飞机革命!不用化石燃料的离子推进飞机试飞成功




飞机革命!不用化石燃料的离子推进飞机试飞成功


新型飞机效果图(来源:MIT)








飞机之所以为飞行的机器,是因为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,并产生巨大的噪音。

而现在,科技的进步有可能让传统飞机的概念重新书写,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,并且已经在室内成功试飞。

这项研究发表在《自然》期刊上:


美国好莱坞的科幻片非常科幻,巴雷特小时候看到《星际迷航》中梦幻般的飞行器时,就在想这就是未来飞机最理想的飞行方式。


星际迷航中的企业号(来源:onceuponageek)

长大后,巴雷特于9年前开始带领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”。

巴雷特猜想,如果电压够高,离子风或许能推动小型飞行器。
在很长一段时间内,巴雷特团队研发进展并不顺利。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。
“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%。”
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,“我在脑子最清醒的状态下做了一些计算,这时脑子突然灵光一现,我知道:没错,我找到了可行的推进系统。” 

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。(烧脑吧?多看两遍就懂了)
英文原理图

在MIT的一座室内体育馆,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。


试验的成功,除了离子风推进器的改进设计,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。但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。

是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。

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,所有配件的设计都得到最优化。经过数百次的调整,他们最终得到了“第二版”飞机。

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。

巴雷特下一步的重点是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。

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。”

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年前莱特兄弟那次只持续了12秒的飞行,这次试飞也可能在未来改变甚至彻底颠覆当代的航空。

中国的航空爱好者们,你们怎么看?

S

Comments

Popular posts from this blog

10万人联名抵制中国游客

美国对华政策变脸前因后果