顛覆發動機?麻省理工發明新飛機:無需燃料
2021-02-13 財經書友匯
來源 ： 量子位（ID: QbitAI）
作者 ： 曉查
MIT重新發明了飛機——無需燃料，沒有風扇，機艙更加安靜，並且不會排放燃燒物，這項實驗成果登上了《自然》雜誌的封面。
這架飛機翼展5米，總重量僅2.5公斤，甚至連一個行李箱的重量都不到，飛行高度也只有1米左右，但它卻是人類歷史上第一架由離子引擎推動的飛機。
普通飛機的發動機看起來就像是一個大號的吹風機，旋轉的風扇不斷把空氣吹向後方，為機翼提供升力。離子發動機也是靠吹風，不過它沒有「風扇」，而是靠電場造出的「離子風」。這是一臺純固態發動機飛機：沒有旋轉部件，全靠「離子引擎」驅動。
麻省理工學院航空航天副教授Steven Barrett說：「這是有史以來第一個推進系統沒有活動部件的飛機。」這種飛機更安靜，機械構造更簡單，並且不會排放燃燒物。
當然，出於離子引擎推力和效率過低的緣故，距離它的實用化還有一段路程，但或許正如115年前的萊特兄弟，這次飛行可能將顛覆未來的航空業。以下，Enjoy：
這不是科幻小說，離子引擎飛機真的被造出來了！
「曲率引擎」、「離子引擎」等等激動人心的科幻名詞，正在走進現實。
最近MIT又重新發明了飛機，實驗成果登上了《自然》雜誌封面。
這架飛機翼展5米，總重量僅2.5公斤，甚至連一個行李箱的重量都不到，飛行高度也只有1米左右。但它卻是人類歷史上第一架由離子引擎推動的飛機。
麻省理工學院航空航天副教授Steven Barrett說：「這是有史以來第一個推進系統沒有活動部件的飛機。」
「這種飛機更安靜，機械構造更簡單，並且不會排放燃燒物。」
這架飛機究竟有何過人之處？它是一臺純固態發動機飛機：沒有旋轉部件，全靠一個叫「離子引擎」的東西驅動。
離子引擎和渦輪風扇發動機有何不同？
普通飛機的發動機看起來就像是一個大號的吹風機，旋轉的風扇不斷把空氣吹向後方，為機翼提供升力。
離子發動機也是靠吹風，不過它沒有「風扇」，而是靠電場造出的「離子風」。
這種現象在生活中很常見，我們插電時冒出的電火花就是空氣被電離造成的。
電壓越高，離子被加速得越快。 Barrett教授的團隊使用了54節3.7伏鋰聚合物電池，大約能提供200伏特的電壓。但這點電壓對於離子引擎來說還是太低了。
為此，他們設計了一種能夠將電池輸出轉換為高壓電來推動飛機的電源。 通過這種方式，電池最終將輸出4萬伏的高壓。
把200伏直流電變成4萬伏高壓電，需要幾步？
逆變器：把直流電轉換成500~700千赫茲的交流電；
變壓器：把低壓交流電轉化為高壓交流電，實驗中使用的是1:15倍升壓，將電壓升至7千伏；
電壓倍增器：把交流電轉變成更高電壓的直流電，從7千伏交流電變成4萬伏直流電。
經過這三步產生的電壓可以放出巨大的電火花，你甚至可以用它治療網癮（大誤）。
也許你會問，為什麼要把直流變成交流，然後再轉換成直流呢？這是一個很有趣問題，100年前的特斯拉和愛迪生也為這件事爭執過，後來特斯拉贏了。
有了4萬伏高壓，我們就可以用它來電離空氣了。
一旦給導線通上電，強大的電場就會讓正極吸引周圍的氮氣分子，把電子從氮氣分子上剝離出來，就像巨大的磁鐵吸引鐵屑一樣。本來中性的氮氣分子在失去電子後，變成了帶正電的離子。
△ 一個分子撞擊多個分子，dai'odaida導致雪崩式電離
被電離的氮氣氣分子又被吸引到帶負電的電極，在趕去負極的路上，氮離子又會撞上其他氮氣分子，把它們變成正離子，就好像「雪崩」一樣。
正離子在高電壓作用下飛向飛機尾部，形成一種離子組成的「風」。
在這個過程中，每個離子與其他空氣分子碰撞數百萬次，產生推動飛機前進的推力。
在MIT的一座室內體育館，Barrett教授的團隊開展了他的實驗。
飛機以大約5米/秒速度平穩飛行了60米，直至撞上牆壁。研究者共進行了10次測試，飛機在每次測試中都有穩定的表現。期間沒有動力耗盡的跡象，也沒有噪音。
發動機提供了3.2牛頓的力，大約相當於提起6個雞蛋的重量。
經過推算，離子引擎大約讓飛機上升了0.47米。
感覺就像是萊特兄弟第一次成功試飛的實驗。
但這項技術不該被嘲笑，就像當初萊特兄弟的實驗一樣。
「想像一下，10年或20年後，無人機將無處不在，這意味著我們耳邊將全是無人機的噪音。而我們，能讓它們變安靜。」Barrett教授說。
在這樣的飛機上，你不再需要降噪耳機。
現在每天在空中飛行的客機都會排放大量溫室氣體。一般的國內航班一次飛行需要添加數噸燃油，最終這些燃油將變成二氧化碳被排放到空氣中。
而離子引擎不需要燃料，不會排放汙染物，是一種清潔能源。簡直可以說是「飛機中的特斯拉」。
此外，離子引擎的「比衝」極高。比衝就是發動機的效率，可以理解為單位重量「燃料」讓飛船獲得的速度。
燃料從發動機尾部噴出的速度越快，比衝越大，飛機消耗的燃料就越少。
離子雖然沒有燃燒，但是在強大電場的作用下，「燃料」卻會以每秒1萬米的速度噴出。
在《火星救援》中，馬特·達蒙一幫太空人乘坐的飛船就使用了離子引擎，一開始引擎的力量很小，但是在無空氣阻力的太空中，經過常年累月的加速，飛船將達到非常驚人的速度。而且它的效率是普通火箭發動機效率的10倍以上！
這項技術如此強大，甚至早在上世紀20年代前就被研究過，為何遲遲無法商用化？
主要有以下幾點原因：
離子引擎的推力太低，之前提到過它只能帶起2.5kg的飛機，甚至還不到一個乘客免費託運行李的重量。因此NASA只能首先把它用在微重力、無空氣阻力的太空。
「充電2小時，飛行1分鐘」。這臺飛機引擎的輸入功率是600瓦，54節鋰電池大約只能供電90秒。
效率太低。輸入功率600瓦，輸出功率只有15瓦。MIT這架飛機最終實測效率僅2.5%左右，如果不解決效率問題，將難以實用化。
Barrett教授並不幻想「離子引擎」飛機很快就能用上。
他預計，在短期內，這種離子風推進系統可用於飛行時間較短的無人機，避免惱人的螺旋槳噪聲問題。
他還設想，離子引擎可以和燃油發動機配合，以創造更省油的混合動力客機和其他大型飛機。
或許正如115年前的萊特兄弟，這次飛行可能將顛覆未來的航空業。
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