飛機革命?世界首架「離子推進」飛機試飛成功

翼展 5 米，重 2.45 公斤，平均高度僅 0.47 米的情況下能持續飛行 60 米，一架由麻省理工學院團隊打造的十分特別的飛機，近日在學校的體育館內完成了首次飛行。它是人類發明的第一架不配備任何活動部件、採用「離子推進」引擎的飛機。

最令人稱奇的是，它的「離子發動機」是懸掛在機翼下的兩排八列電線/翼型電離器，可以在超高壓電源轉換器製造的4萬伏高壓下，將氮氣和氧氣電離，從而產生了每千瓦5牛頓的推力，與噴氣發動機的輸出功率相當。

在試驗中，研究人員用彈射器將飛機彈射出去，在沒有使用離子發動機的情況下，它可以滑翔10米遠；而打開離子發動機後，飛機可巡航飛行60米遠。飛行試驗一共進行了10次，飛機都能穩定飛行，滯空時間在8至9秒左右。

研究人員認為，整個系統的效率還很低下，僅2.5%左右，遠低於傳統飛機；如果建造更大更快的飛行器，還可以將整體效率提高一倍，而不需要對底層設計做任何更改。

自第一架飛機在 100 多年前飛行以來，天空中的幾乎每架飛機都藉助於螺旋槳、渦輪葉片和風扇等活動部件飛行，這些部件由化石燃料的燃燒或產生的電池組供電，伴隨著它們整個飛行過程的是惱人的噪音和持續的排放。

而這架電動飛機和則完全不同，它沒有螺旋槳、沒有渦輪機，由帶電空氣分子碰撞而成的「離子風」提供了飛行所需的推力。正如飛機的發明者、麻省理工學院航空航天副教授史蒂文·巴雷特說：「這是史上第一架推進系統中沒有任何活動部件的飛機，將為飛機帶來新的可能性，未來的飛機會更安靜，機械設計更簡單，並且不會排放燃燒物。」

圖丨史蒂文·巴雷特（圖源：MIT）

他預計，在短期內，這種離子風推進系統可用於飛行較少的嘈雜無人機。但在更進一步的發展中，巴雷特設想離子推進系統將會和傳統的燃燒系統相配合，以打造更省油的混合客機和其他大型飛機。

麻省理工學院團隊的這項成果發表在 11 月 21 日的Nature上。

飛機的設計。

本項研究表明利用離子風的空氣動力，可以推進飛機穩定水平的飛行。

靈感源於星際迷航

巴雷特透露，團隊的靈感部分來自科幻作品「星際迷航」。在他小的時候，他就非常喜歡這部片子，其中，那些看起來能夠毫不費力地在星際中穿梭的未來主義飛行器更是引起了他極大的興趣。

「這讓我不禁幻想，在遙遠的未來，飛機不應該有螺旋槳和渦輪機，它們應該只有藍色光芒的軌跡，安靜地在星際中飛行」，他說。

（圖源：MIT）

大約在九年前，巴雷特開始著手設計沒有活動部件的飛機推進系統。最終，他選擇了「離子風」（ionicwind），它也被稱為電動力學推力（electroaerodynamic，EAD）。

這種技術最初在 20 世紀 20 年代被提出，簡單來說，它描述了電流在薄電極和厚電極之間通過時可產生風，或者說推力。

而當施加的電壓足夠大時，電極之間的空氣可以產生足夠的推力來推進小型飛機。理論上來說，使用非常高的電壓時，基於 EAD 的推進器會在兩個電極周圍的空氣中產生離子，電極之間產生的電場將離子從較小的電極「甩到」較大的電極上，這些離子在行進時與正常的空氣分子碰撞，產生離子風並向前推動機器。另外，由於離子可以在兩個固定電極之間移動，因此機器不需要活動部件來為其供電。

（圖源：MIT）

這種技術目前已經被 NASA 開發，並用於外太空，部署在一些衛星和太空飛行器上。由於太空的真空環境，這樣的系統電離的是氙氣，而巴雷特的飛機電離的是環境空氣中的氮分子。

那麼，為什麼科學家一直沒有在我們的飛機上使用這種技術呢？要知道，在太空中運用離子推進比在大氣中容易得多。衛星在重力牽引下環繞地球飛行，離子推進器只是用作簡單的航向校正。相比之下，大氣中飛機必須要產生足夠的推力以保持其高空飛行，還要克服恆定的空氣阻力。

早在 20 世紀 60 年代時，研究人員也得出結論，這種技術無法創造維持飛行所需的推力水平。因此，多年來，EAD 主要是業餘愛好者的項目，其應用大部分僅限於小型臺式「升降機」，這些升降機與大型電壓源相連，為小型飛行器在空中短暫懸停創造足夠的風。人們普遍認為，在持續飛行中不可能產生足夠的離子風來推動更大的飛機。

2009 年，當時已是麻省理工學院航空航天學教授的史蒂文·巴雷特開始仔細研究這項技術時，他相信自己看到了其未開發的潛力。「受到飛機和宇宙飛船的相關科幻想法的啟發，我聯想到了物理學可以允許的東西」，他說。

他回憶道，有一次，他因為時差問題在一家酒店度過了一個不眠之夜。「我在思考這個問題，並開始尋找可行的方法。我做了一些背後的計算，發現它可能成為一個可行的推進系統，」巴雷特說，「事實證明，我們多年的努力才實現了這個首次試飛。」

數百次失敗後的成功：比萊特兄弟的第一次飛行更遠

在進行了多次計算機模擬後，巴雷特團隊決定設計一架翼展 5 米，質量為 2.45 千克，大約只相當於一隻雞重量的飛機。

為了產生足夠強的電場，研究人員在飛機的機翼下方安裝了類似百葉窗的電極組，每個電極由帶正電荷的不鏽鋼絲和由鋁覆蓋的帶有大量負電荷的泡沫片構成。該飛機還帶有一個定製的電池組和一個變壓器，變壓器可以將電池的電壓從大約 200 伏升至 40 千伏。高壓充電的電極暴露在飛機外，但它們可以通過遙控器打開或關閉，因此可以避免安全風險。

巴雷特團隊在麻省理工學院的體育館內對飛機進行了飛行測試。該體育館是他們可以找到的最大的可以進行試驗的室內空間。飛機產生的離子推力維持飛機飛行了 60 米（體育館內的最長距離）。實驗人員重複了 10 次飛行，都達到了相似的表現。

巴雷特說，「我們經歷了數次史詩般的撞機事故」。最終，該團隊設計了一個類似彈弓的裝置來幫助飛機起飛。經過數百次失敗的嘗試後，飛機終於能夠用自我推進保持空中飛行。研究人員在本周的Nature報導中說，在 10 多次的試飛中，這架飛機在大約 10 秒內飛行了 60 米，平均海拔高度為半米，比萊特兄弟的第一次飛行更遠。

但是，如果要商業化應用，這種飛機還需要在重量、可靠性、成本方面多加考慮，這些都是至關重要的的因素，還有安全、續航裡程也需要考慮。

「我們顯然還有很長的路要走，而且我們需要改進很多事情才能實現這個目標。我認為沒有什麼能夠讓它從根本上變得不可能」，巴雷特說。比如，推力可以通過改進變壓器系統和電池，變得更加高效；測試不同方式產生離子，或將推進器集成到飛機的框架中可以減少阻力。法國國家研究機構 CNRS 和土魯斯大學的流體力學研究員 Franck Plouraboué 表示，連接在飛機頂部的超輕型太陽能電池板可以為 EAD 飛機提供動力。

加州大學伯克利分校的電氣工程師 Daniel Drew 認為，「這是偉大的一步。」Drew 正在研究EAD 微型機器人，並沒有參與這項研究。

（圖源：MIT）

然而，Drew 警告說，「如果他們想要將飛機尺寸做得更大，就會遇到很多問題。」他說，基本問題是放大會不成比例。隨著飛機尺寸的增加，其重量將比其機翼面積增長得更快。因此，為了保持高空飛行，一架更大的飛機每單位機翼區域必須產生更多的推力，「從物理學的角度來看，這是非常難以實現的」。Drew 認為，未來我們更有可能先看到一系列較小的 EAD 飛機。

牛津熱流體研究所的研究人員 Priyanka Dhopade 說：「雖然距離現有的噴氣式航空發動機還有很長的路要走...... 電動力推進有可能成為短距離、小載荷無人機飛行的改變者。」

值得一提的是，首次試飛成功並沒有承載任何重物，但巴雷特不排除未來人類能搭乘這種飛機的可能性。

一次裡程碑式的開端

目前，團隊開發出來的 EDA 系統的推進力還不足以滿足商用飛機的需求。

但巴雷特認為，它可以與噴氣發動機一起使用。他說，電動力推進系統可以嵌入飛機中，用於重新改變沿飛機行進的空氣，增加新的推進系統可以消除阻力並提高燃油效率。因此，除了優化原型工藝之外，這也是麻省理工學院團隊計劃下一步關注的內容。

巴雷特說，「這是我們可以設計的最簡單的離子推進飛機，它證明了離子推進飛機可以飛行。這離一架可以完成實用任務的飛機還有一段距離。實用飛機需要更高效，飛得更久，而且是室外飛行。」

（圖源：MIT）

法國土魯斯流體力學研究所高級研究員 Franck Plouraboue 表示，這種新設計是展示 EDA 可行性的「重要一步」。他指出，在這之前，EDA 甚至不能實現幾克重的飛機飛行。Plouraboue 沒有參與這項研究，他說，「這個強力的試驗結果直接證明了離子推進飛機的穩定飛行是可實現的。除了在無人機上的應用之外，很難推斷它將來會對飛機推進產生多大影響。儘管如此，這不是研究的弱點，而是未來進展的開端，這一領域終將爆發。」

團隊也相信，就像 100 多年前萊特兄弟的早期實驗一樣，這樣一個小小的開端最終會改變航空的面貌。

「我們只用了幾年時間開發這項技術，」巴雷特說，「常規推進已經發展了 100 年，但我認為我們可以實現新的目標。」

目前，巴雷特的團隊正致力於提高該飛機的效率，希望以更低的電壓產生更大的離子推力。研究人員還希望提高推力密度——單位面積產生的推力。另外，這款輕型飛機需要大面積的電極，這基本上構成了飛機的「推進系統」。理想情況下，巴雷特希望設計一種沒有可見推進系統，以及沒有單獨控制單元的飛機。

（圖源：MIT）

1903 年，萊特兄弟發明的著名飛機「飛行者一號」第一次飛行成功時，引起了轟動。當時，飛行者一號使用的是原始的汽油發動機，通過傳動鏈使雙螺旋槳旋轉提供動力。

將近 115 年後的今天，我們終於看到了另一種飛機的雛形，它在飛行時像幽靈一樣安靜，而且沒有任何活動部件。未來的飛行究竟會如何演進，我們大可放飛想像。

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