Engenheiros fazem voar o primeiro avião sem hélices, turbinas ou partes móveis

A aeronave leve e silenciosa não depende de combustíveis fósseis ou baterias.

Desde que o primeiro avião decolou há mais de 100 anos, praticamente todas as aeronaves no céu voaram com a ajuda de partes móveis como hélices, pás de turbinas e ventiladores, que são alimentados pela combustão de combustíveis fósseis ou por baterias que produzem um zumbido persistente, choramingando.

Agora os engenheiros do MIT construíram e voaram o primeiro avião sem partes móveis. Em vez de hélices ou turbinas, a aeronave leve é ​​alimentada por um “vento iônico” – um fluxo silencioso mas poderoso de íons que é produzido a bordo do avião, e que gera impulso suficiente para impulsionar o avião em um vôo contínuo e constante.

Ao contrário dos aviões movidos a turbina, a aeronave não depende de combustíveis fósseis para voar. E ao contrário dos drones movidos a hélice, o novo design é completamente silencioso.

“Este é o primeiro voo sustentado de um avião sem partes móveis no sistema de propulsão”, diz Steven Barrett, professor associado de aeronáutica e astronáutica do MIT. “Isso abriu potencialmente novas e inexploradas possibilidades para aeronaves mais silenciosas, mecanicamente mais simples e que não emitem emissões de combustão.”

Ele espera que, no curto prazo, tais sistemas de propulsão eólica possam ser usados ​​para pilotar aviões menos barulhentos. Além disso, ele prevê a propulsão iônica emparelhada com sistemas de combustão mais convencionais para criar aviões de passageiros híbridos mais eficientes em termos de combustível e outras aeronaves de grande porte.

Barrett e sua equipe no MIT publicaram seus resultados hoje na revista Nature.

Artesanato Hobby

Barrett diz que a inspiração para o avião iônico da equipe vem em parte da série de filmes e televisão, “Star Trek”, que ele observou avidamente quando criança. Ele estava particularmente atraído pelas calçadas futuristas que deslizavam sem esforço pelo ar, aparentemente sem partes móveis e quase sem ruído ou exaustão.

“Isso me fez pensar que, no futuro a longo prazo, os aviões não deveriam ter propulsores e turbinas”, diz Barrett. “Eles devem ser mais como os ônibus em ‘Star Trek’, que têm apenas um brilho azul e deslizam silenciosamente.”

Cerca de nove anos atrás, Barrett começou a procurar maneiras de projetar um sistema de propulsão para aviões sem partes móveis. Ele finalmente encontrou o “vento iônico”, também conhecido como impulso eletroaerodinâmico – um princípio físico que foi identificado pela primeira vez na década de 1920 e descreve um vento, ou impulso, que pode ser produzido quando uma corrente é passada entre um eletrodo fino e um espesso. Se tensão suficiente for aplicada, o ar entre os eletrodos pode produzir impulso suficiente para impulsionar uma pequena aeronave.

Por anos, o impulso eletroaerodinâmico tem sido principalmente um projeto de hobby, e os projetos foram limitados em grande parte a pequenos “elevadores” de mesa amarrados a grandes fontes de tensão que criam apenas vento suficiente para uma pequena aeronave pairar brevemente no ar. Supunha-se, em grande parte, que seria impossível produzir vento iônico suficiente para impulsionar uma aeronave maior durante um voo sustentado.

“Era uma noite sem dormir em um hotel quando eu estava atrasada, e estava pensando sobre isso e comecei a procurar maneiras de fazer isso”, lembra ele. “Fiz alguns cálculos de fundo e descobri que, sim, poderia se tornar um sistema de propulsão viável”, diz Barrett. “E aconteceu que precisou de muitos anos de trabalho para chegar a esse primeiro vôo de teste.”

Íons assumem o controle

O design final da equipe se parece com um planador grande e leve. A aeronave, que pesa cerca de 5 libras e tem uma envergadura de 5 metros, carrega uma série de fios finos, que são amarrados como uma cerca horizontal e abaixo da extremidade dianteira da asa do avião. Os fios atuam como eletrodos carregados positivamente, enquanto fios mais grossos da mesma forma, correndo ao longo da extremidade traseira da asa do avião, servem como eletrodos negativos.

A fuselagem do avião contém uma pilha de baterias de polímero de lítio. A equipe do avião iônico de Barrett incluiu membros do Grupo de Pesquisa de Eletrônica de Potência do Professor David Perreault no Laboratório de Pesquisa de Eletrônicos, que projetou uma fonte de alimentação que converteria a saída das baterias em uma tensão suficientemente alta para impulsionar o avião. Desta forma, as baterias fornecem eletricidade a 40.000 volts para carregar positivamente os fios através de um conversor de energia leve.

Uma vez que os fios são energizados, eles agem para atrair e remover elétrons carregados negativamente das moléculas de ar ao redor, como um imã gigante que atrai limalhas de ferro. As moléculas de ar que são deixadas para trás são recém ionizadas e, por sua vez, atraídas pelos eletrodos carregados negativamente na parte de trás do avião.

À medida que a recém-formada nuvem de íons flui em direção aos fios carregados negativamente, cada íon colide milhões de vezes com outras moléculas de ar, criando um impulso que impulsiona a aeronave para frente.

Imagens de câmeras não distorcidas do deslize não motorizado 2, com posição e energia do rastreamento da câmera anotadas. Crédito: Steven Barrett

 

A equipe, que também incluiu Thomas Sebastian e Mark Woolston, da Lincoln Laboratory, voou em vários vôos de teste no ginásio do duPont Athletic Center do MIT – o maior espaço interno que eles puderam encontrar para realizar seus experimentos. A equipe voou o avião a uma distância de 60 metros (a distância máxima dentro do ginásio) e encontrou o avião produzido impulso iônico suficiente para sustentar o vôo o tempo todo. Eles repetiram o vôo 10 vezes, com desempenho similar.

Filmagens de câmera não distorcida do voo 9, com posição e energia do rastreamento da câmera anotadas. Acelerada 2x. Crédito: Steven Barrett

“Esse foi o plano mais simples que pudemos projetar para provar o conceito de que um avião iônico poderia voar”, diz Barrett. “Ainda está longe de uma aeronave que poderia realizar uma missão útil. Precisa ser mais eficiente, voar por mais tempo e voar para fora ”.

O novo design é um “grande passo” para demonstrar a viabilidade da propulsão a vapor iônica, segundo Franck Plouraboue, pesquisador sênior do Instituto de Mecânica dos Fluidos de Toulouse, na França, que observa que os pesquisadores não conseguiam voar mais pesado que alguns gramas.

“A força dos resultados é uma prova direta de que o vôo constante de um drone com vento iônico é sustentável”, diz Plouraboue, que não esteve envolvido na pesquisa. “[Fora das aplicações de drones], é difícil inferir o quanto isso poderia influenciar a propulsão de aeronaves no futuro. No entanto, isso não é realmente uma fraqueza, mas sim uma abertura para o progresso futuro, em um campo que vai explodir agora ”.

A equipe de Barrett está trabalhando para aumentar a eficiência de seu projeto, para produzir mais vento iônico com menos voltagem. Os pesquisadores também esperam aumentar a densidade de empuxo do projeto – a quantidade de empuxo gerado por unidade de área. Atualmente, pilotar o avião leve da equipe requer uma grande área de eletrodos, que essencialmente compõe o sistema de propulsão do avião. Idealmente, Barrett gostaria de projetar uma aeronave sem sistema de propulsão visível ou com superfícies de controle separadas, como lemes e elevadores.

“Demorou muito tempo para chegar aqui”, diz Barrett. “Indo do princípio básico para algo que realmente voa foi uma longa jornada de caracterizar a física, então criar o design e fazê-lo funcionar. Agora as possibilidades para esse tipo de sistema de propulsão são viáveis ​​”.

Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pela Linha de Sistemas Autônomos do Laboratório Lincoln do MIT, pelo Auxílio à Pesquisa do Professor Amar G. Bose e pela Aliança de Pesquisa e Tecnologia Cingapura-MIT (SMART). O trabalho também foi financiado pelas cadeiras de desenvolvimento de carreira Charles Stark Draper e Leonardo, no MIT.

 

1 thought on “Engenheiros fazem voar o primeiro avião sem hélices, turbinas ou partes móveis

  1. E para o espaço cideral(vácuo) existe algum estudo sobre fótons propulsores?

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