Введение

Электрогидродинамическая авиационная двигательная установка
Самолет, работающий на ионной тяге

Самолет, работающий на ионной тяге, или ионолет – это летательный аппарат, использующий электрогидродинамику (EHD) для создания подъемной силы или тяги в воздухе без необходимости сгорания или движущихся частей. Современные конструкции пока не обеспечивают достаточной тяги для пилотируемых полетов или полезной нагрузки.

Происхождение

Принцип ионного ветрового движителя, использующего заряженные частицы, генерируемые коронным разрядом, был открыт вскоре после открытия электричества, о чем свидетельствуют упоминания в книге Фрэнсиса Хоксби «Физико-механические эксперименты по различным предметам», датированной 1709 годом.

Эксперименты с VTOL "подъемником"

Американский экспериментатор Томас Таунсенд Браун посвятил большую часть своей жизни работе над этим принципом, ошибочно полагая, что это эффект антигравитации, который он назвал эффектом Бифелда-Брауна. Поскольку его устройства создавали тягу в направлении градиента поля, независимо от направления силы тяжести, и не работали в вакууме, другие исследователи поняли, что эффект обусловлен ЭГД (электрогидродинамикой). Вертикально взлетающие летательные аппараты с ионным двигателем иногда называют "лифтерами". Ранние образцы могли поднимать около одного грамма веса на ватт, чего было недостаточно для подъема тяжелого высоковольтного источника питания, который оставался на земле и обеспечивал аппарат питанием через длинные, тонкие и гибкие провода. Использование ЭГД-движения для создания подъемной силы изучалось американским авиаконструктором майором Александром Прокофьевым де Северским в 1950-х и 1960-х годах. В 1959 году он подал заявку на патент на "ионокрафт". Он построил и испытал модель ионокрафта вертикального взлета и посадки, способную к боковым маневрам путем изменения напряжения, подаваемого на различные участки, хотя тяжелый источник питания оставался внешним. В 2008 году команда исследователей под руководством Субраты Роя из Университета Флориды изучала бескрылый электромагнитный воздушный аппарат (WEAV) – ЭГД-лифтер в форме диска с электродами, встроенными по всей его поверхности. В системе движения было применено множество инноваций, включая использование магнитных полей для повышения эффективности ионизации. Модель с внешним источником питания достигла минимального подъема и зависания.

Бортовая мощность

В XXI веке блоки питания стали легче и эффективнее. Первым летательным аппаратом с ионным двигателем, который взлетел и полетел, используя собственный бортовой источник питания, был аппарат вертикального взлета и посадки (VTOL), разработанный Итаном Краусом из компании Electron Air в 2006 году. Аппарат развил достаточную тягу для быстрого подъема или горизонтального полета в течение нескольких минут. В ноябре 2018 года первый самодостаточный ионный самолет с неподвижным крылом, MIT EAD Airframe Version 2, пролетел 60 метров. Он был разработан командой студентов под руководством Стивена Барретта из Массачусетского технологического института. Размах его крыльев составлял 5 метров, а вес – 2,45 кг. Аппарат был запущен с помощью катапульты с эластичной лентой, а система EAD поддерживала самолет в полете на малой высоте.

Принципы работы

Ионный воздушный двигатель — это технология создания потока воздуха посредством электрической энергии без каких-либо движущихся частей. Благодаря этому он иногда описывается как "твердотельный" привод. Он основан на принципе электрогидродинамики. В базовой форме он состоит из двух параллельных проводящих электродов, переднего излучающего провода и заднего коллектора. При подаче на такую конструкцию высокого напряжения (в диапазоне киловольт на миллиметр) излучатель ионизирует молекулы воздуха, которые ускоряются в обратном направлении к коллектору, создавая реактивную тягу. В процессе этого ионы сталкиваются с электрически нейтральными молекулами воздуха и ускоряют их. Эффект не зависит напрямую от электрической полярности, поскольку ионы могут быть как положительно, так и отрицательно заряжены. Изменение полярности электродов не меняет направление движения, так как оно также меняет полярность переносящих заряд ионов. Тяга создается в одном и том же направлении в любом случае. При положительной короне первоначально образуются ионы азота, а при отрицательной полярности основными первичными ионами являются ионы кислорода. Оба типа ионов немедленно притягивают различные молекулы воздуха, образуя молекулярные кластерные ионы любого знака, которые выступают в качестве носителей заряда. Современные двигатели ЭГД значительно менее эффективны, чем традиционные двигатели. Исследователь из MIT отметил, что ионные двигатели потенциально могут быть намного эффективнее обычных реактивных двигателей. В отличие от чисто ионных ракетных двигателей, принцип электрогидродинамики не применим в вакууме космоса.

Промежуток воздуха

Воздушный зазор изолирует два электрода и позволяет ионам, генерируемым на излучателе, ускоряться и передавать импульс нейтральным молекулам воздуха, прежде чем они теряют заряд на коллекторе. Ширина воздушного зазора обычно составляет 1 мм/кВ.

Коллекционер

Коллектор имеет форму, обеспечивающую гладкую эквипотенциальную поверхность под коронным проводом. Варианты конструкции включают проволочную сетку, параллельные проводящие трубки или фольгу с гладким закругленным краем. Острые края на фольге ухудшают характеристики, поскольку они генерируют ионы с противоположной полярностью по отношению к ионам в тяговом механизме.