В 60-х года «ионолет» казался инновацией и революцией в науке. Ходили даже разговоры о том, что принцип его работы можно было бы использовать в маленьких самолетах и в военном деле, ведь такие «ионолеты» не вырабатывали тепла и тем самым их было невозможно обнаружить на радарах. В какое-то время благодаря своей бесшумности «ионолетами» хотели заменить обычные вертолеты и даже построить специальные летающие платформы противоракетной обороны и мониторинга за движением по дорогам.

Проблема заключалась в мощности. Технология отлично работала с маленькими моделями, вроде той, что можно видеть выше на видео, но совсем не подходила для строительства более крупных «ионолетов». Что уж говорить, технология даже не позволяла нести на борту собственный источник питания, не говоря уже о дополнительном оборудовании. И поэтому некоторое время спустя о технологии стали забывать.
Когда же ученые из MIT решили вернуться к этом вопросу, то обнаружили, что на самом деле серьезных исследований ионного ветра и возможности создания двигателей на его основе не проводилось. Поэтому они решили провести эксперимент, при котором на конструкцию «ионолета» подавался бы ток в сотни вольт, которых бы хватило для того чтобы зажечь обычную лампочку.

Результаты оказались удивительными. Команда исследователей обнаружила, что ионная тяга оказалась более эффективной в сравнении, например, с самолетными двигателями. В то время как самолетные (турбореактивные) двигатели создают тягу в 2 H на киловатт мощности, ионный двигатель смог создать 110 Н на киловатт мощности. Более того, выяснилось, что такие двигатели наиболее эффективны для обеспечения малой тяги. Другими словами энергия не расходовалась зря.

Несмотря на это довольно обещающее открытие, не стоит ожидать, что мы сможем увидеть и даже полетать на «ионолетах» в ближайшем будущем. Ведь несмотря на свою эффективность, технология требует невероятно высокого количества потребляемой для питания энергии. Даже для того чтобы поднять в воздух маленький , потребуется мегавольты энергии. Поэтому ученым придется еще решить вопросы о том, как запихнуть в самолет мощность вырабатываемую целой электростанцией.

Тем не менее характеристики и особенности ионного двигателя подводят нас к рассуждению о том, что при увеличении самих двигателей, увеличивается и расстояние между анодом и катодом. Поэтому для запуска с земли «ионолету» потребуется настолько большой двигатель, что практически само летательное средство будет находится внутри этого двигателя. А это означает, что «ионолет» возможно будет очень большим, круглым, с расположенной в центре основной палубой.

Другими словами, кто знает, что однажды мы сможем увидеть настоящие бесшумные летающие тарелки .

Первый в мире самолет с ионными двигателем испытали на закрытом треке в физкультурном центре Массачусетского технологического института. Дрон массой 2,45 кг с размахом крыльев пять метров пролетел почти 60 м за счет ионной тяги.

Аппарат запускали с помощью катапульты. При запуске с неработающим двигателем самолет пересек бы лишь 10 м, а «подгоняемый» ионным ветром беспилотник преодолел на 50 метров больше, причем он постоянно набирал высоту.

Руководитель разработок профессор аэронавтики MIT Стивен Баррет рассказал, что на создание ионолета его вдохновила научная фантастика.

«В детстве я был большим фанатом сериала „Звездный путь“ и думал, что в будущем появятся беззвучные самолеты без движущихся частей», - цитирует ученого Guardian. Баррет искал способ создать летательный аппарат без подвижных компонентов и узнал об эффекте Бифельда - Брауна, открытом еще в 1920-е годы.

Как объясняет Ars Technica, феномен ионного ветра позволяет летательному аппарату обходиться без пропеллеров и турбин. Оснащенный электродами, инвертором и литий-полимерными батареями самолет передвигается за счет ионизации воздуха.

На передней кромке расположены электроды с положительным зарядом, на задней - с отрицательным. Аккумуляторы выдают напряжение в 40 киловольт. Как только ток проходит через электроды, создается «электронный каскад». В результате формируются заряженные молекулы воздуха. Затем они «соприкасаются» со второй партией электродов, размещенных в хвостовой части дрона. По мере движения заряженные молекулы передают энергию нейтральным молекулам воздуха. Таким образом и создается тяга, с помощью которой ионолет бесшумно летит - совсем как в сериале «Звездный путь», которым вдохновлялся Баррет.

«Это первый в мире полет самолета с двигателем без подвижных частей», - отмечает ученый.

Эксперимент MIT доказывает, что эффект Бифельда - Брауна применим в авиации. Ранее исследователи считали, что ионный ветер не способен обеспечить достаточную тягу, чтобы удержать в воздухе летательный аппарат.

По его словам, технология позволит в будущем создавать более тихие и экологичные летательные аппараты с простой конструкцией. Их ремонт и техобслуживание будут стоить намного меньше, чем сейчас.

Работа по результатам исследования опубликована в журнале Nature. На следующем этапе американские инженеры хотят увеличить размер прототипа, чтобы добиться большей скорости и дальности полета.

Исследователи предполагают, что в будущем ионные двигатели будут использовать при создании дронов-псевдоспутников на солнечной энергии, которые будут парить в стратосфере месяцами.

Недавно Boeing псевдоспутник Odysseus - результат 30-летних разработок. Аппарат способен подняться в стратосферу и провести там несколько месяцев.

Итак, официальные документы слово свое сказали.

А теперь посмотрим на 2-ю страницу обложки. Это и есть камера, созданная челябинскими школьниками Славой Верхоглядом, Левой Мерензоном и Славой Коновым под руководством А. М. Коновалова. Сегодня эти ребята уже студенты. Мы попросили их рассказать о том, как родилась идея создания прибора.

«Это было несколько лет назад. Мы - все трое - проходили ученическую практику в Центральной лаборатории Челябинского тракторного завода. Там и услышали впервые эту историю. Дело в том, что челябинские тракторы с маркой «Сделано в СССР» идут во многие страны Азии, в том числе в Индию. Долгий морской путь по водам тропиков создавал условия для развития коррозии. Машины очень быстро выходили из строя.

В антикоррозийной лаборатории, куда мы часто заглядывали, разрабатывались новые составы покрытий. Самым трудо

емким оставался процесс испытаний этих покрытий. Чтобы установить влажность воздуха, действие температуры, вредных газов, ультрафиолетовых лучей, требовалось время и время.

Нас это заинтересовало. Мы вступили в Челябинское научное общество учащихся и подготовили доклады о коррозии металлов».

Здесь мы прервем слова самих ребят. Вот какую оценку получила их работа: «Представляет теоретический и практический интерес. Выполнение ее способствовало усвоению методики научного исследования, важного для промышленного процесса «защиты металла от коррозии». Рецензию подписали доцент кафедры химии пединститута О. Голяницкий и старший инженер антикоррозийной лаборатории ЧТЗ Г. Поляков.

Следующим этапом работы явилась разработка конструкции и создание прибора, известного теперь под названием «Камера искусственной погоды».

Еще раз посмотрите на 2-ю страницу об-

ДВИГАТЕЛЬ? ИОННЫЙ ВЕТЕР

«Модель ионолета, сделанная учащимися 10-го класса «Б» челябинской школы № 80 А. Зарицким и В. Малышкиным, была испытана в высоковольтной лаборатории Института механизации и электрификации сельского хозяйства и показала следующие результаты: при весе 65 г, напряжении 45 в, токе 3 ма развила тягу силой 13 г при общем количестве иголок 3000.

Ст. преподаватель кафедры электрических машин А. Петров.

Зав. лабораторией производства и распределения электрической энергии В. Н ос о в».

Мы сидим в кабинете Челябинской станции юных техников. На столе разложены альбомы с вырезками из журналов, репродукциями «космических» картин Соколова и Леонова. Все, что касается будущего космонавтики, юные физики^ исследователи заботливо собирают и штудируют. Вот так же - была заметка в журнале ■- увлекла их год назад идея ионолета.

Он очень устойчив в полете, этот летательный аппарат. Им можно легко

управлять, меняя силу и направление ионного ветра. - Ребята как будто пытаются убедить меня в преимуществах своего будущего корабля. - Ионолеты можно использовать и на высотах 100- 120 км, недоступных для самолетов и слишком низких для спутников. А ведь именно здесь, по мнению метеорологов, находится главная кухня погоды.

А еще они могли бы быть ретрансляторами для дальней связи лучше, чем коммуникационные спутники Земли: ио-

Алюминиевая пищевая фольга и тончайшая медная проволочка, а между ними — лишь 3 сантиметра воздуха. Фольга и проволочка закреплены на квадратном диэлектрическом каркасе из легких пластиковых палочек. Конструкция покоится на столе, и как на любой предмет, на нее действует сила тяжести со стороны Земли. Но стоит создать между фольгой и проволочкой разность потенциалов в несколько тысяч вольт, подав на нее высокое постоянное напряжение порядка 30000 вольт от маломощного источника питания, как конструкция, словно по волшебству, взлетает.

Речь здесь не идет о взлетающем конденсаторе, ведь обкладки, если их вообще можно так назвать, почти не перекрывают друг друга по сколь-нибудь значимой доле своих площадей, а значит практически никакого накопления энергии в диэлектрике между «обкладками» не происходит.

Если бы конструкцию не удерживали на столе тончайшие крепкие ниточки, она продолжила бы свое поступательное движение в направлении электрода из тонкой проволоки, но поскольку ниточки крепко держат изделие, оно просто зависает в воздухе над столом и как-бы левитирует над ним.

Этот эксперимент - наглядная демонстрация так называемого эффекта Бифельда-Брауна, известного многим экспериментаторам, любителям «лифтеров» (от англ. Lifter), чьи поделки в огромном разнообразии можно наблюдать на ютубе.

Эффект Бифельда-Брауна — это один из тех немногих физических эффектов, которые не так то просто однозначно объяснить и внятно описать даже сегодня. Фактически возле электрода-проволочки малой площади напряженность электрического поля в десятки раз превышает напряженность возле электрода-фольги большой площади.

Это значит, что на окружающее пространство данные «обкладки» воздействуют по-разному. В пространстве между электродами и около них имеет место сильно несимметричная картина постоянной во времени напряженности электрического поля.

Здесь есть, конечно, в качестве одной из составляющих, так называемый «ионный ветер», вклад которого, однако, в движение конструкции очень и очень мал, на «ионный ветер» приходится менее сотой доли всей тяги — менее 1% подъемной силы.

Ионного ветра хватает разве что на то, чтобы немного отклонить язычок пламени, как в школьном эксперименте с высоким напряжением на кончике иглы, поднесенной к зажженной свече. Это совсем мизерная сила, она не сможет даже приподнять фольгу от стола, не говоря уже о том, чтобы удерживать в подвешенном состоянии на натянутых нитях изделие весом в десятки и сотни грамм. Из 100 грамм тяги «ионный ветер» создает максимум 1 грамм.

Кроме того, 40% тяги при работе не в вакууме создает движение потока воздуха, возникающее вследствие эффекта коронного разряда на резкой грани в электрическом поле. На этом принципе уже сегодня работают электростатические безлопастные вентиляторы.

Возле тонкого электрода атомы воздуха ионизируются, и начинают двигаться в направлении широкого электрода, по пути они сталкиваются с другими молекулами воздуха, отдают им долю собственной кинетической энергии, или опять же ионизируют, и те поэтому ускоряются.

Вся соль эффекта в том, что около 49% тяги, как говорят ученые, имеют здесь неизвестную природу, то есть практически половина общей подъемной силы как-то связана с действием несимметричного электрического поля на окружающее пространство, и вообще не связана с величиной тока, создаваемого потоком ионов воздуха.

По всей вероятности речь идет о воздействии этой заряженной конструкции на гравитационное поле над электродом малой площади. Если убрать ниточки, которые удерживают изделие на столе, оно будет все время стремиться вверх — в сторону электрода малой площади.

На этом принципе, как предполагают российские ученые Эмиль Бикташев и Михаил Лавриненко, можно попробовать построить очень эффективный двигатель для космического аппарата. Эксперимент в вакууме подтвердил принципиальную возможность данной затеи.

Механическое увеличение потоком положительных ионов всей массы газов к отрицательному электроду-горелке в случае наложения продольного электрического поля по схеме а (см.рис 2) должно вызвать уменьшение высоты внутреннего конуса и поверхности горения S k ; и наоборот, при схеме б, когда горелка находится под положительным потенциалом, следует ожидать увеличение k h и S k .

В соответствии с соотношениями (2) и (3) при постоянстве входных и внешних условий такие изменения h k и S k объясняются только изменением u н, т.е. увеличением или уменьшением нормальной скорости пламени.

С точки зрения тепловой теории эффект ионного ветра можно объяснить тем, что положительные ионы, увлекая за собой массу раскалённых газов при наложении поля по рис. 2, а, приближают зону с более высокой температурой к горелке, в результате чего создаются условия для более интенсивного теплообмена между раскалёнными продуктами сгорания и свежей горючей смесью. Это в свою очередь вызывает ускорение реакции и смещение фронта пламени ближе к горелке, при наложении поля по рис. 2, б зона с более высокой температурой будет смещаться вверх, так как ионы увлекут за собой к катоду нейтральную массу раскалённых газов Теплообмен со свежей смесью в этом случае ухудшиться, развитие горения замедлится и фронт пламени увеличит поверхность горения.

При наложение заряда на горелку по рис. 1, в и г возможные изменения h k и S k , происходящие за счёт электрического взаимодействия положительных ионов с зарядом на горелке, могут быть объяснены также, как и влияние поля. Однако эффект изменения S k окажется значительно слабее.

Рассмотрим влияние электрического поля и заряда по пределу устойчивости по срыву и проскоку пламени, стабилизированного на горелке, принимая за основной механизм воздействия ионный ветер. Простейшим условием устойчивого горения является равенство

В случаях, рассмотренных на рис.2, а и в, в соответствии с проведённым анализом влияния поля на скорость горения и принятой трактовкой ионного ветра, следует ожидать расширение области устойчивого распространения в сторону более высоких критических скоростей срыва и её сужения за счёт увеличения критической скорости, соответствующей проскоку пламени. Поток положительных ионов, увлекая за собой массу раскалённых газов, будет содействовать стабилизации пламени на отрицательно заряжённой горелке.

Если рассматривать стабилизированное на электролизованном кольце пламя, приподнятое на некоторую высоту над горелкой (вариант “висящего” пламени), то наложение продольного электрического поля по схеме на рис.2, а, должно вызвать стабилизацию пламени на устье горелки под действием ионного ветра. Того же самого, но при более высоком значении потенциала можно ожидать при наложении на горелку электрического заряда по рис. 2, в.

Однако при наложении продольного электрического поля по рис.2, б и заряда по рис.2, г стабилизация предварительно сорванного пламени на положительно заряженную горелку – процесс неосуществимый, если его не объяснять ионным ветром; напротив, поле (см. рис.2, б) и заряд (см. рис.2, г), если следовать понятию ионного ветра, должны содействовать дальнейшему срыву пламени.

В таблице 1 приведены те вероятные экспериментальные эффекты, которые можно ожидать при распространении пламени в электрическом поле, предполагая, что определяющим фактором является один из трёх механизмов воздействия. с № 2в, 2г, 3а и 3в, хотя и характеризуются отсутствием влияния поля на распространение пламени, но только в первом приближении, так как при наложении на горелку отрицательного заряда (вариант 2в) через пламя потечёт ток положительных ионов, а в варианте 2г – ток электронов. В принципе при этом движении к горелке заряжённые частицы будут испытывать упругие соударения и в какой-то мере повышать энтальпию пламени.

При рассмотрении вариантов № 3а и 3в также предполагаем, что влияние электрического поля на распространение пламени отсутствовало, хотя при этом не учитывали такой фактор, как поляризация химически активных частиц под действием электрического поля, способствующих развитию химических процессов. В этих вариантах влияние электрического поля объясняется неупругими соударениями электронов с частицами, но так как в вариантах № 3а и 3в электроны не могут проходить через свежую смесь, а в соответствии с направлением поля ускоряются в сторону продуктов сгорания, то их влияние на подготовку к горению свежей смеси будет ослаблено полем.

Анализ таблицы 1 позволяет сделать следующие выводы:

• 1. каждый из трёх механизмов влияние электрического поля на процесс распространения пламени определяется направлением поля;
• 2. в зависимости от направления поля в реальных системах, когда

на распространение пламени могут влиять все три фактора,

можно выделить доминирующие процессы.

Гипотеза о прямом воздействии электрического поля на кинетику процесса горения является логичным следствием гипотезы Томсона об активной роли ионов и электронов в процессе горения. Предполагалось, что благодаря электронам и ионам, возникающим во фронте пламени, горячая смесь подготавливается к вступлению в реакцию, и, следовательно, заряжённые частицы определяют процесс распространения пламени. Для подтверждения своей гипотезы Д.Томсон поставил эксперимент по облучению гремучего газа вторичными электронами, выбиваемыми рентгеновскими лучами из свежепрокаленной платиновой проволочки. В результате произошёл взрыв водородно-кислородной смеси. И хотя в последствии эксперимент был признан некорректным (реакцию горения водорода, наблюдаемую Томсоном, объяснили каталитическим воздействием платины), гипотеза эта приобрела сторонников и стала основой для объяснения многих эффектов, возникающих при наложении на пламя электрического поля. Так, результаты работы, в которой показано, что пламенна метана, ацетилена и этилена в поперечном поле с разностью потенциалов 50 – 1800 В (при межэлектродном зазоре 4,85 см) гаснут, авторы объясняют следующим образом: поскольку заряжённые частицы ответственны за распространение пламени, являясь передатчиками энергии к свежей смеси, поскольку при наложении поперечного поля электроны и ионы, рождающиеся во фронте, будут удалятся из зоны горения на электроды, в результате чего их концентрация уменьшится настолько, что при достижении критической напряжённости поля горение прекратится – пламя гаснет.

В пользу гипотезы о прямом воздействии поля на горение свидетельствуют результаты работ по изучению влияния поля на период индукции и температуру самовоспламенения жидких и газообразных топлив. В них показано, что в зависимости от направления поля период индукции и температуры самовоспламенения могут увеличиться или уменьшатся по сравнению с теми же параметрами, в отсутствие поля. Полученные результаты авторы объясняют участием отрицательных ионов в процессе медленного окисления.

Суммируя всё вышеизложенное, следует указать, что две основные точки зрения на механизм воздействия электрического поля на процесс горения(воздействие на газодинамику процесса или прямое воздействие на кинетику реакции) являются отражением двух более общих концепций относительно роли и места заряжённых частиц в процессе горения, одна из которых отрицает, а вторая предполагает участие заряжённых химически активных частиц в механизме окисления и горения.

Отрицать существенное влияние массовых сил, возникающих в газе при наложении на пламя электрического поля, на процесс горения, особенно, когда напряжённость поля велика, но локальный пробой у электродов не возникает, очевидно, нельзя, тем более, что во многих экспериментах поле наложено таким образом, что какого-либо иного воздействия поля, кроме как через механизм ионного ветра, ожидать трудно.

Дело в том, что в цитированных исследованиях поле накладывается интегрально на всё пламя, а в этом случае в результате экранирования поля заряженными частицами, имеющимися в области догорания, напряжённость поля в реакционной зоне и в области подготовки будет близка к нулевой. Очевидно, что такое поле способно повлиять на кинетику реакций только в зоне догорания, т.е. там, где основные процессы в том числе и с участием ионов практически завершено.

Вместе с тем, не менее очевидно, что кинетический механизм воздействия поля способен повлиять на макроскопические параметры горения только тогда, когда удастся создать поле с напряжённостью, достаточной для заметного разделения зарядов именно в реакционной зоне и – в свете последних исследований процесса ионообразования в пламёнах – в области подготовки. При этом желательно, чтобы напряжённость поля в зоне догорания была небольшой, т.к. позволила бы избежать искажающего влияния ионного ветра.