Les ingénieurs pilotent le tout premier avion sans pièces mobiles - et il a été inspiré par «Star Trek»


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Les ingénieurs du MIT pilotent le tout premier avion sans pièces mobiles
L'avion silencieux et léger ne dépend pas de combustibles fossiles ni de batteries.
Écrit par Jennifer Chu
Nouvelles du MIT

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 des ventilateurs, qui sont alimentés par la combustion de combustibles fossiles ou par des batteries qui produisent un bourdonnement persistant et pleurnichard.


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 silencieux mais puissant d'ions qui est produit à bord de l'avion et qui génère suffisamment de poussée pour propulser l'avion sur un vol soutenu et régulier.


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Contrairement aux avions à turbine, l'avion ne dépend pas des combustibles fossiles pour voler. Et contrairement aux drones à hélices, 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», déclare Steven Barrett, professeur agrégé d'aéronautique et d'astronautique au MIT. «Cela a potentiellement ouvert de nouvelles possibilités inexplorées pour les avions qui sont plus silencieux, mécaniquement plus simples et n'émettent pas d'émissions de combustion.»

Il s'attend à ce qu'à court terme, de tels systèmes de propulsion éolienne ionique puissent 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 des avions de passagers hybrides et d'autres gros avions plus économes en carburant.


Barrett et son équipe du MIT ont publié leurs résultats aujourd'hui dans la revue Nature.

Barrett dit que l’inspiration pour le plan ionique de l’équipe vient en partie du film et de la série télévisée «Star Trek», qu’il a regardé avec avidité dans son enfance. Il était particulièrement attiré par les volants futuristes qui parcouraient l'air sans effort, avec apparemment aucune pièce mobile et pratiquement aucun bruit ou échappement.

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«Cela m'a fait penser qu'à long terme, les avions ne devraient pas avoir d'hélices ni de turbines», dit Barrett. 'Ils devraient ressembler davantage aux navettes de' Star Trek ', qui ont juste une lueur bleue et glissent silencieusement.'


Il y a environ neuf ans, 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 une 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 une poussée suffisante pour propulser un petit avion.

Pendant des années, la poussée électroaérodynamique a principalement été un projet d'amateur, et les conceptions ont pour la plupart été limitées à de petits «élévateurs» de bureau attachés à de grandes alimentations en tension qui créent juste assez de vent pour qu'un petit vaisseau plane brièvement dans les airs. On a 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 sans sommeil dans un hôtel quand j'étais en décalage horaire, et j'y réfléchissais et j'ai commencé à chercher des moyens de le faire», se souvient-il. «J'ai fait quelques calculs en arrière-plan et j'ai trouvé que, oui, cela 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 là à un premier vol d'essai.»

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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 série de fils minces, qui sont enfilés comme une clôture horizontale 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 manière similaire, le long de l'extrémité arrière de l'aile de l'avion, servent d'électrodes négatives.

Le fuselage de l'avion contient une pile de batteries lithium-polymère. L’équipe d’avions ioniques de Barrett a conçu une alimentation qui convertirait la sortie des batteries en une tension suffisamment élevée pour propulser l’avion. De cette manière, les batteries fournissent de l'électricité à 40 000 volts pour charger positivement les fils via un convertisseur de puissance léger.

Une fois que les fils sont 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 attirées vers les électrodes chargées négativement à l'arrière de l'avion.

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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 a fait voler l’avion lors de plusieurs vols d’essai à travers le gymnase du duPont Athletic Center du MIT - le plus grand espace intérieur qu’ils aient pu trouver pour réaliser leurs expériences. L'équipe a piloté l'avion sur une distance de 60 mètres (la distance maximale dans le gymnase) et a constaté que l'avion produisait suffisamment de poussée ionique pour soutenir 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 puissions concevoir et qui pourrait prouver le concept selon lequel un avion ionique pouvait voler», déclare Barrett. «Il est encore loin d’un avion qui pourrait effectuer une mission utile. Il doit être plus efficace, voler plus longtemps et voler à l'extérieur. »

La nouvelle conception est un «grand pas» vers la démonstration de la faisabilité de la propulsion éolienne ionique, selon Franck Plouraboue, chercheur senior à l'Institut de mécanique des fluides de Toulouse, France, qui note que les chercheurs n'étaient auparavant pas en mesure de voler plus lourd que quelques grammes.

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«La force des résultats est une preuve directe que le vol régulier d'un drone à vent ionique est durable», déclare Plouraboue, qui n'a pas participé à la recherche. «[En dehors des applications de drones], il est difficile de déduire à quel point cela pourrait influencer la propulsion des avions à l'avenir. Néanmoins, ce n’est pas vraiment une faiblesse mais plutôt une ouverture à de futurs progrès, dans un domaine qui va maintenant éclater.

L’équipe de Barrett s’efforce d’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 - 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 ou sans surfaces de contrôle séparées telles que gouvernails et ascenseurs.

«Il a fallu beaucoup de temps pour arriver ici», dit Barrett. «Passer du principe de base à quelque chose qui vole réellement était un long voyage de caractérisation de la physique, puis de trouver la conception et de la faire fonctionner. Désormais, les possibilités pour ce type de système de propulsion sont viables.

Réimprimé avec la permission de Nouvelles du MIT

(REGARDEZla vidéo ci-dessous) -Photo par MIT / Christine Y. He

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