麻省理工學院首架離子驅動飛機研制成功

首架離子驅動飛機研制成功

飛行60米 沒有任何運轉部件

MIT設計的飛機是電空氣動力推進的一個里程碑。圖片來源：MIT

【匠領導讀】1903年，萊特兄弟那架著名的“萊特飛行者”首次試飛時，其粗糙的汽油發動機通過傳動鏈旋轉著兩個螺旋槳，肯定制造了巨大的噪音。115年后，另一種全新的飛機在沒有任何運轉部件的情況下，像幽靈一樣安靜地飛上了天空。如果研究人員能夠克服按比例放大這項技術所面臨的艱巨挑戰，這種沒有螺旋槳或渦輪葉片，無需化石能源或太陽能驅動的新型飛機可能會成為一架安靜的無人機，甚至還會變為一架更簡單的飛機。

與螺旋槳或噴氣發動機不同，這架單人皮劃艇大小的飛機利用電空氣動力學（EAD）推動自身在空中前進。這種推進方式利用電的作用力將空氣向后送，同時給飛機一個相等的向前推力。

美國劍橋市麻省理工學院（MIT）航空工程師Steven Barrett說，航空工程師長期以來一直認為飛機可以由EAD提供動力，但從來沒有人建造過能夠舉起自身重量的EAD飛機。Barrett說，當自己和同事終于成功時，他們肅然起敬地站立著。“它花了大約7年的時間才順利升空。”

在EAD推進系統中，一個強大的電場會產生一種叫做離子風的快速移動帶電粒子風，這些帶電粒子會撞擊中性空氣分子，把中性空氣分子推到飛機后面，從而給飛機一個推力。這項技術又稱離子驅動、離子風或離子推進，已經被美國宇航局開發用于外層空間，現在已經部署在一些衛星和航天器上。由于太空是真空的，這些系統會攜帶像氙這樣的液體來電離，而Barrett的飛行器則被設計用來電離周圍空氣中的氮分子。

然而，在太空中部署離子驅動器要比在大氣中容易得多。例如，重力引導衛星環繞地球運轉，而離子驅動可進行小的路線修正。但在大氣中，飛機必須產生足夠的推力來保持自身的高度，同時還需克服空氣帶來的持續阻力。

在進行了多次計算機模擬之后，Barrett的團隊決定設計一架翼展5米、質量為2.45公斤（大約有一只雞那么重）的飛機。為了產生所需的電場，幾組類似百葉窗的電極在飛機機翼下運行，每組電極都由一根帶正電荷的不銹鋼絲組成，這根絲位于一片帶負電荷的鋁制泡沫片前面幾厘米處。這架飛機還攜帶了一個定制電池組和一個轉換器，可以將電池的電壓從200伏特提高到40千伏。雖然高電荷的電極被暴露在飛機的框架上，但它們可以通過遙控裝置加以開關，從而避免了安全風險。

研究團隊在MIT的一個體育館對這架飛機進行了測試，為了避免撞上運動員，他們選擇在業余時間工作。Barrett說：“曾發生了一些非常嚴重的事故。”最終，研究小組設計了一種類似彈弓的裝置幫助發射飛機。

經過數百次失敗的嘗試，這架飛機終于能夠推動自己飛起來了。研究人員在11月22日出版的《自然》雜志上報道稱，經過10多次試飛，這架飛機在大約10秒鐘內飛行了60米——比萊特兄弟第一次飛行的距離要更遠一些，且平均高度為半米。

“這是偉大的第一步。”并未參與該項工作且從事EAD微型機器人研究的加利福尼亞大學伯克利分校電氣工程師Daniel Drew表示。不過他警告說：“如果他們試圖讓飛機的尺寸變得更大，就會遇到很多問題。”Drew認為，最基本的問題在于縮放比例。隨著飛機體積的增大，其重量的增長速度將超過機翼面積的增長速度。他解釋說，為了保持在空中停留，一架更大的飛機每單位機翼面積必須產生更多的推力，而這“從物理學的角度而言是極其困難的”。

Barrett還沒有作好該飛機有朝一日運送人類的準備。“顯然，我們還有很長的路要走，還有很多事情需要改進。”他說，“但我不認為有什么事情是根本不可能做到的。”Barrett表示，可以通過提高動力轉換器系統和電池的效率、測試產生離子的不同策略，以及將推進器集成到飛機的框架中以減少阻力來改善推力。

法國國家研究機構CNRS和圖盧茲大學流體力學研究員Franck Plouraboue表示，為EAD飛機提供動力的一種途徑可能是附著在飛機頂部的超輕型太陽能電池板。

Drew認為人們更有可能在未來看到一群小型的EAD飛機。Barrett認為EAD飛機最大的優點是噪音小。他指出，該推進系統可以在短期內用于低噪音無人機，未來有望與傳統燃燒系統共用，制造出更節能的混動客機及其他大型飛行器。“如果我們想在城市各處使用無人機運送物品和監測空氣質量，那么嗡嗡聲和噪音污染就會變得相當煩人。”（趙熙熙 唐鳳）

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-018-0707-9

《中國科學報》 (2018-11-26 第2版 國際)