Un avion à propulsion ionique !

Depuis leur invention les avions ont toujours été propulsés à l’aide de parties mécaniques en mouvement,  à savoir les hélices et leurs moteurs ou encore les turbines des turboréacteurs. Et ce sont pour la plupart des combustibles fossiles qui sont brûlés pour les faire tourner.
La propulsion ionique, où des ions soumis à des champs électriques sont accélérés  pourrait   fournir une alternative. Mais jusqu’ici, aucun avion doté de ce système n’avait encore volé.

La propulsion ionique a jusqu’ici été réservée à des engins spatiaux qui s’accommodaient fort bien d’une faible poussée pour le contrôle de leur trajectoire dans le vide interstellaire. La figure ci-dessous schématise le fonctionnement d’un système modèle. 

Le gaz est ionisé par le champ électrique créé entre l’électrode bleue et les électrodes rouges par la tension de 2 KV. Ces ions sont accélérés par le champ électrique créé par la tension de 5 kV appliquée entre l’électrode bleue et les noires. Ceux ayant la bonne polarité sont éjectés vers l’arrière.
Crédit Wikipedia.

C’est ce type de propulsion  non polluante et quasi silencieuse que des scientifiques du M.I.T.(Massachusets Institute of technology) Boston, USA  ont appliqué à des fins de démonstration à un avion modèle réduit de 5 m d’envergure plus lourd que l’air.
Cet avion a décollé de nombreuses fois et évolué à une altitude stable comme on peut le voir sur la vidéo suivante :

Reproduit avec autorisation de Flight of an aeroplane with solid-state propulsion
Haofeng Xu, Yiou He, Kieran L. Strobel, Christopher K. Gilmore, Sean P. Kelley, Cooper C. Hennick, Thomas Sebastian,
Mark R. Woolston, David J. Perreault & Steven R. H. Barrett.  NATURE, on line 21 november 2018.
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Les ions générés à partir de l’air ambiant par un champ électrique sont accélérés par celui-ci.  Ils font des collisions avec les molécules neutres et en ionise certaines. Cela couple  les ions à l’air ambiant. Il en résulte un “ vent ionique “ qui produit une poussée sur l’appareil en direction opposée à celle des ions. Ce système est quasi silencieux et non polluant

L’appareil est représenté sur la figure 1 ci-dessous. Les électrodes sont placées sous l’aile. Le poids total est de 2,45 kg, il comprend la batterie et toute l’électronique (Fig.2.). Les essais ont eu lieu à l’intérieur d’une salle d’athlétisme couverte du M.I.T.

Fig.1. Plan de l’aéroplane a)Dessin à l’ordinateur de l’aéroplane à propulsion ionique. On distingue le jeu d’électrodes sous l’aile à l’arrière. b) Photographie de l’appareil après de nombreux vols d’essais Reproduit avec autorisation de Flight of an aeroplane with solid-state propulsion Haofeng Xu, Yiou He, Kieran L. Strobel, Christopher K. Gilmore, Sean P. Kelley, Cooper C. Hennick1, Thomas Sebastian, Mark R. Woolston, David J. Perreault & Steven R. H. Barrett. NATURE, online 21 november 2018

Fig.1. Plan de l’aéroplane
a) Dessin à l’ordinateur de l’aéroplane à propulsion ionique. On distingue le jeu d’électrodes sous l’aile à l’arrière.
b) Photographie de l’appareil après de nombreux vols d’essais
Reproduit avec autorisation de Flight of an aeroplane with solid-state propulsion
Haofeng Xu, Yiou He, Kieran L. Strobel, Christopher K. Gilmore, Sean P. Kelley, Cooper C. Hennick, Thomas Sebastian,
Mark R. Woolston, David J. Perreault & Steven R. H. Barrett. NATURE, on line 21 november 2018

 

 

Pour obtenir  une  poussée suffisante sur l’appareil, on a conçu (Fig.2.) une alimentation haute tension (40 kV) d’une puissance de 500 W permet à la fois l’ionisation de l’air par effet Corona et l’accélération des ions.

Une décharge Corona se produit lorsque le champ électrique à la surface d’un conducteur plongé dans l’air est suffisamment élevé. L’air s’ionise alors à partir des points  du conducteur de plus petit rayon de courbure. On l’observe parfois sur les lignes haute tension.

Fig.2. Schéma du convertisseur haute tension
Le pont onduleur transforme le courant continu de la batterie en courant alternatif de haute fréquence. Un transformateur haute tension élève la tension alternative. Le multiplicateur de tension final est en même temps un redresseur et on a donc en sortie une haute tension continue.
Reproduit avec autorisation de Flight of an aeroplane with solid-state propulsion
Haofeng Xu, Yiou He, Kieran L. Strobel, Christopher K. Gilmore, Sean P. Kelley, Cooper C. Hennick, Thomas Sebastian,Mark R. Woolston, David J. Perreault & Steven R. H. Barrett. NATURE, on line 21 november 2018

En raison de la longueur limitée (60 m) de la piste de course de la salle du MIT l’aéroplane est lancé par un système à sandow. L’appareil atteint sa vitesse de croisière de 5 m/s au bout de 5m. Il parcourt librement les 55m restant  à une hauteur d’environ 1,8 m. Son trajet dure à peu près 11 s. Ceci peut paraître peu mais on doit se rappeler que le premier avion des frères Wright mit,  en 1903, 12 secondes pour parcourir 36 m à une hauteur de 3m..

Un esprit tourné vers l’avenir peut penser que ,dans le futur, ce sont des avions de ce type, moins polluants et moins bruyants, qui voleront dans les cieux.

 

 

 

Pour en savoir plus :

Flight of an aeroplane with solid-state propulsion

Haofeng Xu, Yiou He, Kieran L. Strobel, Christopher K. Gilmore, Sean P. Kelley, Cooper C. Hennick, Thomas Sebastian, Mark R. Woolston, David J. Perreault & Steven R. H. Barrett.

NATURE, on line 21 november 2018