告别引擎：离子推进飞机试飞成功，将开创航空新时代

Daphane · 发表于 2018-11-23 23:36:05

来源：环球科学ScientificAmerican

新型飞机效果图（来源：MIT）

自莱特兄弟的“飞行者1号”于1903年升空以来，100多年间，飞机的外形、动力装置、燃料等都发生了翻天覆地的变化。但几乎所有飞机都存在一些共通之处：通过部件的运动产生推力，例如螺旋桨、涡轮风扇，也因此产生巨大的噪音。而现在，麻省理工学院（MIT）副教授史蒂文·巴雷特（Steven Barrett）领导的团队，研发出一款颠覆性的飞机原型——通过离子风驱动、不消耗化石燃料、不产生任何噪音，并且在室内成功试飞。今天，这项研究发表在《自然》期刊上。　　离子风推进
　　巴雷特的灵感来源于《星际迷航》（Star Trek）。他在小时候看到《星际迷航》中梦幻般的飞行器时，就在想，这正是他梦想中未来飞机的飞行方式。

星际迷航中的企业号（来源：onceuponageek）

9年前，巴雷特开始带领MIT航空航天系的团队，探索打造新型飞机的可能性。他采用的推进方案是电空气动力学，也就是“离子风”。当气流经过两个电极（一薄一厚）之间时，一旦施加足够的电压，电极间的空气分子就会电离、被电极另一端吸引，在移动过程中与周围空气分子碰撞从而产生推力。巴雷特猜想，如果电压够高，离子风或许能推动小型飞行器。　　事实上，早在上世纪50年代，就有科学家提出，离子风不可能成为飞机的动力。而在很长一段时间内，不信邪的巴雷特团队研发进展也并不顺利。他们只能让小型飞行器短暂滑行几秒钟，距离产生足以维持更大型飞机飞行的离子风还很远。因此，他们在设计新的飞机原型时，也不敢抱有太高的期望——他们甚至都没有起一个响亮的名字，以至于这架飞机最终顶着“第二版”（Version 2）这个平淡的名字，完成创造历史的飞行。“我想的是，我们只有50%的成功几率，”巴雷特说，“我在MIT的同事更悲观，认为成功的概率只有1%。”
　　直到某天夜里，出差在外的巴雷特因为时差而失眠，“我干脆起床来思考，离子风飞机究竟是否可信，”巴雷特讲述道，“我做了一些初步的计算，这时我知道：没错，我找到了可行的推进系统。”
　　飞行60米
　　十年磨一剑，巴雷特团队在论文中展示了名为“第二版”的飞机原型。飞机翼长5米，质量只有5磅（2.45千克）。在机翼前端下方，研究团队固定了一排与机翼平行的细金属线；而在机翼后侧下方，是一排较粗的金属线。这些看似简单的导线，就是驱动离子风飞机的核心部件。

飞机结构图。可以明显看到电极和电线的位置（来源：研究论文）

　　试验时，飞机上的电池向前端的金属（正极）施加2万伏电压。高压将空气中氮气的电子剥离，氮原子变为带正电荷的离子。而后侧的金属带负电荷（负极），这些氮正离子就像被磁铁吸引的铁屑，迅速向后排移动。“沿途它们会与数百万的中性空气分子碰撞。”巴雷特说，这些空气分子如同被撞击的台球，被推向飞机后方，从而产生足够的推力。

在MIT的一座室内体育馆，巴雷特的愿望迈出了第一步。研究团队测试了“第二版”的飞行性能。与那些坚持不过几秒的前任相比，“第二版”以每小时17千米的速度平稳飞行了60米，直至撞上墙壁。研究者共进行了10次测试，飞机在每次测试中都有稳定的表现。期间没有动力耗尽的迹象，也没有恼人的噪音。　　在巴雷特看来，除了离子风推进器的设计，取得成功的另一项关键因素，是设计出很轻，但足够强大的电气系统。在此之前，没有人能用轻质的电池产生如此高的电压。“想要在飞机上施加4万伏的电压？这样的技术根本不存在。而巴雷特找到了一条新颖的解决途径。”佐治亚理工大学的航天工程师米切尔·沃克（Mitchell Walker）说。
　　MIT电子学研究实验室的戴维·佩罗（David Perreault）团队设计了飞行器的电气系统。他们为机身安装了一排聚合物锂电池，电池通过轻便的转换器，提供了所需的高压。
　　此外，研究团队通过计算机模拟，让飞机上的所有元件都发挥最大功效。从推进器到电池，从机身到飞机上的每一条电线，所有配件的设计都得到最优化。巴雷特说，经过数百次的调整，他们最终得到了“第二版”飞机。
　　从无人机起步
　　离子推进器的概念并不是首次出现。在航天领域，离子推进器不仅用于将航天器送往既定轨道，还将“黎明”号小行星探测器送至小行星带。在近乎真空的太空，离子推进器需要携带用于电离的气体，从而获得推动力。但在拥有致密大气层的地球上，故事又不一样了。“所有人都清楚，离子推进器产生的速度不足以推动一架飞机，”沃克说，“之前没有人知道该怎样让它前行。”
　　密歇根大学的航天工程师亚历克·加利莫尔（Alec Gallimore）说，这项工作证明了，离子推进器同样可以用在地球上。但“第二版”的效率仍然很低，与推动真正的飞机相距甚远。因此，通过离子推动的载人飞机在短期内也不会出现。
　　巴雷特同意这个观点。接下来，他正试图提升飞机的效率，用更低的电压制造出更大的离子风。研究者还希望提升推力密度，即单位面积产生的推力。目前，为了确保“第二版”飞行，机身上安置了大面积的电极。而巴雷特的最终目标，是让包括电极在内的飞机推进系统不可见。
　　“这需要长时间的研究，”巴雷特说，“从基本理论到真正在空中飞行的机器，是很漫长的一段旅途，需要解决物理、设计上的种种问题。现在，我看到的是，这样的推进系统具有理论上的可行性。”

这项研究登上本期《自然》封面

　　对于离子风飞机的未来，巴雷特认为，这项技术将可能首先为无人机带来变革。现在，无人机在运输、拍摄、环境监控等领域的应用与日俱增。“想象一下，10年或20年后，无人机将无处不在，这意味着我们耳边将全是无人机的噪音。而我们，能让它们变安静。”
　　而在展望更长远的目标时，巴雷特有着更大的野心。他希望离子风推进技术能与传统的燃烧系统结合，打造油耗更低的“混合型”客机，以及其他大型飞行器。或许，正如115年前那次只持续了12秒的飞行，这次试飞也可能在未来改变甚至颠覆航空界的面貌。

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