Чи працює принцип іонного вітру у вакуумі? Літаки на іонній тязі: нездійсненна мрія або питання часу

Перший у світі літак із іонними двигуном випробували на закритому треку у фізкультурному центрі Массачусетського технологічного інституту. Дрон масою 2,45 кг із розмахом крил п'ять метрів пролетів майже 60 м за рахунок іонної тяги.

Апарат запускали за допомогою катапульти. При запуску з непрацюючим двигуном літак перетнув би лише 10 м, а «підігнаний» іонним вітром безпілотник подолав на 50 метрів більше, причому він постійно набирав висоту.

Керівник розробок професор аеронавтики MIT Стівен Баррет розповів, що створення іонолету його надихнула наукова фантастика.

«У дитинстві я був великим фанатом серіалу „Зоряний шлях“ і думав, що в майбутньому з'являться беззвучні літаки без частин, що рухаються», -цитує вченого Guardian. Баррет шукав спосіб створити літальний апарат без рухливих компонентів і дізнався проефекті Біфельда - Браун, відкритий ще в 1920-і роки.

Як пояснює Ars Technica, феномен іонного вітру дозволяє літальному апарату обходитися без пропелерів та турбін. Оснащений електродами, інвертором та літій-полімерними батареями літак пересувається за рахунок іонізації повітря.

На передній кромці розташовані електроди з позитивним зарядом, на задній – з негативним. Акумулятори видають напругу 40 кіловольт. Щойно струм проходить через електроди, створюється "електронний каскад". Через війну формуються заряджені молекули повітря. Потім вони «стикаються» з другою партією електродів, розміщених у хвостовій частині дрону. У міру руху заряджені молекули передають енергію нейтральним молекул повітря. Таким чином і створюється потяг, за допомогою якого іонолет безшумно летить – зовсім як у серіалі «Зоряний шлях», яким надихався Баррет.

"Це перший у світі політ літака з двигуном без рухливих частин", - зазначає вчений.

Експеримент MIT доводить, що ефект Біфельда – Брауна застосовний в авіації. Раніше дослідники вважали, що іонний вітер не здатний забезпечити достатню потяг, щоб утримати в повітрі літальний апарат.

За його словами, технологія дозволить у майбутньому створювати тихіші та екологічні літальні апарати з простою конструкцією. Їх ремонт та техобслуговування коштуватимуть набагато менше, ніж зараз.

Робота за результатами дослідженняопублікована у журналі Nature. На наступному етапі американські інженери хочуть збільшити розмір прототипу, щоб досягти більшої швидкості та дальності польоту.

Дослідники припускають, що в майбутньому іонні двигуни будуть використовувати при створенні дронів-псевдосупутників на сонячній енергії, які ширятимуть у стратосфері місяцями.

Нещодавно Boeing псевдосупутник Odysseus – результат 30-річних розробок. Апарат здатний піднятися на стратосферу і провести там кілька місяців.

Алюмінієва харчова фольга і найтонша мідна тяганина, а між ними — лише 3 сантиметри повітря. Фольга та тяганина закріплені на квадратному діелектричному каркасі з легких пластикових паличок. Конструкція лежить на столі, і як на будь-який предмет, на неї діє сила тяжіння з боку Землі. Але варто створити між фольгою і дротиком різниця потенціалів у кілька тисяч вольт, подавши на неї високу постійну напругу близько 30000 вольт від малопотужного джерела живлення, як конструкція, немов за помахом чарівної палички, злітає.

Мова тут не йде про злітаючий конденсатор, адже обкладки, якщо їх взагалі можна так назвати, майже не перекривають один одного по значній частці своїх площ, а значить практично ніякого накопичення енергії в діелектриці між «обкладками» не відбувається.

Якби конструкцію не утримували на столі найтонші міцні ниточки, вона продовжила б свій поступальний рух у напрямку електрода з тонкого дроту, але оскільки ниточки міцно тримають виріб, він просто зависає в повітрі над столом і левітує над ним.

Цей експеримент – наочна демонстрація так званого ефекту Біфельда-Брауна, відомого багатьом експериментаторам, любителям «ліфтерів» (від англ. Lifter), чиї вироби у величезній різноманітності можна спостерігати на ютубі.

Ефект Біфельда-Брауна - це один з тих небагатьох фізичних ефектів, які не так просто однозначно пояснити і виразно описати навіть сьогодні. Фактично біля електрода-дроти малої площі напруженість електричного поля в десятки разів перевищує напруженість біля електрода-фольги великої площі.

Це означає, що у навколишній простір дані «обкладки» впливають по-різному. У просторі між електродами і навколо них має місце несиметрична картина постійної в часі напруженості електричного поля.

Тут є, звичайно, як одна зі складових, так званий «іонний вітер», внесок якого, однак, у рух конструкції дуже і дуже малий, на «іонний вітер» припадає менше сотої частки всієї тяги — менше 1% підйомної сили.

Іонного вітру вистачає хіба що на те, щоб трохи відхилити язичок полум'я, як у шкільному експерименті з високою напругою на кінчику голки, піднесеної до запаленої свічки. Це зовсім мізерна сила, вона не зможе навіть підняти фольгу від столу, не кажучи вже про те, щоб утримувати у підвішеному стані на натягнутих нитках виріб вагою в десятки та сотні грамів. Зі 100 грам тяги «іонний вітер» створює максимум 1 грам.

Крім того, 40% тяги під час роботи не у вакуумі створює рух потоку повітря, що виникає внаслідок ефекту коронного розряду на різкій грані в електричному полі. На цьому принципі вже сьогодні працюють електростатичні безлопатеві вентилятори.

Біля тонкого електрода атоми повітря іонізуються, і починають рухатися у напрямі широкого електрода, по дорозі вони стикаються з іншими молекулами повітря, віддають їм частку власної кінетичної енергії, або знову ж таки іонізують, і тому прискорюються.

Вся сіль ефекту в тому, що близько 49% тяги, як кажуть вчені, мають тут невідому природу, тобто майже половина загальної підйомної сили якось пов'язана з дією несиметричного електричного поля на навколишній простір, і взагалі не пов'язана з величиною струму, що створюється потоком іонів повітря.

Імовірно йдеться про вплив цієї зарядженої конструкції на гравітаційне поле над електродом малої площі. Якщо прибрати нитки, які утримують виріб на столі, він весь час прагнутиме вгору — у бік електрода малої площі.

На цьому принципі, як припускають російські вчені Еміль Бікташев та Михайло Лавриненко, можна спробувати збудувати дуже ефективний двигун для космічного апарату. Експеримент у вакуумі підтвердив важливу можливість цієї витівки.

Отже, офіційні документи своє слово сказали.

А тепер подивимося на 2 сторінку обкладинки. Це і є камера, створена челябінськими школярами Славою Верхоглядом, Лівою Мерензоном та Славою Коновим під керівництвом А. М. Коновалова. Сьогодні ці хлопці вже є студентами. Ми попросили їх розповісти, як народилася ідея створення приладу.

«Це було кілька років тому. Ми – всі троє – проходили учнівську практику у Центральній лабораторії Челябінського тракторного заводу. Там і вперше почули цю історію. Справа в тому, що челябінські трактори з маркою «Зроблено в СРСР» йдуть до багатьох країн Азії, зокрема до Індії. Довгий морський шлях водами тропіків створював умови у розвиток корозії. Машини дуже швидко виходили з ладу.

В антикорозійній лабораторії, куди ми часто зазирали, розроблялися нові склади покриттів. Найважче

ємним залишався процес випробувань цих покриттів. Щоб встановити вологість повітря, дію температури, шкідливих газів, ультрафіолетових променів, потрібно час і час.

Нас це зацікавило. Ми вступили до Челябінського наукового товариства учнів та підготували доповіді про корозію металів».

Тут ми перервемо слова самих хлопців. Ось яку оцінку отримала їхня робота: «Уявляє теоретичний і практичний інтерес. Виконання її сприяло засвоєнню методики наукового дослідження, важливого для промислового процесу «захисту металу від корозії». Рецензію підписали доцент кафедри хімії педінституту О. Голяницький та старший інженер антикорозійної лабораторії ЧТЗ Г. Поляков.

Наступним етапом роботи стала розробка конструкції та створення приладу, відомого тепер під назвою «Камера штучної погоди».

Ще раз подивіться на 2-у сторінку про-

ДВИГУН? ІОННИЙ ВІТЕР

«Модель іонолету, зроблена учнями 10-го класу «Б» челябінської школи № 80 А. Зарицьким та В. Малишкіним, була випробувана у високовольтній лабораторії Інституту механізації та електрифікації сільського господарства та показала наступні результати: при вазі 65 г, напругі 4 струмі 3 ма розвинула тягу силою 13 г за загальної кількості голок 3000.

Ст. викладач кафедри електричних машин О.Петров.

Зав. лабораторією виробництва та розподілу електричної енергії В. Носов ».

Ми сидимо у кабінеті Челябінської станції юних техніків. На столі розкладено альбоми з вирізками із журналів, репродукціями «космічних» картин Соколова та Леонова. Все, що стосується майбутнього космонавтики, молоді фізики дослідники дбайливо збирають і студіюють. Ось так - була замітка в журналі - захопила їх рік тому ідея іонолета.

Він дуже стійкий у польоті, цей літальний апарат. Їм можна легко

керувати, змінюючи силу та напрямок іонного вітру. - Хлопці ніби намагаються переконати мене у перевагах свого майбутнього корабля. - Іонольоти можна використовувати і на висотах 100-120 км, недоступних для літаків і надто низьких для супутників. Адже саме тут, на думку метеорологів, є головна кухня погоди.

А ще вони могли б бути ретрансляторами для телекомунікації краще, ніж комунікаційні супутники Землі: іо-

У 60-х «іонолет» здавався інновацією і революцією в науці. Ходили навіть розмови про те, що принцип його роботи можна було б використати у маленьких літаках та у військовій справі, адже такі «іонольоти» не виробляли тепла і цим їх неможливо було виявити на радарах. У якийсь час завдяки своїй безшумності «іонолетами» хотіли замінити звичайні вертольоти і навіть побудувати спеціальні платформи протиракетної оборони та моніторингу за рухом по дорогах.

Проблема полягала у потужності. Технологія відмінно працювала з маленькими моделями, на зразок тієї, що можна бачити вище на відео, але зовсім не підходила для будівництва більших «іонолетів». Що вже казати, технологія навіть не дозволяла нести на борту власне джерело живлення, не кажучи вже про додаткове обладнання. І тому через деякий час про технологію стали забувати.
Коли ж вчені з MIT вирішили повернутись до цього питання, то виявили, що насправді серйозних досліджень іонного вітру та можливості створення двигунів на його основі не проводилося. Тому вони вирішили провести експеримент, при якому на конструкцію «іонолету» подавався струм у сотні вольт, яких би вистачило для того, щоб запалити звичайну лампочку.

Результати виявилися надзвичайними. Команда дослідників виявила, що іонна тяга виявилася ефективнішою порівняно, наприклад, з літаковими двигунами. У той час як літакові (турбореактивні) двигуни створюють тягу в 2 H на кіловат потужності, іонний двигун зміг створити 110 Н на кіловат потужності. Більше того, з'ясувалося, що такі двигуни є найбільш ефективними для забезпечення малої тяги. Тобто енергія не витрачалася даремно.

Незважаючи на це досить обіцяє відкриття, не варто очікувати, що ми зможемо побачити і навіть політати на «іонольотах» у найближчому майбутньому. Адже незважаючи на свою ефективність, технологія вимагає неймовірно високої кількості споживаної енергії. Навіть для того, щоб підняти в повітря маленький, потрібно мегавольти енергії. Тому вченим доведеться ще вирішити питання про те, як запхнути в літак потужність, що виробляється цілою електростанцією.

Тим не менш характеристики та особливості іонного двигуна підводять нас до міркування про те, що при збільшенні самих двигунів, збільшується відстань між анодом і катодом. Тому для запуску із землі «іонолету» буде потрібний настільки великий двигун, що практично сам літальний засіб буде перебувати всередині цього двигуна. А це означає, що "іонолет" можливо буде дуже великим, круглим, з розташованою в центрі основною палубою.

Іншими словами, хто знає, що одного разу ми зможемо побачити справжні безшумні літаючі тарілки.

Механічне збільшення потоком позитивних іонів всієї маси газів до негативного електроду-пальника у разі накладання поздовжнього електричного поля за схемою а (див. рис 2) має викликати зменшення висоти внутрішнього конуса та поверхні горіння S k ; і навпаки, при схемі б, коли пальник знаходиться під позитивним потенціалом, слід очікувати збільшення h і S k .

Відповідно до співвідношенням (2) і (3) за сталості вхідних та зовнішніх умов такі зміни h k і S k пояснюються лише зміною u н, тобто. збільшенням чи зменшенням нормальної швидкості полум'я.

З погляду теплової теорії ефект іонного вітру можна пояснити тим, що позитивні іони, захоплюючи масу розпечених газів при накладенні поля по рис. 2, а наближають зону з більш високою температурою до пальника, в результаті чого створюються умови для більш інтенсивного теплообміну між розпеченими продуктами згоряння і свіжою горючою сумішшю. Це своє чергу викликає прискорення реакції та зміщення фронту полум'я ближче до пальника, при накладення поля по рис. 2, б зона з більш високою температурою буде зміщуватися вгору, так як іони потягнуть за собою до катода нейтральну масу розпечених газів Теплообмін зі свіжою сумішшю в цьому випадку погіршиться, розвиток горіння сповільниться і фронт полум'я збільшить поверхню горіння

При накладенні заряду на пальник за рис. 1, і г можливі зміни h k і S k , що відбуваються за рахунок електричної взаємодії позитивних іонів з зарядом на пальнику, можуть бути пояснені також, як і вплив поля. Проте ефект зміни S k виявиться значно слабшим.

Розглянемо вплив електричного поля та заряду за межею стійкості по зриву та проскакуванню полум'я, стабілізованого на пальнику, приймаючи за основний механізм впливу іонний вітер. Найпростішою умовою сталого горіння є рівність

У випадках, розглянутих на рис.2, а й у, відповідно до проведеного аналізу впливу поля на швидкість горіння та прийнятого трактування іонного вітру, слід очікувати розширення області сталого поширення у бік більш високих критичних швидкостей зриву та її звуження за рахунок збільшення критичної швидкості , що відповідає проскоку полум'я. Потік позитивних іонів, захоплюючи у себе масу розпечених газів, сприятиме стабілізації полум'я на негативно зарядженому пальнику.

Якщо розглядати стабілізоване на електролізованому кільці полум'я, піднесене на деяку висоту над пальником (варіант “висить” полум'я), то накладення поздовжнього електричного поля за схемою на рис.2, а повинно викликати стабілізацію полум'я на гирлі пальника під дією іонного вітру. Того ж самого, але при вищому значенні потенціалу очікується при накладенні на пальник електричного заряду за рис. 2, ст.

Однак при накладенні поздовжнього електричного поля по рис.2, б і заряду по рис.2, стабілізація попередньо зірваного полум'я на позитивно заряджений пальник - процес неможливий, якщо його не пояснювати іонним вітром; навпаки, поле (див. рис.2, б) і заряд (див. рис.2, г), якщо дотримуватися поняття іонного вітру, повинні сприяти подальшому зриву полум'я.

У таблиці 1 наведені ті ймовірні експериментальні ефекти, які очікується при поширенні полум'я в електричному полі, припускаючи, що визначальним фактором є один із трьох механізмів впливу. з № 2в, 2г, 3а і 3в, хоч і характеризуються відсутністю впливу поля на поширення полум'я, але тільки в першому наближенні, так як при накладенні на пальник негативного заряду (варіант 2в) через полум'я потече струм позитивних іонів, а у варіанті 2г – Струм електронів. У принципі при цьому русі до пальника заряджені частинки будуть відчувати пружні зіткнення і певною мірою підвищувати ентальпію полум'я.

При розгляді варіантів № 3а і 3в також припускаємо, що впливу електричного поля на поширення полум'я був відсутній, хоча при цьому не враховували такий фактор, як поляризація хімічно активних частинок під дією електричного поля, що сприяють розвитку хімічних процесів. У цих випадках вплив електричного поля пояснюється непружними суударениями електронів з частинками, але так як у варіантах № 3а і 3в електрони не можуть проходити через свіжу суміш, а відповідно до напряму поля прискорюються у бік продуктів згоряння, то їх вплив на підготовку до горіння свіжої суміші буде ослаблено полем.

Аналіз таблиці 1 дозволяє зробити такі висновки:

• 1. кожен із трьох механізмів вплив електричного поля на процес поширення полум'я визначається напрямком поля;
• 2. залежно від напряму поля в реальних системах, коли

на поширення полум'я можуть впливати всі три фактори,

можна виділити домінуючі процеси.

Гіпотеза про пряму дію електричного поля на кінетику процесу горіння є логічним наслідком гіпотези Томсона про активну роль іонів та електронів у процесі горіння. Передбачалося, що завдяки електронам та іонам, що виникають у фронті полум'я, гаряча суміш готується до вступу в реакцію, і, отже, заряджені частки визначають процес розповсюдження полум'я. Для підтвердження своєї гіпотези Д.Томсон поставив експеримент з опромінення гримучого газу вторинними електронами, що вибиваються рентгенівськими променями зі свіжопрокаленого платинового зволікання. В результаті стався вибух воднево-кисневої суміші. І хоча згодом експеримент був визнаний некоректним (реакцію горіння водню, що спостерігається Томсоном, пояснили каталітичним впливом платини), гіпотеза ця придбала прибічників і стала основою пояснення багатьох ефектів, що виникають при накладенні на полум'я електричного поля. Так, результати роботи, в якій показано, що полум'яна метану, ацетилену та етилену в поперечному полі з різницею потенціалів 50 – 1800 В (при міжелектродному зазорі 4,85 см) гаснуть, автори пояснюють таким чином: оскільки заряджені частинки відповідальні за поширення полум'я, будучи передавачами енергії до свіжої суміші, оскільки при накладенні поперечного поля електрони та іони, що народжуються у фронті, будуть видалятися із зони горіння на електроди, внаслідок чого їх концентрація зменшиться настільки, що при досягненні критичної напруги поля горіння припиниться - полум'я гасне.

На користь гіпотези про пряму дію поля на горіння свідчать результати робіт з вивчення впливу поля на період індукції та температуру самозаймання рідких та газоподібних палив. Вони показано, що залежно від напрямку поля період індукції і температури самозаймання можуть збільшитися чи зменшаться проти тими самими параметрами, без поля. Отримані результати автори пояснюють участю негативних іонів у процесі повільного окиснення.

Підсумовуючи вищевикладене, слід зазначити, що дві основні точки зору на механізм впливу електричного поля на процес горіння (вплив на газодинаміку процесу або прямий вплив на кінетику реакції) є відображенням двох більш загальних концепцій щодо ролі та місця заряджених частинок у процесі горіння, одна з яких заперечує, а друга передбачає участь заряджених хімічно активних частинок у механізмі окиснення та горіння.

Заперечувати значний вплив масових сил, що виникають у газі при накладенні на полум'я електричного поля, на процес горіння, особливо, коли напруженість поля велика, але локальний пробій у електродів не виникає, очевидно, не можна, тим більше, що в багатьох експериментах поле накладене таким чином , Що будь-якого іншого впливу поля, крім як через механізм іонного вітру, очікувати важко.

Справа в тому, що в цитованих дослідженнях поле накладається інтегрально на все полум'я, а в цьому випадку в результаті екранування поля зарядженими частинками, що є в області догоряння, напруженість поля в реакційній зоні та в галузі підготовки буде близька до нульової. Вочевидь, що таке полі здатне вплинути на кінетику реакцій лише у зоні догорання, тобто. там, де основні процеси зокрема і з участю іонів практично завершено.

Разом з тим, не менш очевидно, що кінетичний механізм впливу поля здатний вплинути на макроскопічні параметри горіння лише тоді, коли вдасться створити поле з напруженістю, достатньою для помітного поділу зарядів саме в реакційній зоні та – у світлі останніх досліджень процесу іоноутворення у полум'ях – у галузі підготовки. У цьому бажано, щоб напруженість поля у зоні догорання була невеликою, т.к. дозволила б уникнути спотворювального впливу іонного вітру.