Двигатели ионолётов могут быть эффективнее реактивных

Если вы пропустите ток между двумя электродами, один из которых будет тоньше другого, то воздух между ними начнёт двигаться, возникнет мини-ветер (точнее — ионный ветер), который передаст свой импульс окружающим нейтральным молекулам воздуха. Эффект, известный с полвека, пока применялся лишь для настольных ионолётов с ничтожно малой тягой — к примеру, вот таких:



Серьезные экспериментальные исследования способностей ионных двигателей для полёта в атмосфере не проводились, и по умолчанию предполагалось, что для создания вменяемого импульса потребуется чудовищный по параметрам ток. Попытки главного проповедника этой идеи в США Александра Николаевича Прокофьева-Северского (создателя P-47 Thunderbolt) построить ионолёт, способный поднимать человека, провалились: на её реализацию просто не нашлось денег.

И вот теперь Кенто Масуяма (Kento Masuyama) и Стивен Баррет (Steven Barrett) из Массачусетского технологического института (США) решили проверить, так ли это на самом деле. И получили смешанные результаты.

Несмотря на успешность попыток популяризации идеи ионолёта, денег на строительство пилотируемого аппарата его изобретатель Прокофьев-Северский не нашёл. (Здесь и ниже иллюстрации «Техника — молодёжи», Popular Mechanics.)

В поставленных ими экспериментах удалось получить 110 Н тяги на киловатт прилагаемой мощности. Чтобы разбавить эти сухие цифры эмоциями, напомним, что для современных турбореактивных двухконтурных двигателей этот показатель равен примерно 2 H на киловатт мощности, то есть более чем в полсотни раз ниже.

На первый взгляд, это переворот. На деле, конечно, есть сложности, и немалые. Тяга, создаваемая ионным двигателем с малой площадью рабочей зоны, невелика, а посчитать её можно так: F = I•d/k, где I — ток между электродами, а d — ширина диэлектрического зазора (k — проводимость в воздухе, практически неизменна). Из этого следует, что «плотность» тяги, то есть её количество на единицу рабочей площади ионного двигателя, намного меньше, чем у современных реактивных самолётов, ведь она прямо зависит от ширины зазора между электродами. Чем он больше, тем сильнее создаваемый ионный ветер — а значит, подъём в воздух даже лёгкого летательного аппарата потребует большого разноса между электродами. По сути, размеры такого зазора будет равны максимальным габаритам самого летательного аппарата.

Другая сложность в том, что, хотя для создания тяги нужна небольшая мощность тока, вольтаж при этом велик: так, для экспериментальной модели из бальсы потребовалось несколько киловольт. По оценкам Стивена Баррета, для БПЛА с набортным оборудованием и источником питания понадобится несколько сот или даже тысяч киловольт. «Напряжение может быть огромным, — считает г-н Баррет. — Но я думаю, что эта сложность, возможно, преодолима. Эффективность — вот ключевой момент в конструкции летательных аппаратов. [Ионные двигатели для ЛА] будут жизнеспособны в не очень далёком будущем, поскольку они эффективны».

Для получения максимального диэлектрического зазора (d) ионолёт должен развёртывать электроды по кругу вокруг фюзеляжа.

Первыми аппаратами с такого рода двигателями могут стать лёгкие разведывательные дроны. И дело не только в том, что им не нужна слишком большая масса: ионные двигатели в атмосферных условиях почти не создают серьёзного ИК-излучения, позволяющего эффективно обнаруживать обычные БПЛА. Кроме того, электродинамическая тяга предельно бесшумна, что затрудняет обнаружение ЛА даже в непосредственной близости от наблюдаемого объекта. «Просто представьте себе все военные преимущества обладания бесшумной двигательной установкой без ИК-следов», — живописует перспективы Стивен Баррет.

Ведущий специалист Lockheed Martin Corp Нед Аллен (Ned Allen), несмотря на все проблемы, называет направление многообещающим: «[Электродинамическая тяга] способна достичь куда большей эффективности, чем любое устройство, использующее горение». Именно поэтому, отмечает он, его компания рассматривает эту технологию в качестве пригодной для применения на летательных аппаратах.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Proceedings of the Royal Society A.

Подготовлено по материалам MIT News.

Каждый день слушайте итоговый подкаст Свободного Радио «Компьюлента»!

blog comments powered by Disqus