Iony odlatują
Końcowy projekt zespołu przypomina duży, lekki szybowiec. Samolot, który waży około 5 funtów i ma 5-metrową rozpiętość skrzydeł, jest wyposażony w szereg cienkich drutów, które są rozciągnięte jak poziome ogrodzenie wzdłuż i pod przednią częścią skrzydła samolotu. Druty te działają jak dodatnio naładowane elektrody, podczas gdy podobnie ułożone grubsze druty, biegnące wzdłuż tylnej części skrzydła samolotu, służą jako elektrody ujemne.
Kadłub samolotu mieści stos baterii litowo-polimerowych. W skład zespołu samolotu jonowego Barretta wchodzili członkowie grupy badawczej Power Electronics profesora Davida Perreaulta z Laboratorium Badawczego Elektroniki, którzy zaprojektowali zasilacz, który przekształciłby moc akumulatorów na wystarczająco wysokie napięcie, aby napędzać samolot. W ten sposób baterie dostarczają energię elektryczną o napięciu 40 000 woltów, aby pozytywnie naładować przewody poprzez lekki konwerter mocy.
Kiedy przewody są już zasilane energią, przyciągają i usuwają ujemnie naładowane elektrony z otaczających je cząsteczek powietrza, jak gigantyczny magnes przyciągający opiłki żelaza. Cząsteczki powietrza, które pozostały w tyle, są nowo zjonizowane i są z kolei przyciągane do ujemnie naładowanych elektrod z tyłu samolotu.
Jak nowo utworzona chmura jonów płynie w kierunku ujemnie naładowanych przewodów, każdy jon zderza się miliony razy z innymi cząsteczkami powietrza, tworząc ciąg, który napędza samolot do przodu.
Zniekształcony materiał filmowy z kamery z niezasilanego szybowania 2, z zaznaczoną pozycją i energią ze śledzenia kamery. Credit: Steven Barrett
Zespół, w skład którego wchodzili również pracownicy Laboratorium Lincolna, Thomas Sebastian i Mark Woolston, wykonał wiele lotów próbnych na sali gimnastycznej w MIT’s duPont Athletic Center – największej przestrzeni wewnętrznej, jaką udało się znaleźć do przeprowadzenia eksperymentów. Zespół przeleciał samolotem na odległość 60 metrów (maksymalna odległość w sali gimnastycznej) i stwierdził, że samolot wytworzył wystarczający ciąg jonowy, aby utrzymać lot przez cały czas. Powtórzyli lot 10 razy, z podobną wydajnością.
Zniekształcony materiał filmowy z kamery z lotu 9, z adnotacją o pozycji i energii ze śledzenia kamery. Przyspieszono 2x. Credit: Steven Barrett
„To był najprostszy możliwy samolot, jaki mogliśmy zaprojektować, który mógłby udowodnić koncepcję, że samolot jonowy może latać” – mówi Barrett. „To wciąż dalekie od samolotu, który mógłby wykonywać użyteczną misję. Musi być bardziej wydajny, latać dłużej i latać na zewnątrz.”
Nowy projekt jest „dużym krokiem” w kierunku wykazania wykonalności napędu jonowego, według Francka Plouraboue, starszego badacza w Instytucie Mechaniki Płynów w Tuluzie we Francji, który zauważa, że badacze wcześniej nie byli w stanie latać niczym cięższym niż kilka gramów.
„Siła wyników jest bezpośrednim dowodem na to, że stabilny lot drona z wiatrem jonowym jest zrównoważony”, mówi Plouraboue, który nie był zaangażowany w badania. „, trudno jest wywnioskować, jak bardzo może to wpłynąć na napęd samolotu w przyszłości. Niemniej jednak, nie jest to tak naprawdę słabość, ale raczej otwarcie dla przyszłego postępu, w dziedzinie, która teraz wybuchnie.”
Zespół Barretta pracuje nad zwiększeniem wydajności swojej konstrukcji, aby produkować więcej wiatru jonowego przy mniejszym napięciu. Badacze mają również nadzieję na zwiększenie gęstości ciągu, czyli ilości wytwarzanego ciągu na jednostkę powierzchni. Obecnie latanie lekkim samolotem zespołu wymaga dużej powierzchni elektrod, co w zasadzie stanowi system napędowy samolotu. W idealnej sytuacji Barrett chciałby zaprojektować samolot bez widocznego układu napędowego lub oddzielnych powierzchni sterowych, takich jak stery i windy.
„Długo trwało, zanim tu dotarliśmy” – mówi Barrett. „Przejście od podstawowej zasady do czegoś, co faktycznie lata, było długą podróżą charakteryzującą fizykę, a następnie wymyślenie projektu i sprawienie, by działał. Teraz możliwości tego rodzaju napędu są realne.”
Badania te były częściowo wspierane przez MIT Lincoln Laboratory Autonomous Systems Line, the Professor Amar G. Bose Research Grant, and the Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART). Praca została również sfinansowana przez Charles Stark Draper and Leonardo career development chairs at MIT.
.