星際迷航的序曲:「離子風」無人機究竟帶來了什麼?

2021-01-13 環球網

在入門級科幻《三體》中,曾描繪過這樣一個場景:人們生活在一千多米深的地下,城市建築物在樹狀枝幹上錯落排開,出行方式則是通過一個傘狀的背包式裝置,憑藉兩個同軸螺旋槳的無聲轉動懸浮在空中。

無數的「竹蜻蜓」在城市中穿行,滿滿的科幻感讓剛從185年的冬眠中甦醒的「土包子」主人公淚流滿面。。。

面對這樣淳樸的主人公,真的很想像馬景濤一樣抓著他的肩膀使勁兒搖:8012了,放棄螺旋槳和渦輪吧,離子風無人機了解一下嗎?

我說的正是前不久麻省理工學院剛剛研發成功的、全球首架以增壓空氣提供動力的飛機。

這項技術的神奇之處在於,它不是依靠引擎、螺旋槳等傳統推進裝置產生飛行動力,而是通過「離子風」(ionic wind)為飛機提供升力,妥妥的《星際迷航》既視感好嗎?

「離子風」無人機是如何工作的?

「離子風」,簡單來說就是讓空氣在流動時帶有被電離了的分子,這其實是一個早就被應用廣泛的技術。

比如離子吹風機、離子風淨化器、離子風散熱等等,但是,用離子風取代燃料來直接驅動飛機,還真是「歷史性」事件。

麻省理工學院的研究人員,將輕型電線組成的平行電極放置在飛機前方。機翼後緣裝有較厚的電線作為負極,機身裝載一組鋰聚合物電池。

在飛行時,該電極可以產生高達正電極20,000伏特的電壓,用來增壓飛機周邊的空氣,並從空氣分子中剝離帶負電荷的離子。

當離子由正電荷向飛機後方的20,000伏特負電荷移動時,離子與其他空氣分子發生數百萬次的碰撞,從而產生「離子風」(ionic wind)來驅動飛機。

此前,「離子風」只能讓小物體在空中短暫懸浮,但麻省理工這架「離子風」無人機則重達2.45公斤,翼展長5米,能夠以每秒4.8米速度飛行55米。

換句話說,以前的「離子風」只能小打小鬧,而新技術可以用更強勁的離子流讓輕型無人機擺脫地心引力,持續穩定飛行。

技術搭臺,產業唱戲:「離子風」吹散的和重建的

翻開外網,對於這一新技術都是鋪天蓋地地誇,很多科學家紛紛送出拇指鮮花,各大航空公司也都高度重視。那麼,「離子風」無人機的成功研製,究竟有哪些意義呢?

論文的通訊作者、麻省理工學院航空航天學院副教授史蒂文巴雷特認為,這為開發出更安靜、機械結構更簡單且沒有燃燒排放的飛機提供了可能性,最終將改變航空業的面貌。

所以到底是改變了什麼面貌啊摔?!別急,到了這裡必須給大家整得明明白白的。

簡單來說,「離子風」無人機會帶來兩方面的重大改變:

一是去燃油化。

燃油成本一直是航空公司最大的成本項,航空燃油價格的持續飆升,成本最終還是以燃油附加費等形式攤銷在乘客身上。

而離子風推進技術如果與傳統推進系統相結合,就可以製造出高燃油效率的混合型客機。

也就是說,離子風技術的應用,不僅讓航司對燃油的依賴大大降低,票價也會隨之下降,而且可以大幅度減少燃油飛機的碳排放,飛行全程也安靜如雞沒有一絲噪音,帶來商業與環境的雙重利好。

二是造新門檻。

眾所周知,作為飛機的心臟,動力引擎直接影響著飛機的性能、可靠性及經濟性,技術門檻很高,因此也長期處於技術壟斷狀態。

目前,只有美國、俄羅斯、英國、法國等少數幾個國家能夠獨立研製高性能航空發動機。

在技術孤立思潮的大環境下,離子風這樣的新技術顯然能打破壟斷的僵局,為嚴絲合縫的航空產業撬開新的可能性。

新晉國家對離子風技術的重視和押注,就有機會在核心領域彎道超車,更重要的是將安全性和話語權掌握在了自己手中。

離子風與中國的故事

既然「離子風」技術如此重要,那中國有什麼相關儲備嗎?

其實早在2012年,中國首臺離子發動機就已經在被裝載在「實踐九號」衛星上進行在軌飛行試驗了。

不過航空與地面的離子風應用區別是,在太空無重力環境下,離子推進器不需要給很大的推力,就可以讓飛船的速度持續增加。而在地球上,「離子風」在短時間內還不能滿足小型客機的飛行推力。

當然,現在討論離子風飛機、飛船之類的話題,都太過遙遠了。麻省理工設計的離子風推進系統的總體輸出效率僅為2.5%,遠低於常規飛機。

不過與載人飛行器相比,固定式推進系統更易於小型化,也是更適合「離子風」技術的場景。

比如取代旋翼來驅動小型無人機,甚至是非常小的飛行器,加上靜音、蓄能之類的優勢,背後隱藏著很多我們無法想像的用途。

隨手舉幾個例子,離子風無人機可以安靜飛行,也沒有螺旋翼等危險係數高的裝置,可能會讓城市無人機解禁;又或者是藉助其無限期懸停在高空的優勢,進行城市環境監測和輔助無人駕駛。

不過,想從實驗室走到市場,中間還要經歷九九八十一劫,每一步都不能出錯。在這方面,中國最直觀的優勢是,技術的底層位面與智能物聯網產業端都已經做好了準備,並充滿了飢餓感。

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