翼展 5 米，重 2.45 公斤，平均高度僅 0.47 米的情況下能持續(xù)飛行 60 米，一架由麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)打造的十分特別的飛機(jī)，近日在學(xué)校的體育館內(nèi)完成了首次飛行。它是人類發(fā)明的第一架不配備任何活動(dòng)部件、采用“離子推進(jìn)”引擎的飛機(jī)。

 

       最令人稱奇的是，它的“離子發(fā)動(dòng)機(jī)”是懸掛在機(jī)翼下的兩排八列電線/翼型電離器，可以在超高壓電源轉(zhuǎn)換器制造的4萬伏高壓下，將氮?dú)夂脱鯕怆婋x，從而產(chǎn)生了每千瓦5牛頓的推力，與噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率相當(dāng)。

 

 

       在試驗(yàn)中，研究人員用彈射器將飛機(jī)彈射出去，在沒有使用離子發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，它可以滑翔10米遠(yuǎn)；而打開離子發(fā)動(dòng)機(jī)后，飛機(jī)可巡航飛行60米遠(yuǎn)。飛行試驗(yàn)一共進(jìn)行了10次，飛機(jī)都能穩(wěn)定飛行，滯空時(shí)間在8至9秒左右。

 

 

       研究人員認(rèn)為，整個(gè)系統(tǒng)的效率還很低下，僅2.5%左右，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)飛機(jī)；如果建造更大更快的飛行器，還可以將整體效率提高一倍，而不需要對(duì)底層設(shè)計(jì)做任何更改。

 

       自第一架飛機(jī)在 100 多年前飛行以來，天空中的幾乎每架飛機(jī)都借助于螺旋槳、渦輪葉片和風(fēng)扇等活動(dòng)部件飛行，這些部件由化石燃料的燃燒或產(chǎn)生的電池組供電，伴隨著它們整個(gè)飛行過程的是惱人的噪音和持續(xù)的排放。

 

       而這架電動(dòng)飛機(jī)和則完全不同，它沒有螺旋槳、沒有渦輪機(jī)，由帶電空氣分子碰撞而成的“離子風(fēng)”提供了飛行所需的推力。正如飛機(jī)的發(fā)明者、麻省理工學(xué)院航空航天副教授史蒂文·巴雷特說：“這是史上第一架推進(jìn)系統(tǒng)中沒有任何活動(dòng)部件的飛機(jī)，將為飛機(jī)帶來新的可能性，未來的飛機(jī)會(huì)更安靜，機(jī)械設(shè)計(jì)更簡單，并且不會(huì)排放燃燒物。”

 

 

       他預(yù)計(jì)，在短期內(nèi)，這種離子風(fēng)推進(jìn)系統(tǒng)可用于飛行較少的嘈雜無人機(jī)。但在更進(jìn)一步的發(fā)展中，巴雷特設(shè)想離子推進(jìn)系統(tǒng)將會(huì)和傳統(tǒng)的燃燒系統(tǒng)相配合，以打造更省油的混合客機(jī)和其他大型飛機(jī)。

 

       麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)成果發(fā)表在 11 月 21 日的Nature上。

 

 

       飛機(jī)的設(shè)計(jì)。

 

 

       本項(xiàng)研究表明利用離子風(fēng)的空氣動(dòng)力，可以推進(jìn)飛機(jī)穩(wěn)定水平的飛行。

 

       靈感源于星際迷航

 

       巴雷特透露，團(tuán)隊(duì)的靈感部分來自科幻作品“星際迷航”。在他小的時(shí)候，他就非常喜歡這部片子，其中，那些看起來能夠毫不費(fèi)力地在星際中穿梭的未來主義飛行器更是引起了他極大的興趣。

 

       “這讓我不禁幻想，在遙遠(yuǎn)的未來，飛機(jī)不應(yīng)該有螺旋槳和渦輪機(jī)，它們應(yīng)該只有藍(lán)色光芒的軌跡，安靜地在星際中飛行”，他說。

 

       大約在九年前，巴雷特開始著手設(shè)計(jì)沒有活動(dòng)部件的飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)。最終，他選擇了“離子風(fēng)”（ionicwind），它也被稱為電動(dòng)力學(xué)推力（electroaerodynamic，EAD）。

 

       這種技術(shù)最初在 20 世紀(jì) 20 年代被提出，簡單來說，它描述了電流在薄電極和厚電極之間通過時(shí)可產(chǎn)生風(fēng)，或者說推力。

 

       而當(dāng)施加的電壓足夠大時(shí)，電極之間的空氣可以產(chǎn)生足夠的推力來推進(jìn)小型飛機(jī)。理論上來說，使用非常高的電壓時(shí)，基于 EAD 的推進(jìn)器會(huì)在兩個(gè)電極周圍的空氣中產(chǎn)生離子，電極之間產(chǎn)生的電場將離子從較小的電極“甩到”較大的電極上，這些離子在行進(jìn)時(shí)與正常的空氣分子碰撞，產(chǎn)生離子風(fēng)并向前推動(dòng)機(jī)器。另外，由于離子可以在兩個(gè)固定電極之間移動(dòng)，因此機(jī)器不需要活動(dòng)部件來為其供電。

 

 

       這種技術(shù)目前已經(jīng)被 NASA 開發(fā)，并用于外太空，部署在一些衛(wèi)星和航天器上。由于太空的真空環(huán)境，這樣的系統(tǒng)電離的是氙氣，而巴雷特的飛機(jī)電離的是環(huán)境空氣中的氮分子。

 

       那么，為什么科學(xué)家一直沒有在我們的飛機(jī)上使用這種技術(shù)呢？要知道，在太空中運(yùn)用離子推進(jìn)比在大氣中容易得多。衛(wèi)星在重力牽引下環(huán)繞地球飛行，離子推進(jìn)器只是用作簡單的航向校正。相比之下，大氣中飛機(jī)必須要產(chǎn)生足夠的推力以保持其高空飛行，還要克服恒定的空氣阻力。