На наших глазах электроэнергия начинает играть все большую роль в транспорте. Вслед за электромобилями, успешно отвоевывающими себе место на дорогах, в небо поднимаются электросамолеты. Но для авиации такие изменения могут иметь далекоидущие последствия. Вполне возможно, что самолеты завтрашнего дня будут поднимать в небо не электромоторы, а атмосферные ионные двигатели. Появление ионолетов обещает качественный прорыв в авиатехнике.
©Wikipedia
Сегодня ионолет, он же ионокрафт (или лифтер, с ударением на последнем слоге), – это только легкая летающая модель, способная мгновенно оторваться от поверхности, как только на провод, соединяющий ее с источником питания, будет подан электрический ток. Но для инженеров и фантастов это один из вариантов летательного аппарата будущего, имеющего весьма заманчивые характеристики. Он будет экологически чистым, в отличие от современных самолетов и вертолетов, бесшумным и без значительных усилий сможет вертикально взлетать и садиться. Во всяком случае, так его представляют исследователи. Не это ли технология для летающих автомобилей будущего?
Подъемная сила в таком аппарате создается благодаря эффекту Бифельда – Брауна. Еще в 20-х годах прошлого века американскими учеными Томасом Брауном и ассистировавшим ему Полом Бифельдом, экспериментировавшими с рентгеновскими трубками Кулиджа, был обнаружен необычный эффект. Некая сила действовала на заряженный до высокого напряжения асимметричный конденсатор. Ее было достаточно даже для того, чтобы поднять конденсатор в воздух. Сам ученый поначалу был уверен, что нашел способ влиять на гравитацию с помощью электричества. Тогда, открытому явлению, даже дали соответствующее название – «электрогравитация». Сегодня такие опыты популярны не только у школьников и студентов, увлекающихся физикой, но и среди сторонников различных теорий, не признаваемых современной наукой. По их мнению, ионный ветер дает только 10-20% тяги ионного двигателя, остальные дает пока не известная науке сила.
Вот только если бы дело было в гравитации, а не в движении заряженных ионов воздуха, как есть на самом деле, то устройство одинаково хорошо работало бы как в воздушной среде, так и в вакууме. Но в результате множества опытов было установлено, что в отсутствие газовой среды устройство не работает. В вакууме эффект исчезает. Здесь не стоит путать ионолет (атмосферный ионный двигатель) с ионными двигателями, все чаще применяемыми в космических аппаратах. Они-то как раз и предназначены для работы в вакууме. Такой двигатель свободно работает в безвоздушной среде, так как реактивная тяга возникает на базе запасенного рабочего тела, которым, как правило, является инертный газ (аргон, ксенон и т. п.). Им космический аппарат заправляют до старта. В случае ионолета его рабочим телом фактически является забортный воздух, который, разумеется, с собой брать в полет не надо.
Секрет подъемной силы ионолета прост. При очень высоком напряжении межу электродами – анодом и катодом – возникает ионный (или электростатический) ветер. Это явление также называется электрогидродинамическим эффектом (ЭГД). Причем один электрод, как правило, тонкий или острый, другой – широкий и плоский. То есть они не симметричны друг другу. Таким образом, получается левитирующий асимметричный воздушный конденсатор.
Около отрицательно заряженного электрода молекулы воздуха ионизируются. Они получают отрицательный заряд и начинают двигаться к электроду с положительным зарядом. При этом они увлекают на своем пути нейтральные молекулы воздуха, чем и создается необходимая тяга для полета. Причем полной ионизации проходящего через аппарат воздуха не требуется.
Простейшая схема летательного аппарата выглядит следующим образом. Отрицательно заряженные электроды представляют собой металлические острия. Их несколько, и они расположены над металлической сеткой с положительным зарядом. Образовывающиеся между ними ионы устремляются к сетке, где и расстаются со своим зарядом, выходя из двигателя уже обычными молекулами воздуха. Тем самым электроэнергия высокого напряжения преобразуется в кинетическую энергию воздушного потока. Такой ионный двигатель еще называют электростатическим движителем (ЭСД).
Регулируя напряжение на электродах, можно дать команду на взлет и посадку, изменяя напряжение только на некоторых электродах, можно наклонять и поворачивать аппарат. И при этом никаких движущихся частей двигатель на ионном ветре не имеет. Конструкция проста, а перспективные варианты движителя не предполагают серьезного технического обслуживания, смазки и т. п.
Считается, что сам термин «ионокрафт» (ionocraft), в русском варианте «ионолет», придумал наш соотечественник. Пионер авиации, летчик-ас Первой мировой войны, покинувший Россию после революции, авиатор, изобретатель и авиаконструктор Александр Николаевич Прокофьев-Северский. Он же в 1964 году получил патент на свой летательный аппарат. За годы, проведенные в Америке, Северский работал консультантом при Министерстве обороны, основал две авиастроительные фирмы, сконструировал несколько удачно себя показавших самолетов, стал автором множества изобретений и патентов. Однако коммерческого успеха так и не добился. В 1939 году Северский был отстранен инвесторами от управления основанной им компании. После чего он занялся писательской деятельностью, читал лекции и благодаря своему умению выступать на публике получил широкую известность, а в 60-х годах занялся ионолетами. Северский подробно описал физику эффекта и запатентовал основные принципы работы ионолета.
Модель, созданная Северским, представляла собой прямоугольную рамку из бальсы (дерева, древесина которого считается самой легкой в мире) с натянутой на нее алюминиевой проволокой. Электрическая энергия подводилась к аппарату по коаксиальному кабелю. Но сделать что-то большее у него не получилось. Попытка Северского построить ионокрафт, способный подняться в воздух с человеком на борту, не удалась. Формально по причине отсутствия денег. Но все-таки основная сложность создания такого аппарата кроется в другом. Даже сейчас модели ионолетов не способны нести на себе собственный источник питания. Все модели подключаются к внешнему источнику питания, так как собственный им поднять еще не под силу, не говоря уже о пилоте или дополнительном оборудовании.
В чем же проблема? Атмосферному ионному двигателю требуется ток очень высокого напряжения. В то же время к идее ионолета не так давно вернулись снова. И не кто-то, а исследователи из Массачусетского технологического института (MIT), который, как известно, является новатором в области перспективных технологий. Согласно их выводам, для подъема в воздух беспилотного аппарата с оборудованием на борту и собственным источником питания потребуется несколько сотен или даже тысяч киловольт. Для сравнения, в бытовой эклектической сети напряжение тока составляет 220 вольт. Это всего 0,22 киловольта. Легкой экспериментальной модели ионолета, сделанной в лаборатории MIT, потребовалось напряжение всего в несколько киловольт. В качестве отрицательно заряженного электрода выступил тонкий медный провод, а положительного – легкая алюминиевая трубка. Каркас был склеен из бальсы.
Но в целом результаты опыта оказались обнадеживающими. Они показали, что двигатели, основанные на эффекте Бифельда – Брауна, могут быть гораздо более эффективными, чем традиционные. Эксперименты показали, что тяга такого атмосферного ионного двигателя может составлять до 110 ньютонов на киловатт мощности, тогда как традиционные реактивные двигатели имеют показатель всего 2 ньютона на киловатт.
Но есть и другая сложность в создании таких аппаратов. В сравнении с традиционными реактивными двигателями, атмосферный ионный двигатель существенно уступает по показателю «плотности» тяги, то есть ее количеству на единицу рабочей площади. Объясняется это тем, что ее величина напрямую зависит от ширины воздушного зазора между анодом и катодом. Чем он больше, тем сильнее тяга. Следовательно, чтобы создать даже легкий летательный аппарат, потребуется разместить электроды на большом расстоянии друг от друга. Фактически такие зазоры будут определяться максимально возможными габаритами летательного аппарата. Таким образом, сам фюзеляж, окруженный электродами, будет находиться внутри электростатического движителя.
Если верить обещаниям исследователей, передвигаться такой аппарат сможет бесшумно и не будет иметь вредных выбросов. Кроме того, он сможет вертикально взлетать, садиться, а также зависать над поверхностью. В этом он подобен вертолету. Но, в отличие от последнего, отсутствие вибрации позволит создать идеальный комфорт в пассажирской кабине. Взлетать и садиться такие аппараты смогут в непосредственной близости от жилых и административных зданий, не создавая шума, а следовательно, и неудобства окружающим. В прошлом такие летательные аппараты представлялись пилотируемыми, но сейчас с развитием беспилотной техники можно сказать, что первые ионолеты будут обходиться без человека на борту.
Незаменим он окажется и на военной службе. Ионолет невидим в инфракрасном диапазоне, что является настоящей находкой для военных. Такой беспилотный летательный аппарат можно будет использовать для разведывательных и иных миссий, не рискуя быть обнаруженным прибором ночного видения. Реализован ионолет может быть и в виде левитирующей платформы, получающей питание с земли по проводам. Летающий строительный кран, беспилотник для патрулирования дорожного движения, метеозонд, отслеживающий изменения погоды. Ему можно найти много способов применения.
Могут пригодиться ионолеты и для полетов в атмосфере других планет. Ведь им не надо нести на борту топливо. Но все-таки, осталось решить вопрос с мощным источником питания.
Если есть опыт работы с электричеством, сделать простейшую летающую модель ионолета можно и самому. При этом необходимо предпринять соответствующие меры предосторожности, так как придется работать с током высокого напряжения. В основе конструкции – склеенная из тонких бальсовых планок треугольная рама. Верхний электрод – тонкая медная проволока сечением 0,1 кв. мм. Нижний – широкая полоска из пищевой алюминиевой фольги, натянутая на раму. Расстояние между ними – около 30 мм. Фольга должна огибать планки и не иметь острых ребер, в противном случае может возникнуть электрический пробой.
После сборки конструкции к ней подключается высоковольтный источник питания с напряжением 30 кВ. Положительный вывод – к проводу, отрицательный – к фольге. Чтобы модель не улетела, ее нужно привязать к столу капроновыми нитями.
