21 декабря 2021 года, Дженнифер Чу, офис новостей Массачусетского технологического института
Инженеры Массачусетского технологического института проверяют идею летающего диска для Луны и астероидов. Когда-нибудь левитирующий аппарат сможет исследовать Луну, астероиды и другие планеты.
Изображение: MIT
Аэрокосмические инженеры Массачусетского технологического института тестируют новую концепцию парящего диска, который будет левитировать за счет естественного заряда Луны.
Из-за отсутствия атмосферы Луна и другие небесные тела без атмосферы, например, астероиды, могут создавать электрическое поле за счет прямого воздействия солнца и окружающей плазмы. На Луне этот поверхностный заряд достаточно силен, чтобы поднимать пыль на высоту более 1 метра над поверхностью, подобный заряду статического электричества заставляющего волосы вставать дыбом.
Инженеры NASA и других организаций недавно предложили использовать этот естественный поверхностный заряд для левитации планера с крыльями, сделанными из майлара, материала, который естественным образом удерживает такой же заряд, как и поверхности на безвоздушных телах. Они рассудили, что одинаково заряженные поверхности должны отталкиваться друг от друга с силой, отрывающей планер от земли. Но такая конструкция, вероятно, будет ограничена небольшими астероидами, поскольку более крупные планеты имеют более сильное гравитационное притяжение.
Левитирующий аппарат команды Массачусетского технологического института потенциально может обойти это ограничение по размеру. Эта концепция, напоминающая летающую тарелку в форме диска в стиле ретро, использует крошечные ионные лучи как для зарядки транспортного средства, так и для увеличения естественного заряда поверхности. Общий эффект предназначен для создания относительно большой силы отталкивания между транспортным средством и поверхностью, что требует очень небольшой мощности. В первоначальном технико-экономическом обосновании исследователи показывают, что такой ионный импульс должен быть достаточно сильным, чтобы левитировать небольшой двухфунтовый (0,9 кг) аппарат на Луне и крупных астероидах, таких как Психея.
«Мы думаем о миссиях, подобных Хаябусе, запущенной японским космическим агентством, – говорит ведущий автор Оливер Джиа-Ричардс, аспирант факультета аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института. «Этот космический корабль работал вокруг небольшого астероида и запускал на его поверхность небольшие аппараты. Точно так же мы думаем, что будущая миссия может отправить небольшие парящие диски для исследования поверхности Луны и других астероидов».
Результаты команды опубликованы в текущем выпуске Journal of Spacecraft and Rockets . Соавторами Джиа-Ричардса являются Пауло Лозано – директор Лаборатории космических двигателей Массачусетского технологического института и профессор аэронавтики и астронавтики, бывший приглашенный ученый Себастьян Хэмпл, ныне работающий в Университете Макгилла.
Ионная сила
Левитирующая конструкция основана на использовании миниатюрных ионных двигателей, называемых ионно-жидкостными. Эти небольшие микроструктурные форсунки соединены с резервуаром, содержащим ионную жидкость в виде расплавленной соли при комнатной температуре. После приложения напряжения ионы жидкости заряжаются и излучаются в виде пучка через сопла с определенной силой.
Команда Лозано была пионером в разработке ионных двигателей и использовала их в основном для приведения в движение и физического маневрирования небольших спутников в космосе. Недавно Лозано увидел исследование, показывающее левитирующий эффект заряженной поверхности Луны на лунную пыль. Он также рассмотрел электростатический планер NASA и задался вопросом: может ли аппарат, оснащенный ионными двигателями, производить достаточно отталкивающей электростатической силы, чтобы парить над Луной и крупными астероидами?
Чтобы проверить эту идею, команда первоначально смоделировала небольшой аппарат в форме диска с ионными двигателями, которые заряжали только транспортное средство. Они смоделировали двигатели, чтобы направлять отрицательно заряженные ионы из транспортного средства, что фактически давало транспортному средству положительный заряд, аналогичный положительно заряженной поверхности Луны. Но они обнаружили, что этого было недостаточно, чтобы он оторвался от поверхности.
«Тогда мы подумали, а что, если мы перенесем наш собственный заряд на поверхность, чтобы дополнить ее естественный заряд?» – говорит Джиа-Ричардс.
Направляя дополнительные двигатели на поверхность и излучая положительные ионы, чтобы усилить заряд поверхности, команда пришла к выводу, что ускорение может создать бОльшую силу, достаточную, чтобы поднять аппарат. Они составили простую математическую модель и обнаружили, что, в принципе, это может сработать.
Основываясь на этой простой модели, команда предсказала, что небольшой аппарат, весом около двух фунтов (0,9 кг), может достичь высоты около одного сантиметра над поверхностью с использованием 10-киловольтного ионного источника на большом астероиде, таком как Психея. Чтобы получить такой же результат на Луне, такому же аппарату потребуется источник на 50 киловольт.
«Такая конструкция требует очень мало энергии для генерации большого напряжения», – объясняет Лозано. «Требуемая мощность настолько мала, что вы можете сделать это почти бесплатно».
В подвешенном состоянии
Чтобы убедиться, что представляемый сценарий может происходить в реальной среде в космосе, они запустили более простой вариант в лаборатории Лозано. Исследователи изготовили небольшой шестиугольный испытательный аппарат весом около 60 граммов и размером примерно с ладонь человека. Они установили один ионный двигатель, направленный вверх, и четыре, направленных вниз, а затем подвесили аппарат над алюминиевой поверхностью с помощью двух пружин, откалиброванных для противодействия гравитационной силе Земли. Вся установка была помещена в вакуумную камеру для моделирования безвоздушной среды Луны и астероидов.
Исследователи также подвесили вольфрамовый стержень к пружинам аппарата и использовали его смещение, чтобы измерить силу, создаваемую двигателями при каждом запуске. Они приложили различные напряжения к двигателям и измерили результирующую силу, которую затем использовали для расчета высоты, на которую мог подняться испытательный аппарат. Они обнаружили, что эти экспериментальные результаты совпадают с предсказаниями на основе их модели, что вселяет уверенность в том, что ее предсказания относительно зависания аппарата на Психее и на Луне были реалистичными.
Текущий сценарий предназначен для прогнозирования условий, необходимых для простого достижения левитации на высоте около 1 сантиметра от поверхности для двухфунтового транспортного средства. Ионные двигатели могут генерировать большую силу с более высоким напряжением для поднятия транспортного средства еще выше. Но Джиа-Ричардс говорит, что модель потребует пересмотра, поскольку она не учитывает, как испускаемые ионы будут вести себя на больших высотах.
«В принципе, с более совершенным моделированием мы могли бы подняться на гораздо большую высоту», – говорит он.
По словам Лозано, в будущих миссиях на Луну и астероиды могут быть использованы аппараты, использующие ионные двигатели для безопасного зависания и маневрирования над неизвестной неровной местностью.
«С левитирующим вездеходом вам не нужно беспокоиться о колесах или движущихся частях», – говорит Лозано. «Рельеф астероида может быть совершенно неровным, и до тех пор, пока у вас есть управляемый механизм, удерживающий ваш аппарат в левитации, вы можете перемещаться по очень пересеченной, неизведанной местности, без необходимости физически уворачиваться от астероида».
Это исследование было частично поддержано NASA.
Источник: MIT engineers test an idea for a new hovering rover