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离子推进飞机试飞成功,将开创航空新时代

2018-11-23 19:14:13      来源:环球科学ScientificAmerican   分享:扫描到手机

离子推进飞机试飞成功,将开创航空新时代,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。

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)
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)
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。

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