Depuis que le premier avion a pris son envol il y a plus de 100 ans, pratiquement tous les avions dans le ciel ont volé à l'aide de pièces mobiles telles que des hélices, des aubes de turbine, et fans, qui sont alimentés par la combustion de combustibles fossiles ou par des blocs-batteries qui produisent une persistance, bourdonnement de pleurnicherie.

Aujourd'hui, les ingénieurs du MIT ont construit et piloté le tout premier avion sans pièces mobiles. Au lieu d'hélices ou de turbines, l'avion léger est propulsé par un "vent ionique" - un flux d'ions silencieux mais puissant qui est produit à bord de l'avion, et qui génère suffisamment de poussée pour propulser l'avion sur un soutenu, vol régulier.

Contrairement aux avions à turbine, l'avion ne dépend pas des combustibles fossiles pour voler. Et contrairement aux drones à hélice, le nouveau design est complètement silencieux.

"Il s'agit du tout premier vol soutenu d'un avion sans pièces mobiles dans le système de propulsion, " dit Steven Barrett, professeur agrégé d'aéronautique et d'astronautique au MIT. "Cela a potentiellement ouvert de nouvelles possibilités inexplorées pour des avions plus silencieux, mécaniquement plus simple, et n'émettent pas d'émissions de combustion.

Il s'attend à ce qu'à court terme, de tels systèmes de propulsion éolienne ionique pourraient être utilisés pour piloter des drones moins bruyants. Plus loin, il envisage la propulsion ionique associée à des systèmes de combustion plus conventionnels pour créer plus économes en carburant, avions hybrides de passagers et autres gros porteurs.

Barrett et son équipe du MIT ont publié leurs résultats dans la revue La nature .

Loisirs créatifs

Barrett dit que l'inspiration pour l'avion ionique de l'équipe vient en partie du film et de la série télévisée, "Star Trek, " qu'il regardait avec avidité lorsqu'il était enfant. Il était particulièrement attiré par les navettes futuristes qui volaient sans effort dans les airs, avec apparemment aucune pièce mobile et pratiquement aucun bruit ou échappement.

"Cela m'a fait penser, dans un avenir à long terme, les avions ne devraient pas avoir d'hélices et de turbines, " Dit Barrett. "Ils devraient être plus comme les navettes dans 'Star Trek, ' qui ont juste une lueur bleue et glissent silencieusement."

Il y a neuf ans environ, Barrett a commencé à chercher des moyens de concevoir un système de propulsion pour les avions sans pièces mobiles. Il est finalement tombé sur « le vent ionique, " également connu sous le nom de poussée électroaérodynamique - un principe physique qui a été identifié pour la première fois dans les années 1920 et décrit un vent, ou poussée, qui peut être produit lorsqu'un courant passe entre une électrode mince et une électrode épaisse. Si une tension suffisante est appliquée, l'air entre les électrodes peut produire suffisamment de poussée pour propulser un petit avion.

Pendant des années, la poussée électroaérodynamique a surtout été le projet d'un amateur, et les conceptions ont pour la plupart été limitées à de petites, "lifters" de bureau attachés à de grandes alimentations en tension qui créent juste assez de vent pour qu'une petite embarcation vole brièvement dans les airs. Il a été largement supposé qu'il serait impossible de produire suffisamment de vent ionique pour propulser un avion plus gros sur un vol soutenu.

"C'était une nuit blanche dans un hôtel quand j'étais en décalage horaire, et j'y pensais et j'ai commencé à chercher des moyens de le faire, " se souvient-il. " J'ai fait quelques calculs au dos de l'enveloppe et j'ai trouvé que, Oui, il pourrait devenir un système de propulsion viable, " dit Barrett. " Et il s'est avéré qu'il a fallu de nombreuses années de travail pour passer de cela à un premier vol d'essai. "

Les ions prennent leur envol

La conception finale de l'équipe ressemble à un grand planeur léger. L'avion, qui pèse environ 5 livres et a une envergure de 5 mètres, porte une rangée de fils minces, qui sont enfilées comme des clôtures horizontales le long et sous l'extrémité avant de l'aile de l'avion. Les fils agissent comme des électrodes chargées positivement, tandis que des fils plus épais disposés de la même manière, longeant l'extrémité arrière de l'aile de l'avion, servent d'électrodes négatives.

Le fuselage de l'avion contient un empilement de batteries lithium-polymère. L'équipe d'avions ioniques de Barrett comprenait des membres du groupe de recherche en électronique de puissance du professeur David Perreault au Laboratoire de recherche en électronique, qui a conçu une alimentation qui convertirait la sortie des batteries en une tension suffisamment élevée pour propulser l'avion. De cette façon, les batteries fournissent de l'électricité à 40, 000 volts pour charger positivement les fils via un convertisseur de puissance léger.

Une fois les fils sous tension, ils agissent pour attirer et éliminer les électrons chargés négativement des molécules d'air environnantes, comme un aimant géant attirant la limaille de fer. Les molécules d'air qui restent sont nouvellement ionisées, et sont à leur tour attirés par les électrodes chargées négativement à l'arrière de l'avion.

Alors que le nuage d'ions nouvellement formé s'écoule vers les fils chargés négativement, chaque ion entre en collision des millions de fois avec d'autres molécules d'air, créant une poussée qui propulse l'avion vers l'avant.

L'équipe, qui comprenait également le personnel du laboratoire Lincoln Thomas Sebastian et Mark Woolston, a fait voler l'avion dans plusieurs vols d'essai à travers le gymnase du duPont Athletic Center du MIT, le plus grand espace intérieur qu'ils ont pu trouver pour effectuer leurs expériences. L'équipe a fait voler l'avion sur une distance de 60 mètres (la distance maximale dans le gymnase) et a découvert que l'avion produisait suffisamment de poussée ionique pour maintenir le vol tout le temps. Ils ont répété le vol 10 fois, avec des performances similaires.

"C'était l'avion le plus simple possible que nous pouvions concevoir qui pourrait prouver le concept qu'un avion ionique pouvait voler, " dit Barrett. " C'est encore loin d'un avion qui pourrait effectuer une mission utile. Il doit être plus efficace, voler plus longtemps, et vole dehors."

L'équipe de Barrett travaille à augmenter l'efficacité de leur conception, pour produire plus de vent ionique avec moins de tension. Les chercheurs espèrent également augmenter la densité de poussée de la conception, c'est-à-dire la quantité de poussée générée par unité de surface. Actuellement, piloter l'avion léger de l'équipe nécessite une grande surface d'électrodes, qui constitue essentiellement le système de propulsion de l'avion. Idéalement, Barrett aimerait concevoir un avion sans système de propulsion visible ni surfaces de contrôle séparées telles que les gouvernails et les ascenseurs.

"Ça a pris beaucoup de temps pour arriver ici, " dit Barrett. " Passer du principe de base à quelque chose qui vole réellement a été un long voyage pour caractériser la physique, puis proposer le design et le faire fonctionner. Maintenant, les possibilités pour ce type de système de propulsion sont viables."