Les ions prennent leur envol
La conception finale de l’équipe ressemble à un grand planeur léger. L’avion, qui pèse environ 5 livres et a une envergure de 5 mètres, porte un réseau de fils fins, qui sont enfilés comme une clôture horizontale le long et sous l’extrémité avant de l’aile de l’avion. Les fils agissent comme des électrodes chargées positivement, tandis que des fils plus épais disposés de façon similaire, courant le long de l’extrémité arrière de l’aile de l’avion, servent d’électrodes négatives.
Le fuselage de l’avion contient une pile de batteries au lithium-polymère. L’équipe de l’avion ionique de Barrett comprenait des membres du groupe de recherche en électronique de puissance du professeur David Perreault au laboratoire de recherche en électronique, qui ont conçu une alimentation électrique qui convertirait la sortie des batteries en une tension suffisamment élevée pour propulser l’avion. Ainsi, les batteries fournissent de l’électricité à 40 000 volts pour charger positivement les fils via un convertisseur de puissance léger.
Une fois que les fils sont alimentés, ils agissent pour attirer et dépouiller les électrons chargés négativement des molécules d’air environnantes, comme un aimant géant attire la limaille de fer. Les molécules d’air qui restent sont nouvellement ionisées, et sont à leur tour attirées par les électrodes chargées négativement à l’arrière de l’avion.
Alors que le nuage d’ions nouvellement formé s’écoule vers les fils chargés négativement, chaque ion entre en collision des millions de fois avec d’autres molécules d’air, créant une poussée qui propulse l’avion vers l’avant.
Séquence de caméra non déformée du vol plané non motorisé 2, avec position et énergie provenant du suivi de la caméra annotées. Crédit : Steven Barrett
L’équipe, qui comprenait également des membres du personnel du Lincoln Laboratory, Thomas Sebastian et Mark Woolston, a fait voler l’avion lors de multiples vols d’essai à travers le gymnase du duPont Athletic Center du MIT – le plus grand espace intérieur qu’ils ont pu trouver pour réaliser leurs expériences. L’équipe a fait voler l’avion sur une distance de 60 mètres (la distance maximale dans le gymnase) et a constaté que l’avion produisait une poussée ionique suffisante pour maintenir le vol tout le temps. Ils ont répété le vol 10 fois, avec des performances similaires.
Séquence de caméra non déformée du vol 9, avec position et énergie du suivi de la caméra annotées. Accéléré de 2x. Crédit : Steven Barrett
« C’était l’avion le plus simple possible que nous pouvions concevoir et qui pouvait prouver le concept qu’un avion ionique pouvait voler », dit Barrett. « On est encore loin d’un avion qui pourrait effectuer une mission utile. Il doit être plus efficace, voler plus longtemps et voler à l’extérieur. »
Le nouveau design est un « grand pas » vers la démonstration de la faisabilité de la propulsion ionique par le vent, selon Franck Plouraboue, chercheur principal à l’Institut de mécanique des fluides de Toulouse, en France, qui note que les chercheurs n’étaient auparavant pas en mesure de faire voler quelque chose de plus lourd que quelques grammes.
« La force des résultats est une preuve directe que le vol régulier d’un drone avec du vent ionique est durable », dit Plouraboue, qui n’a pas été impliqué dans la recherche. « , il est difficile de déduire à quel point cela pourrait influencer la propulsion des avions à l’avenir. Néanmoins, ce n’est pas vraiment une faiblesse mais plutôt une ouverture pour des progrès futurs, dans un domaine qui va maintenant éclater. »
L’équipe de Barrett travaille à augmenter l’efficacité de leur conception, pour produire plus de vent ionique avec moins de tension. Les chercheurs espèrent également augmenter la densité de poussée de la conception – la quantité de poussée générée par unité de surface. Actuellement, le vol de l’avion léger de l’équipe nécessite une grande surface d’électrodes, qui constituent essentiellement le système de propulsion de l’avion. Idéalement, Barrett aimerait concevoir un avion sans système de propulsion visible ni surfaces de contrôle séparées telles que les gouvernails et les gouvernes de profondeur.
« Il a fallu beaucoup de temps pour en arriver là », dit Barrett. « Passer du principe de base à quelque chose qui vole réellement a été un long voyage de caractérisation de la physique, puis de conception et de fonctionnement. Maintenant, les possibilités de ce type de système de propulsion sont viables. »
Cette recherche a été soutenue, en partie, par la ligne de systèmes autonomes du laboratoire Lincoln du MIT, la bourse de recherche du professeur Amar G. Bose et l’alliance Singapour-MIT pour la recherche et la technologie (SMART). Ce travail a également été financé par les chaires de développement de carrière Charles Stark Draper et Leonardo du MIT.