с RT инженер-исследователь Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН Александр Наумов.

По мнению Наумова, результаты испытаний американских учёных выглядят многообещающими. Однако создание полноценного ионолёта сопряжено с рядом трудностей. Так, в отличие от реактивных двигателей, у ионных довольно маленькая плотность тяги. Это означает, что для взлёта такому аппарату потребуется довольно большая силовая установка, скорее всего, превышающая размеры самого ионолёта.

«Конечно, до практического использования ионолётов пока далеко. Однако нет никаких оснований сомневаться в возможности появления самолётов, работающих на ионной тяге. Такие аппараты, вероятно, пригодятся и в космической отрасли — для долгосрочных полётов к другим планетам», — отметил Наумов.

Ионный ветер — Телеканал «Наука»

Физическое явление, при котором движение воздуха создаётся с помощью электрического поля.

    • Околонаука

    Когда наступит шестое вымирание человечества и почему в этом виноваты мы: премьера на канале «Наука»

    • Устройство человека

    Ученые ЮФУ: в перевернутом положении у людей повышается креативность

    • Что было раньше
    • Что-то пошло не так

    Утерянные драгоценности из гробницы Тутанхамона вновь обнаружены столетие спустя

    • Внеземное

    Астрономы обнаружили астероид-«убийцу планет»

    • Внеземное

    Жизнь после смерти: открыта самая старая звезда в нашей галактике

  • Science X

    Инженеры научили предметы левитировать с помощью звуковых волн

  • NASA, ESA, CSA, and STScI

    Опубликована первая научная полноцветная фотография с телескопа «Джеймс Уэбб»

  • Shutterstock

    Зачем нужны стволовые клетки

  • NGC 1309

    NASA, ESA, The Hubble Heritage Team (STSCI/AURA), and A. Riess (JHU/STSCI)

    Обнаружена звезда, которая пережила собственный термоядерный взрыв и стала ярче

  • Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology

    Нобелевскую премию по физиологии и медицине присудили Сванте Паабо

Хотите быть в курсе последних событий в науке?

Оставьте ваш email и подпишитесь на нашу рассылку

Ваш e-mail

Нажимая на кнопку «Подписаться», вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Что вызывает ионный ветер?

(Вверху слева) Изображение плазменной струи в непрерывном режиме и (внизу слева) составное изображение изображений с наносекундным разрешением. (Справа) Шлирен-фотографии траектории газового потока с плазменной струей и без нее. Кредит: Парк и др. Опубликовано в Nature Communications

Явление ионного ветра известно уже несколько столетий: при подаче напряжения на пару электродов электроны отрываются от близлежащих молекул воздуха, и ионизированный воздух сталкивается с нейтральными молекулами воздуха при движении от одного электрода к другому. Эффект достаточно легко произвести, поэтому он часто появляется на научных ярмарках и может даже иметь будущее в двигателях космических кораблей. Однако, что именно вызывает ионный ветер, до сих пор остается открытым вопросом.

В новой статье, опубликованной в Nature Communications , группа исследователей из Южной Кореи и Словении экспериментально исследовала, как возникает ионный ветер, когда заряженные частицы сталкиваются с нейтральными частицами. Одним из их основных выводов является то, что электроны, а не только ионы, играют важную роль в создании ионного ветра, что побудило их назвать эффект «электрическим ветром».

«Вообще, электрический ветер называют «ионным ветром», потому что только положительные и отрицательные ионы считаются ключевыми игроками», — сказал соавтор Вонхо Чоэ, профессор Корейского передового института науки и технологий.0002 Phys.org . «Однако в нашем исследовании и электроны, и ионы участвуют в генерации электрического ветра, в зависимости от полярности смещенного электрода. Таким образом, использование номенклатуры для «ионного ветра» требует нового консенсуса. Мы используем термин «электрический ветер». ветер» вместо «ионный ветер», поскольку наше ключевое открытие указывает на то, что электроны являются основным игроком, а не отрицательными ионами, такими как O 2- и O —, в период отрицательного напряжения».

В своих экспериментах исследователи генерировали поток нейтрального гелия и импульсную струю плазмы при различных напряжениях. Затем они использовали технику, называемую шлирен-фотографией (которая часто используется для фотографирования самолетов в полете), чтобы сфотографировать потоки этих частиц. Контролируя ширину импульса и высоту плазменной струи, исследователи следили за тем, как эти изменения влияют на движение частиц и возникающий в результате ветер.

Так как это первый эксперимент, ясно демонстрирующий связь между нейтральными и заряженными частицами в плазме, результаты дают прямое свидетельство того, что происходит, когда электроны и ионы отталкивают нейтральные частицы. Результирующая передача импульса вызывает сопротивление заряженных частиц, которое создает электрогидродинамическую силу (вызванную заряженными частицами), что приводит к четко наблюдаемому ветру заряженных частиц.

«Раньше считалось, что электрический ветер является результатом передачи импульса при столкновении от ускоренных заряженных частиц и нейтральных частиц, основываясь на эвристических наблюдениях и экспериментах», — сказал Чоу. «Однако, как упоминалось в нашей статье, не было убедительных доказательств относительно основного механизма (корреляция между плазмой и передачей импульса) для генерации электрического ветра, который создается либо во время «распространения стримера (волны ионизации)», либо «дрейф космического заряда». Наши модельные эксперименты ясно показывают, что вклад движущегося плазменного стримера в генерацию электрического ветра пренебрежимо мал, а электрический ветер в основном вызывается остаточными объемными зарядами после распространения и коллапса плазменного стримера».

Результаты должны привести к лучшему пониманию взаимодействия между заряженными и нейтральными частицами в различных ситуациях и иметь потенциальное применение в таких областях, как техника управления потоком.

«Наши результаты могут найти применение для уменьшения силы сопротивления на транспортном средстве, что приведет к снижению расхода топлива и оксидов азота, которые являются загрязнителем окружающей среды и одним из основных источников микропыли», — сказал Чоу. «Это также может уменьшить разделение потока на лопастях ветряных турбин».

Исследователи также планируют изучить возможные применения плазмы.

«Одной из недавних интересных тем в плазменном сообществе является селективный контроль химического производства с помощью низкотемпературной воздушной плазмы», — сказал Чоу. «Мы запланировали исследование для изучения корреляции между химическими веществами плазмы и электрическим ветром. Мы также можем исследовать возможную корреляцию между электрическим ветром и плазменным шаром, явление, которое может произойти при ударе молнии».

Дополнительная информация:
Пак Санху, Урос Квелбар, Чхве Вонхо и Мун Се Ён. «Создание электрического ветра за счет электрогидродинамической силы». Природные коммуникации . DOI: 10.1038/s41467-017-02766-9

© 2018 Phys.org

Цитата :
Что вызывает ионный ветер? (2018, 7 февраля)
получено 8 ноября 2022 г.
с https://phys.org/news/2018-02-ionic.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Инженеры Массачусетского технологического института запускают первый в мире самолет без движущихся частей | Новости Массачусетского технологического института

С тех пор, как более 100 лет назад в воздух поднялся первый самолет, практически каждый самолет в небе летал с помощью движущихся частей, таких как пропеллеры, лопасти турбины или вентиляторы , которые производят постоянное жужжание.

Инженеры Массачусетского технологического института построили и запустили первый в мире самолет без движущихся частей. Вместо пропеллеров или турбин легкий летательный аппарат приводится в действие «ионным ветром» — бесшумным, но мощным потоком ионов, который создается на борту самолета и создает достаточную тягу, чтобы продвигать самолет в течение продолжительного и устойчивого полета.

В отличие от самолетов с турбинными двигателями, полеты самолетов не зависят от ископаемого топлива. И в отличие от винтовых дронов, новая конструкция абсолютно бесшумна.

«Это первый в истории устойчивый полет самолета без движущихся частей в двигательной установке», — говорит Стивен Барретт, доцент кафедры аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института. «Это потенциально открыло новые и неизведанные возможности для самолетов, которые тише, механически проще и не выделяют вредных выбросов».

Он ожидает, что в ближайшем будущем такие ионно-ветровые двигательные установки можно будет использовать для управления менее шумными дронами. Кроме того, он предполагает, что ионная силовая установка будет сочетаться с более традиционными системами сгорания для создания более экономичных гибридных пассажирских самолетов и других крупных самолетов.

Барретт и его команда из Массачусетского технологического института опубликовали сегодня свои результаты в журнале Nature .

Хобби-рукоделие

Барретт говорит, что вдохновение для создания ионного самолета частично почерпнули из фильма и телесериала «Звездный путь», которые он с интересом смотрел в детстве. Его особенно привлекали футуристические шаттлы, которые легко скользили по воздуху, казалось бы, без движущихся частей и почти без шума или выхлопа.

«Это навело меня на мысль, что в долгосрочной перспективе у самолетов не должно быть винтов и турбин, — говорит Барретт. «Они должны быть больше похожи на шаттлы в «Звездном пути 9».0059, », которые светятся голубым и бесшумно скользят».

Около девяти лет назад Барретт начал искать способы спроектировать силовую установку для самолетов без движущихся частей. В конце концов он наткнулся на «ионный ветер», также известный как электроаэродинамическая тяга — физический принцип, который был впервые выявлен в 1920-х годах и описывает ветер или тягу, которая может возникать при пропускании тока между тонким и толстым электродами. Если приложено достаточное напряжение, воздух между электродами может создать достаточную тягу, чтобы привести в движение небольшой самолет.

В течение многих лет электроаэродинамическая тяга в основном была проектом для любителей, а конструкции по большей части ограничивались небольшими настольными «подъемниками», привязанными к источникам высокого напряжения, которые создают достаточно ветра, чтобы небольшой корабль мог ненадолго зависнуть в воздухе. . В основном предполагалось, что будет невозможно создать достаточное количество ионного ветра, чтобы привести в движение более крупный самолет в течение продолжительного полета.

«Это была бессонная ночь в отеле, когда у меня был синдром смены часовых поясов, и я думал об этом и начал искать способы, как это можно сделать», — вспоминает он. «Я сделал некоторые предварительные расчеты и обнаружил, что да, это может стать жизнеспособной силовой установкой», — говорит Барретт. «И оказалось, что потребовалось много лет работы, чтобы перейти от этого к первому испытательному полету».

Воспроизвести видео

Ионы взлетают

Окончательный проект команды напоминает большой легкий планер. Самолет, который весит около 5 фунтов и имеет 5-метровый размах крыльев, несет множество тонких проводов, которые натянуты как горизонтальное ограждение вдоль и под передним концом крыла самолета. Провода действуют как положительно заряженные электроды, а аналогично расположенные более толстые провода, идущие вдоль задней части крыла самолета, служат отрицательными электродами.

Фюзеляж самолета содержит стопку литий-полимерных аккумуляторов. В команду Барретта по созданию ионного самолета входили члены Исследовательской группы силовой электроники профессора Дэвида Перро в Исследовательской лаборатории электроники, которые разработали источник питания, который преобразовывал бы выходное напряжение батарей в достаточно высокое напряжение для движения самолета. Таким образом, батареи подают электричество напряжением 40 000 вольт для положительного заряда проводов через легкий преобразователь энергии.

Когда на провода подается напряжение, они притягивают и отрывают отрицательно заряженные электроны от окружающих молекул воздуха, подобно гигантскому магниту, притягивающему железные опилки. Молекулы воздуха, оставшиеся позади, вновь ионизируются и, в свою очередь, притягиваются к отрицательно заряженным электродам в задней части самолета.

Когда новообразованное облако ионов течет к отрицательно заряженным проводам, каждый ион миллионы раз сталкивается с другими молекулами воздуха, создавая тягу, которая толкает самолет вперед.

Неискаженные кадры камеры безмоторного планера 2 с аннотациями положения и энергии от отслеживания камеры. Авторы и права: Стивен Барретт

Команда, в которую также входили сотрудники лаборатории Линкольна Томас Себастьян и Марк Вулстон, совершила несколько испытательных полетов на самолете через спортивный зал в спортивном центре Дюпон Массачусетского технологического института — самом большом помещении, которое они смогли найти для проведения своих экспериментов. Команда пролетела на самолете на расстоянии 60 метров (максимальное расстояние в тренажерном зале) и обнаружила, что самолет производит достаточную ионную тягу, чтобы поддерживать полет все время. Они повторили полет 10 раз с одинаковыми характеристиками.

Неискаженная видеозапись с камеры рейса 9, с комментариями положения и энергии от отслеживания камеры. Ускорился в 2 раза. Предоставлено: Стивен Барретт

«Это был самый простой из возможных самолетов, который мы могли спроектировать, и который мог бы подтвердить концепцию того, что ионный самолет может летать», — говорит Барретт. «До самолета, который мог бы выполнять полезную миссию, еще далеко. Он должен быть более эффективным, летать дольше и летать на улице».

Новая конструкция является «большим шагом» на пути к демонстрации возможности использования ионного ветра, по словам Франка Плоурабу, старшего научного сотрудника Института гидромеханики в Тулузе, Франция, который отмечает, что ранее исследователи не могли летать на чем-либо. тяжелее нескольких граммов.

«Надежность результатов является прямым доказательством того, что устойчивый полет дрона с ионным ветром является устойчивым», — говорит Плурабуэ, не участвовавший в исследовании. «[Помимо приложений для дронов] трудно сделать вывод, насколько сильно это может повлиять на движение самолетов в будущем. Тем не менее, на самом деле это не слабость, а скорее открытие для будущего прогресса в области, которая сейчас вот-вот взорвется».

Команда Барретта работает над повышением эффективности своей конструкции, чтобы производить больше ионного ветра при меньшем напряжении. Исследователи также надеются увеличить плотность тяги конструкции — количество тяги, генерируемой на единицу площади. В настоящее время для полета на легком самолете команды требуется большая площадь электродов, которые, по сути, составляют двигательную установку самолета. В идеале Барретт хотел бы спроектировать самолет без видимой двигательной установки или отдельных поверхностей управления, таких как рули направления и рули высоты.

«Понадобилось много времени, чтобы добраться сюда, — говорит Барретт. «Переход от основного принципа к чему-то, что действительно летает, был долгим путем описания физики, затем разработки дизайна и запуска его в работу. Теперь возможности для такой двигательной установки вполне жизнеспособны».

Это исследование было поддержано, в частности, линией автономных систем лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института, исследовательским грантом профессора Амара Дж. Бозе и Альянсом исследований и технологий Сингапура и Массачусетского технологического института (SMART). Работа также финансировалась через кафедры развития карьеры Чарльза Старка Дрейпера и Леонардо в Массачусетском технологическом институте.

Поделитесь этой новостной статьей:

Упоминания в прессе

Forbes

Профессор Стивен Барретт беседует с журналистом Forbes Джереми Богайски о разработанном им новом самолете, приводимом в движение ионным двигателем, отметив, что он работает над встраиванием в обшивку самолета системы Prolusion. «Нет оснований думать, что в долгосрочной перспективе конструкции самолетов с электроаэродинамической силовой установкой должны выглядеть как современные самолеты», — объясняет Барретт.

Полная история через Forbes →

Economist

The Economist рассказывает о том, как исследователи Массачусетского технологического института разработали первый самолет, который приводится в действие ионным двигателем и не имеет движущихся частей. «Использование ионного двигателя означает, что корабль Массачусетского технологического института не содержит движущихся частей в виде пропеллеров или реактивных двигателей», — объясняет The Economist . «Он может летать бесшумно и без прямых выбросов от сжигания ископаемого топлива».

Полная история через Economist →

CNN

Репортер CNN Хелен Риган рассказывает о новом твердотельном самолете, разработанном исследователями Массачусетского технологического института, который не имеет движущихся частей и не требует ископаемого топлива. «Этот полет является важной вехой в технологии «ионного ветра», — объясняет Риган, — и может проложить путь к более тихим и экологически чистым самолетам в будущем».

Полная история через CNN →

Popular Science

В статье для Popular Science Роб Вергер рассказывает, как исследователи Массачусетского технологического института построили и управляли «совершенно другим типом самолета, который перемещается по воздуху, используя только электричество и движение ионы, тип бесшумного привода без движущихся частей из научной фантастики».

Полная история через Popular Science →

The Washington Post

Исследователи Массачусетского технологического института построили новый электрический самолет, который не имеет движущихся частей и приводится в движение «ионным ветром», сообщает Джоэл Ахенбах для The Washington Post . Франк Плурабуэ из Университета Тулузы объясняет, что новый самолет создает «отверстие для будущего прогресса в области, которая сейчас вот-вот взорвется».

Полная версия статьи The Washington Post →

Reuters

Репортер Reuters Уилл Данхэм пишет, что новый самолет без движущихся частей, разработанный исследователями Массачусетского технологического института, представляет собой «радикально новый подход к полетам». Самолет может однажды привести к созданию «сверхэффективных и почти бесшумных самолетов, у которых нет движущихся поверхностей управления, таких как рули или рули высоты, нет подвижной двигательной установки, такой как пропеллеры или турбины, и нет выбросов прямого сгорания, как при сжигании реактивного топлива», объясняет Проф. Стивен Барретт.

Полная история через Reuters →

Associated Press

Вдохновленный «Звездным путем», профессор Стивен Барретт разработал новый бесшумный самолет, который не требует ископаемого топлива для работы и приводится в движение ионными ветряными двигателями, сообщает Малком Риттер для АП. Риттер объясняет, что технология, которая приводит в действие самолет, в конечном итоге может быть использована «в самолетоподобных беспилотниках, которые выполняют такие задачи, как мониторинг и наблюдение за окружающей средой».

Полная история через Associated Press →

Scientific American

Scientific American Ангус Чен (Angus Chen) пишет о том, как профессор Стивен Барретт создал первый в мире самолет, который приводится в движение ионными ветряными двигателями и не имеет движущихся частей. «[Барретт] продемонстрировал нечто поистине уникальное, — говорит профессор Митчелл Уокер из Технологического института Джорджии.

Полная статья через Scientific American →

Nature

В редакционной статье Nature рассказывается об историческом прорыве, достигнутом исследователями Массачусетского технологического института, которые разработали первый самолет, который приводится в движение ионным ветром и не имеет движущихся частей.