Технологии полета, часть 1: летающая машина на ионном ветре и лазерная робо-муха
статья выходного дня
Сейчас никого не удивишь электрическими летающими дронами, которые продаются в каждом магазине детских игрушек и скоро будут применяться в качестве аэротакси в наших городах. Но возможны и другие виды электрических летательных аппаратов, который обходятся без привычных нам винтов.
Самолет MIT с ионным электрореактивным двигателем
Может ли быть летающая машина без винтов и при этом совершенно не нуждаться в топливе? Оказывается - может! В США создали такой аппарат и он уже прошел испытания. Группа во главе со со Стивеном Барреттом в Массачусетском технологическом институте создала такое чудо.
В Массачусетском технологическом институт (МИТ) создали первый самолет, работающий а электротяге и лишенных привычных винтов. Аппарат приводится в движение ионным ветром, который создается между смонтированными на крыльях электродами.
Движущихся частей в системе двигателей этой летающей машины действительно совсем нет. Пока это всего лишь небольшая модель, пролетевшая сравнительно малое расстояние, но уже глядя на нее приходится признать, что возможно в будущем создание новых типов летательных аппаратов, которые практически бесшумны и совершенно не загрязняют атмосферу при полете.
Принцип действия ионного двигателя
Принцип действия летающей машины - движение, вызванное ионным ветром. Как это выглядит? Между тонким положительным электродом и толстым отрицательным электродом создается мощное электрическое поле. Под воздействием его некоторые нейтральные атомы превращаются в заряженные ионы. Положительно заряженные ионы начнут двигаться к отрицательному полюсу, а электроны и отрицательно заряженные ионы (те самые, превратившиеся из воздуха), начнут двигаться к положительному полюсу. Поток этих частиц, при столкновении с атомами воздуха просто ионизирует их и увлекает вслед за собой, в результате этого движения создается некоторая движущаяся реактивная струя воздуха, способная двигать и небольшой и легкий аппарат.
Сферы использования ионного двигателя
Подобные ионные двигатели использовались в космосе, с помощью этого принципа были сконструированы космические зонды. Но в космическом вакууме нет воздуха и поэтому нужно было как-то запасаться веществом для ионизации. А вот в атмосфере такая летающая машина может использовать для своей ионизации окружающий воздух, и при этом ей совершенно не нужно стороннего топлива.
Но воздух - это не только источник топлива, но и сила сопротивления, которую приходится преодолевать летающей машине. При этом еще летательный аппарат, в данном случае самолет должен двигаться достаточно быстро, иначе не будет подъемной силы и он упадет.
Путь исследований Стивена Барретта
Как же начал свой исследовательский путь Стивен Барретт? Проблема движения летательного аппарата на ионном ветре заинтересовала его еще в совсем раннем возрасте после просмотра сериала небезызвестного "Звёздный путь". Стивен Барретт считает, что на летательного аппарата будущего не будет движущихся пропеллеров и турбин, то есть любых вращающихся частей, а сами они станут напоминать космические корабли будущего - тихо и бесшумно скользя и слабо светясь в темноте.
Раньше ученые считали аппараты с ионным двигателем просто игрушками, которые могут просто ненадолго зависнуть в воздухе а потом упасть. Но исследователь стал искать нужную идею и начал рассчитывать и испытывать устройство. Что же получилось в конце концов? По внешнему виду это самолет с размахом крыльев в 5 метров и очень легкий-всего то весит два с половиной килограмма. Этот самолет очень похож на планер, но в отличие от последнего, имеет двигатель.
Конструкция двигателя самолета MIT с ионным электрореактивным двигателем
Что же конкретно представляет собой данный двигатель? Это целая сеть положительно заряженных проводов у переднего края крыла самолета и толстых проводов заряженных противоположно у заднего края крыла. В фюзеляже находится целый набор литиево-полимерных батарей, которые и создают между этими проводами (тонкими и толстыми) напряжение очень значительное - целых 40 тысяч вольт. Это и есть двигатель летающей машины, который заставляет аппарат двигаться совершенно бесшумно.
Испытания самолета MIT с ионным электрореактивным двигателем
Самолет прошел испытания в огромном зале длиной 60 метров - где летающая машина с легкостью преодолела эту длину. Но конечно, данный беспилотник еще далек от того, чтобы перевозить какие-то грузы и выполнять полезные функции. Но то, что самолет на ионной тяге может летать - уже доказано.
Планы разработчиков самолета MIT с ионным электрореактивным двигателем
Сейчас разработчики вплотную подошли к усовершенствованию ионного двигателя, они хотят увеличить плотность тяги (отношение силы тяги к площади сечения реактивной струи). Вероятно, в будущем такие летающие машины пригодятся для выполнения определенных задач.
Видео-обзор самолета MIT с ионным электрореактивным двигателем
Трудности в разработке роботов-насекомых
И снова напишем о новинках электронной микротехники. Раньше создание миниатюрных летающих устройств было затруднено по причине и тяжести источника питания, который должна поднять такое робот-насекомое, а если он мощный то получалось - и тяжелый, поэтому такие устройства просто и примитивно подключались к источнику питания через шнур и их дальность полета ограничивал этот самый шнур. Система управления этими устройствами тоже была привязана к этому шнуру - чтоб "мозг" робота-насекомого не мешал ему при движении.
Роботизированная лазерная муха RoboFly
И вот группа инженеров из Вашингтонаво главе с Сойером Фуллером создали миниатюрного робота-муху, которая не подзаряжается от розетки и не болтается на электронном шнуре, а полностью автономна и самостоятельна. Как же летает этот миниатюрный робот-насекомое?
Принцип действия летающей мухи-робота RoboFly
Насекомое-робот RoboFly, которое подпитывается от лазерного луча. Этот луч попадает на встроенный в робота-муху фотоэлемент и вырабатывает таким образом электроэнергию, на которой собственно и летает муха. Маленький робот поднимается в воздух и летает и он беспроводной. При это полет робо-мухи выполняется с помощью машущих крыльев, как у настоящего насекомого!
Также робо-муха оснащена собственным миниатюрным встроенным "мозгом", то есть своей системой управления, которая позволяет ей ориентироваться в пространстве. Так что теперь беспроводное робот-насекомое уже не научная фантастика, как считали раньше, а вполне реальный аппарат.
Недостаток летающей мухи-робота RoboFly
Но недостаток, и достаточно серьезный, есть и у робота-мухи. Чтобы устройство летало и ему хватало энергии на взлет, лазер должен находиться очень близко - всего лишь в 2-х метрах от него. Поэтому насекомое не может летать далеко, на данном этапе оно только взлетает и садится. Опять же если увеличить мощность лазерного луча и тем решить проблему дальности полетов, то это может нанести серьезный вред сетчатке глаз человека, что вредно и эта идея не подходит.
Перспективы создания беспроводных роботов-насекомых
Авторы надеются найти выход из этих ситуаций и найти способ получения энергии для робо-мухи от беспроводных сетей вроде Wi-Fi и других. Тогда искусственные мухи и пчелы, жужжа и махая маленькими крылышками действительно смогут работать во многих областях человеческой жизни, оказывая всестороннюю помощь людям. А может они пригодятся и для исследования различных дальних планет, например того же Марса?
Области применения миниатюрных роботов-насекомых
Маленькие роботы, размером с насекомое могут найти серьезное применение во многих областях разных служб. Например они могут проникать в самые труднодоступные места каких-либо производств и отслеживать, все ли хорошо и нет ли неисправностей. Например они смогут отслеживать утечки опасных химических или горючих веществ (газ, например), что может спасти от катастрофы населенные пункты и людей.
