告别引擎:离子推进飞机试飞成功 将开创航空新时代

2018-11-23 23:12:42    所在频道:  科技    来源: 市南科普在线

  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。

  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。

  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。”

  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。