未來十年無人機發展方向:無聲離子推進器式無人機

2021-02-15 無人機網

  在麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)的一條室內跑道上，航天工程師史蒂芬•巴雷特(Steven Barrett)用一塊薄薄的白色面紗將他的臨時實驗室與慢跑者隔開。巴雷特最近試飛了第一架使用離子風推進器(ionic wind thruster)的飛機，這種電子引擎產生並發射充電粒子。

  根據巴雷特的說法，利用這一原理駕駛飛機一直是一個「很遙遠的想法」，更多是在科幻小說中才會出現的東西。但他還是想試一試，「在《星際迷航》(Star Trek)中，你會看到太空梭靜靜地滑過，」他說，「我想，『我們也應該有那樣的飛機才對。』」

  他認為使用離子風推進可能會使這個想法成為現實，於是乎他花了8年時間來研究這項技術，然後決定嘗試製造一架微型飛機原型——雖然他認為這架飛機原型有點醜。他說，「這是一種骯髒的黃色，」並補充道，黑色塗料通常含有碳元素，而碳元素可以導電，這已經使得先前的一個版本燒壞了它自己。巴雷特對最新的原型機期望稍高一些，他冷靜地將其命名為版本2。他說：「在我們開始試飛之前，我認為成功的可能性是50%。我在麻省理工學院的同事認為它成功的可能性只有1%。」


來源：麻省理工學院

  之前的版本最終都會撞毀在地面，但版本2不同，它在空中飛行了近200英尺，飛行速度約為每小時11英裡(每小時17公裡)。沒有可見的排氣，沒有轟鳴的噴氣機，也沒有旋轉的螺旋槳，事實上，整個飛行器上根本沒有在移動的部件，整架飛機似乎被一種虛無縹緲的動力無聲地驅動著。「這非常令人興奮，」巴雷特說，「然後它撞上了牆，這就不是很理想了。」

  儘管如此，版本2還是成功了，巴雷特和他的同事們在周三的《自然》雜誌上發表了他們的研究結果。喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)的航天工程師米切爾·沃克(Mitchell Walker)沒有參與這項研究，但他說，其他人也曾嘗試過這一壯舉，不過都失敗了。「巴雷特展示了一些非常獨特的東西，」他說。離子推進器並不是一項特別新穎的技術;它們已經非常有效地推動了太空飛行器，並通常推動太空飛行器進入軌道，離子推進器還將「黎明號」等深空探測器送到了小行星帶執行任務，但在火箭或噴氣機應用上還有很遠距離。在近乎真空的太空中，離子推進器必須攜帶一種氣體，這些氣體被電離並發射到相對空曠的太空中才能產生推力。然而，在穿越地球厚厚的大氣層時，「每個人都看到(離子推進器的)速度不足以推動飛機，」沃克說，「沒有人知道應該怎樣繼續這項研究。」

  但是巴雷特和他的團隊想出了使版本2起作用的三個主要因素。第一個是離子風推力器的設計。版本2的推進器由兩排長長的金屬線組成，懸掛在其天藍色的機翼下。前排傳導的電壓約為40000伏特，是普通家庭電壓的166倍，這些能量足夠將空氣中大量氮原子的電子剝離下來。

  而當這種情況發生時，氮原子將會變成帶正電的離子，由於金屬細絲的後一排帶有負電荷，離子就回像磁化的撞球一樣向它傾斜。「在這個過程中，這些離子和中性空氣分子之間發生了數百萬次碰撞，」巴雷特說。這就把空氣分子推向了飛機的後部，形成一股風，推動飛機以足夠快和足夠大的力度向前飛行。沃克指出，巴雷特團隊的另一項創新是設計了一種重量輕但功能強大的電子系統。他說，在這架飛機問世之前，還沒有人能創造出這樣的一種系統，這種系統能夠有效地轉換輕量電池中的電力去為推進器產生足夠的電壓。「而最大的挑戰是離子推進器需要2萬或3萬伏特才能工作，而在飛機上的產生高壓並不容易，」他說，「你想在飛機上產生40000伏特?當時還沒有出現這種技術。然而史蒂夫·巴雷特(Steve Barrett)找到了一種聰明的方法來實現這種高效的轉換。」

  最後，巴雷特利用計算機模型充分利用了飛機上的每一個設計元素，從推進器和電氣系統設計到貫穿飛機的電線。巴雷特說：「功率轉換器、電池、機蓋和機身——一切都經過了優化。模擬總是失敗，所以我們不得不做出數百次改變。最終，他們獲得了試驗成功的版本2。」

  密西根大學(University of Michigan)航天工程師亞歷克•加裡莫爾(Alec Gallimore)並沒有參加這項研究，但是他表示，這一突破有力地證明了離子推進器同樣可以在地球上使用。但任何此類用途都可能是有限的，螺旋槳和噴氣機仍然比巴雷特演示的離子風推進器要高效得多，這使得客機不太可能在短時間內轉換使用離子推進器。但推進器有一個關鍵優勢：「它沒有聲音，所以用於建築檢查之類的(無人機)」將是這些推進器的理想應用，加裡莫爾指出。

  巴雷特補充說，或者這項技術也可以用於運輸、拍攝或環境監測的無人機。他說：「想像一下，10年或20年後，無人機將無處不在。如果這些無處不在的無人機都會產生很多噪音的話，它們會降低我們的生活質量，但這個是無聲的。」

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