03.04.2013

Двигатели ионолётов могут быть эффективнее реактивных

По генерации тяги на единицу мощности электродинамические двигатели, оказывается, способны в десятки раз превосходить турбореактивные. Но для реализации этого преимущества предстоит преодолеть множество препятствий.

Если вы пропустите ток между двумя электродами, один из которых будет тоньше другого, то воздух между ними начнёт двигаться, возникнет мини-ветер (точнее — ионный ветер), который передаст свой импульс окружающим нейтральным молекулам воздуха. Эффект, известный с полвека, пока применялся лишь для настольных ионолётов с ничтожно малой тягой, к примеру, вот таких.

Серьезные экспериментальные исследования способностей ионных двигателей для полёта в атмосфере не проводились, и по умолчанию предполагалось, что для создания вменяемого импульса потребуется чудовищный по параметрам ток. Попытки главного проповедника этой идеи в США Александра Николаевича Прокофьева-Северского (создателя P-47 Thunderbolt) построить ионолёт, способный поднимать человека, провались — на их реализацию просто не нашлось денег.

И вот теперь Кенто Масуяма (Kento Masuyama) и Стивен Баррет (Steven Barrett) из Массачусетского технологического института (США) решили проверить, так ли это на самом деле. И получили смешанные результаты.

В поставленных ими экспериментах удалось получить 110 Н тяги на киловатт прилагаемой мощности. Чтобы разбавить эти сухие цифры эмоциями, напомним, что для современных турбореактивных двухконтурных двигателей этот показатель равен примерно 2 H на киловатт мощности, то есть более чем в полсотни раз ниже.

На первый взгляд, это переворот. На деле, конечно, есть сложности, и существенные. Тяга, создаваемая ионным двигателем с малой площадью рабочей зоны, невелика, а посчитать её можно так: F = I·d/k, где I — ток между электродами, а d — ширина диэлектрического зазора (k — проводимость в воздухе, практически неизменна). Из этого следует, что «плотность» тяги, то есть её количество на единицу рабочей площади ионного двигателя, намного меньше, чем у современных реактивных самолётов, ведь она прямо зависит от ширины зазора между электродами. Чем он больше, тем сильнее создаваемый ионный ветер, а значит, подъём в воздух даже лёгкого летательного аппарата потребует большого разноса между электродами. По сути, размеры такого зазора будет равны максимальным габаритам самого летательного аппарата.

Другая сложность в том, что хотя на создание тяги нужна небольшая мощность тока, вольтаж при этом велик: так, для экспериментальной модели из бальсы потребовалось несколько киловольт. По оценкам Стивена Баррета, для БПЛА с набортным оборудованием и источником питания понадобится несколько сот или даже тысяч киловольт. «Напряжение может быть огромным, — считает г-н Баррет. — Но я думаю, что эта сложность, возможно, преодолима. Эффективность — вот ключевой момент в конструкции летательных аппаратов. [Ионные двигатели для ЛА] будут жизнеспособны в не очень далёком будущем, поскольку они эффективны».

Первыми аппаратами с такого рода двигателями могут стать лёгкие разведывательные дроны. И дело не только в том, что им не нужна слишком большая масса — ионные двигатели в атмосферных условиях почти не создают серьёзного ИК-излучения, позволяющего эффективно обнаруживать обычные БПЛА. Кроме того, электродинамическая тяга предельно бесшумна, что затрудняет обнаружение ЛА даже в непосредственной близости от наблюдаемого объекта. «Просто представьте себе все военные преимущества обладания бесшумной двигательной установкой без ИК-следов», — живописует перспективы Стивен Баррет.

Ведущий специалист Lockheed Martin Corp Нед Аллен (Ned Allen), несмотря на все проблемы, называет направление многообещающим: «[Электродинамическая тяга] способна достичь куда большей эффективности, чем любое устройство, использующее горение». Именно поэтому, отмечает он, его компания рассматривает эту технологию в качестве пригодной для применения на летательных аппаратах.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Proceedings of the Royal Society A.

Александр Березин

Источники:

1. compulenta.computerra.ru