Ionok szállnak fel
A csapat végső terve egy nagy, könnyű vitorlázó repülőgépre hasonlít. A körülbelül 5 kilós, 5 méteres szárnyfesztávolságú repülőgép egy sor vékony drótot hordoz, amelyek vízszintes kerítésként vannak felfűzve a repülőgép szárnyának elülső vége mentén és alatta. A drótok pozitív töltésű elektródaként működnek, míg a hasonlóan elrendezett vastagabb drótok, amelyek a repülőgép szárnyának hátsó vége mentén futnak, negatív elektródaként szolgálnak.
A repülőgép törzsében egy halom lítium-polimer akkumulátor található. Barrett ionrepülőgép-csapatában részt vettek David Perreault professzornak az Elektronikai Kutató Laboratóriumban működő Teljesítményelektronikai Kutatócsoportjának tagjai is, akik olyan tápegységet terveztek, amely az akkumulátorok kimenetét kellően magas feszültséggé alakítja a repülőgép meghajtásához. Ily módon az akkumulátorok 40 000 voltos áramot szolgáltatnak a vezetékek pozitív töltéséhez egy könnyűszerkezetes áramátalakítón keresztül.
Amint a vezetékek feszültség alá kerülnek, úgy viselkednek, hogy vonzzák és eltávolítják a negatív töltésű elektronokat a környező levegőmolekulákból, mint egy óriási mágnes a vasreszeléket. A hátramaradt levegőmolekulák újonnan ionizálódnak, és viszont vonzódnak a negatív töltésű elektródákhoz a repülőgép hátsó részén.
Amint az újonnan keletkezett ionfelhő a negatív töltésű vezetékek felé áramlik, minden egyes ion milliószor ütközik más levegőmolekulákkal, tolóerőt létrehozva, amely előre hajtja a repülőgépet.
Torzítás nélküli kamerafelvétel a motor nélküli siklásról 2, a kamerakövetésből származó pozíció és energia megjegyzéssel. Credit: Steven Barrett
A csapat, amelyben a Lincoln Laboratórium munkatársai, Thomas Sebastian és Mark Woolston is részt vettek, több tesztrepülést hajtott végre a géppel az MIT duPont Atlétikai Központjának tornatermében – a legnagyobb fedett térben, amelyet a kísérletek elvégzéséhez találtak. A csapat 60 méteres távolságot repült a géppel (a tornatermen belüli maximális távolságot), és úgy találták, hogy a gép elegendő ionikus tolóerőt termelt ahhoz, hogy a repülést mindvégig fenntartsa. A repülést tízszer megismételték, hasonló teljesítménnyel.
Torzított kamerafelvétel a 9. repülésről, a helyzet és a kamerakövetésből származó energia megjegyzésével. 2x felgyorsítva. Credit: Steven Barrett
“Ez volt a lehető legegyszerűbb repülőgép, amelyet meg tudtunk tervezni, és amely bizonyítani tudta azt a koncepciót, hogy egy ionrepülőgép képes repülni” – mondja Barrett. “Ez még mindig messze van egy olyan repülőtől, amely hasznos küldetést tudna teljesíteni. Hatékonyabbnak kell lennie, hosszabb ideig kell repülnie, és a szabadban kell repülnie.”
Az új konstrukció “nagy lépés” az ionszél-meghajtás megvalósíthatóságának bizonyítása felé Franck Plouraboue, a franciaországi Toulouse-ban található Fluid Mechanikai Intézet vezető kutatója szerint, aki megjegyzi, hogy a kutatók korábban nem voltak képesek néhány grammnál nehezebb dolgot repülni.
“Az eredmények ereje közvetlen bizonyíték arra, hogy egy drón egyenletes repülése ionos széllel fenntartható” – mondja Plouraboue, aki nem vett részt a kutatásban. “, nehéz arra következtetni, hogy ez mennyire befolyásolhatja a repülőgépek meghajtását a jövőben. Mindazonáltal ez nem igazán gyengeség, hanem inkább egy nyílás a jövőbeli fejlődéshez, egy olyan területen, amely most fog berobbanni.”
Barrett csapata azon dolgozik, hogy növeljék a konstrukciójuk hatékonyságát, hogy kevesebb feszültséggel több ionos szelet tudjanak előállítani. A kutatók azt is remélik, hogy növelni tudják a konstrukció tolóerő-sűrűségét – az egységnyi területre vetített tolóerő mennyiségét. Jelenleg a csapat könnyű repülőgépének repüléséhez nagy felületű elektródákra van szükség, amelyek lényegében a repülőgép meghajtórendszerét alkotják. Ideális esetben Barrett olyan repülőgépet szeretne tervezni, amelyben nincs látható meghajtórendszer vagy különálló vezérlőfelületek, például kormánylapátok és magassági kormánylapátok.
“Hosszú időbe telt, amíg idáig eljutottunk” – mondja Barrett. “Az alapelvtől eljutni valami olyasmiig, ami ténylegesen repül, hosszú út volt a fizika jellemzésével, majd a tervezéssel és a megvalósítással. Most az ilyen típusú meghajtási rendszer lehetőségei életképesek.”
Ezt a kutatást részben az MIT Lincoln Laboratory Autonomous Systems Line, az Amar G. Bose professzor kutatási ösztöndíja és a Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) támogatta. A munkát az MIT Charles Stark Draper és Leonardo karrierfejlesztési tanszékei is támogatták.