За тонкой белой завесой, отделяющей его импровизированную лабораторию от крытой экспериментальной трассы Массачусетского технологического института, аэрокосмический инженер Стивен Барретт недавно испытал первый в мире самолет, работающий на ионных ветряных двигателях — электрических двигателях, которые генерируют импульс, создавая и «отстреливая» заряженные частицы.
Считая, что движение благодаря ионизации воздуха соответствует законам физики, он провел восемь лет, изучая эту технологию, а затем решил попробовать построить прототип миниатюрного самолета, который, по его мнению, оказался несколько уродливым. «Пришлось использовать грязно-желтый цвет», — говорит он, добавляя, что черная краска часто содержит углерод, который проводит электричество, из-за чего предыдущий прототип поджарил сам себя.
У Баррета были достаточно большие надежды на новый прототип, который он бесстрастно назвал Версия-2. «Прежде чем мы начали тестовые полеты, я думал, что шанс будет 50 на 50», — говорит он. «Мой коллега в Массачусетском технологическом институте думал, что шанс на удачу скорее ближе к 1 проценту».
Но, в отличие от своих предшественников, которые упали на землю, Версия-2 проплыла почти 60 метров по воздуху со скоростью примерно 17 километров в час. Без видимого выхлопа, без ревущего реактивного двигателя или крутящегося пропеллера — никаких движущихся частей вообще, так что самолет казался бесшумным железным призраком. «Это было очень захватывающе», — говорит Барретт. «Затем он врезался в стену, что было не по плану».
Тем не менее, Версия-2 работала, и Барретт с коллегами опубликовали свои результаты в среду в журнале Nature. Полет был подвигом, который другие пытались провести, но потерпели неудачу, говорит Митчелл Уокер, аэрокосмический инженер из Технологического института Джорджии, который не работал над новым самолетом. «[Барретт] продемонстрировал нечто действительно уникальное», — говорит он.
Ионные двигатели не являются очень уж новой технологией: они уже помогают очень эффективно управлять космическими аппаратами, но они далеки по мощности от ракетных двигателей и обычно подталкивают зонды на нужное место на орбите. Они также приводили в движение космические аппараты в далеком космосе, такие как «Рассвет» (Dawn), при полетах в поясе астероидов. В космоса зонды должны нести с собой запас газа, который ионные двигатели должны ионизировать и «выстреливать» в относительную пустоту, чтобы создать тягу. Однако, когда дело доходит до перемещения через плотную атмосферу Земли, «все видели, что скорость [от ионного двигателя] была недостаточной для полета самолета», — говорит Уолкер. «Никто не понимал, как продвинуться вперед в решении этой проблемы».
Но Барретт и его команда выяснили три основных момента, чтобы заставить работать Версию-2. Первым был дизайн ионного ветрового двигателя. Двигатели Версии-2 состоят из двух рядов длинных металлических нитей, натянутых под его небесно-голубыми крыльями. На передний ряд подается около 20 000 вольт — напряжение, в 90 раз большее, чем в розетке дома, и достаточное количество энергии для того, чтобы лишить атомы азота, в изобилии находящихся в воздухе, их электронов.
Когда это происходит, атомы азота превращаются в положительно заряженные ионы. Из-за того, что задний ряд нитей заряжен отрицательно, ионы направляются к нему как намагниченные бильярдные шары. «По пути между этими ионами и нейтральными молекулами воздуха происходят миллионы столкновений», — отмечает Барретт. Это толкает молекулы воздуха к задней части самолета, создавая ветер, который, в свою очередь, уже толкает самолет, причем достаточно сильно и быстро для того, чтобы он мог лететь.
Еще одна инновация, которую придумала команда Барретта — это проектирование легкой, но мощной электрической системы, говорит Уокер. Для такого самолета, по его словам, никто еще не создавал систему, которая могла бы эффективно преобразовывать мощность от легкой батареи, чтобы генерировать достаточное напряжение для двигателей. «Самая большая проблема заключается в том, что для работы ионных двигателей требуется не менее 20000-30000 вольт. Высокое напряжение на самолете дается нелегко», — говорит он. «Вы хотите играться с 40000 вольт на борту самолета? Этой технологии не существовало. Стив [Барретт] нашел инновационный способ получить такое высокое напряжение».
Решение было на редкость изящным — вместо того, чтобы подавать на один ряд нитей 40000 вольт, Барретт решил подать на передний ряд нитей 20000 вольт, а на задний — минус 20000 вольт, что и дало требуемую разницу потенциалов.
Наложенные фотографии ионолета Барретта в полете с временными метками.
Наконец, Барретт использовал компьютерную модель, чтобы получить максимальную отдачу от каждого элемента конструкции самолета, от двигателей и электрических систем до проводов, которые проходили через самолет. «Силовой преобразователь, аккумулятор, фюзеляж — все было оптимизировано», — говорит Барретт. «Симуляции все время проваливались. Нам пришлось внести сотни изменений». В конце концов, у них была триумфальная Версия-2.
Прорыв предлагает отличное доказательство концепции, показывающей, что ионные двигатели могут использоваться на Земле, говорит Алек Галлимор, аэрокосмический инженер из Мичиганского университета, который не участвовал в работе. Однако любое использование ионолетов, вероятно, будет ограниченным. Пропеллеры и реактивные двигатели по-прежнему гораздо более эффективны, чем ионные ветровые двигатели Барретта, что делает маловероятным шанс того, что пассажирские самолеты переключатся на них в ближайшее время. Но у этих двигателей есть одно ключевое преимущество: «Они не генерируют звук. Таким образом, [дроны] для строительных инспекций и им подобные аппараты были бы идеальной сферой применения для этих двигателей», — отмечает Галлимор.
Или, добавляет Барретт, дроны, используемые для доставок, съемок или мониторинга окружающей среды. «Представьте себе, что через 10 или 20 лет у нас будут беспилотные летательные аппараты повсюду», — говорит он. «Если они будут шумными, они сильно ухудшат качество жизни. Но у нас будет тишина».
