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世界首架“离子推进”飞机试飞成功!电压40千伏飞了60米,麻省理工学院重新发明飞机

北极蚊子 2018-11-23 17:33

翼展 5 米重 2.45 公斤平均高度仅 0.47 米的情况下能持续飞行 60 米一架由麻省理工学院团队打造的十分特别的飞机,近日在学校的体育馆内完成了首次飞行

这些数据似乎并没有什么特殊的地方,但这架飞机本身却是一个十足的“异类”:它却是人类发明的第一架不配备任何活动部件采用离子推进引擎的飞机

自第一架飞机在 100 多年前飞行以来,天空中的几乎每架飞机都借助于螺旋桨、涡轮叶片和风扇等活动部件飞行,这些部件由化石燃料的燃烧或产生的电池组供电,伴随着它们整个飞行过程的是恼人的噪音和持续的排放

而这架电动飞机和则完全不同,它没有螺旋桨、没有涡轮机,由带电空气分子碰撞而成的“离子风”提供了飞行所需的推力。正如飞机的发明者、麻省理工学院航空航天副教授史蒂文·巴雷特说:“这是史上第一架推进系统中没有任何活动部件的飞机,将为飞机带来新的可能性,未来的飞机会更安静,机械设计更简单,并且不会排放燃烧物。”

图丨史蒂文·巴雷特(图源:MIT)

他预计,在短期内,这种离子风推进系统可用于飞行较少的嘈杂无人机。但在更进一步的发展中,巴雷特设想离子推进系统将会和传统的燃烧系统相配合,以打造更省油的混合客机和其他大型飞机。

麻省理工学院团队的这项成果发表在 11 月 21 日的 Nature 上。

灵感源于星际迷航

巴雷特透露,团队的灵感部分来自科幻作品“星际迷航”。在他小的时候,他就非常喜欢这部片子,其中,那些看起来能够毫不费力地在星际中穿梭的未来主义飞行器更是引起了他极大的兴趣。

“这让我不禁幻想,在遥远的未来,机不应该有螺旋桨和涡轮机,它们应该只有蓝色光芒的轨迹,安静地在星际中飞行”,他说。

(图源:MIT)

大约在九年前,巴雷特开始着手设计没有活动部件的飞机推进系统。最终,他选择了“离子风”(ionicwind),它也被称为电动力学推力(electroaerodynamic,EAD)。

这种技术最初在 20 世纪 20 年代被提出,简单来说,它描述了电流在薄电极和厚电极之间通过时可产生风,或者说推力。

而当施加的电压足够大时,电极之间的空气可以产生足够的推力来推进小型飞机。理论上来说,使用非常高的电压时,基于 EAD 的推进器会在两个电极周围的空气中产生离子,电极之间产生的电场将离子从较小的电极“甩到”较大的电极上,这些离子在行进时与正常的空气分子碰撞,产生离子风并向前推动机器。另外,由于离子可以在两个固定电极之间移动,因此机器不需要活动部件来为其供电。

(图源:MIT)

这种技术目前已经被 NASA 开发,并用于外太空,部署在一些卫星和航天器上。由于太空的真空环境,这样的系统电离的是氙气,而巴雷特的飞机电离的是环境空气中的氮分子。

那么,为什么科学家一直没有在我们的飞机上使用这种技术呢?要知道,在太空中运用离子推进比在大气中容易得多。卫星在重力牵引下环绕地球飞行,离子推进器只是用作简单的航向校正。相比之下,大气中飞机必须要产生足够的推力以保持其高空飞行,还要克服恒定的空气阻力

早在 20 世纪 60 年代时,研究人员也得出结论,这种技术无法创造维持飞行所需的推力水平。因此,多年来,EAD 主要是业余爱好者的项目,其应用大部分仅限于小型台式“升降机”,这些升降机与大型电压源相连,为小型飞行器在空中短暂悬停创造足够的风。人们普遍认为,在持续飞行中不可能产生足够的离子风来推动更大的飞机。

2009 年,当时已是麻省理工学院航空航天学教授的史蒂文·巴雷特开始仔细研究这项技术时,他相信自己看到了其未开发的潜力。“受到飞机和宇宙飞船的相关科幻想法的启发,我联想到了物理学可以允许的东西”,他说。

他回忆道,有一次,他因为时差问题在一家酒店度过了一个不眠之夜。“我在思考这个问题,并开始寻找可行的方法。我做了一些背后的计算,发现它可能成为一个可行的推进系统,”巴雷特说,“事实证明,我们多年的努力才实现了这个首次试飞。”

数百次失败后的成功:比莱特兄弟的第一次飞行更远

在进行了多次计算机模拟后,巴雷特团队决定设计一架翼展 5 米,质量为 2.45 千克,大约只相当于一只鸡重量的飞机

为了产生足够强的电场,研究人员在飞机的机翼下方安装了类似百叶窗的电极组,每个电极由带正电荷的不锈钢丝和由铝覆盖的带有大量负电荷的泡沫片构成。该飞机还带有一个定制的电池组和一个变压器,变压器可以将电池的电压从大约 200 伏升至 40 千伏。高压充电的电极暴露在飞机外,但它们可以通过遥控器打开或关闭,因此可以避免安全风险。

巴雷特团队在麻省理工学院的体育馆内对飞机进行了飞行测试。该体育馆是他们可以找到的最大的可以进行试验的室内空间。飞机产生的离子推力维持飞机飞行了 60 米(体育馆内的最长距离)。实验人员重复了 10 次飞行,都达到了相似的表现。

巴雷特说,“我们经历了数次史诗般的撞机事故”。最终,该团队设计了一个类似弹弓的装置来帮助飞机起飞。经过数百次失败的尝试后,飞机终于能够用自我推进保持空中飞行。研究人员在本周的 Nature 报道中说,在 10 多次的试飞中,这架飞机在大约 10 秒内飞行了 60 米,平均海拔高度为半米,比莱特兄弟的第一次飞行更远

但是,如果要商业化应用,这种飞机还需要在重量、可靠性、成本方面多加考虑,这些都是至关重要的的因素,还有安全、续航里程也需要考虑。

“我们显然还有很长的路要走,而且我们需要改进很多事情才能实现这个目标。我认为没有什么能够让它从根本上变得不可能”,巴雷特说。比如,推力可以通过改进变压器系统和电池,变得更加高效;测试不同方式产生离子,或将推进器集成到飞机的框架中可以减少阻力。法国国家研究机构 CNRS 和图卢兹大学的流体力学研究员 Franck Plouraboué 表示,连接在飞机顶部的超轻型太阳能电池板可以为 EAD 飞机提供动力。

加州大学伯克利分校的电气工程师 Daniel Drew 认为,“这是伟大的一步。”Drew 正在研究EAD 微型机器人,并没有参与这项研究。

(图源:MIT)

然而,Drew 警告说,“如果他们想要将飞机尺寸做得更大就会遇到很多问题。”他说,基本问题是放大会不成比例。随着飞机尺寸的增加,其重量将比其机翼面积增长得更快。因此,为了保持高空飞行,一架更大的飞机每单位机翼区域必须产生更多的推力,“从物理学的角度来看,这是非常难以实现的”。Drew 认为,未来我们更有可能先看到一系列较小的 EAD 飞机。

牛津热流体研究所的研究人员 Priyanka Dhopade 说:“虽然距离现有的喷气式航空发动机还有很长的路要走...... 电动力推进有可能成为短距离、小载荷无人机飞行的改变者。”

值得一提的是,首次试飞成功并没有承载任何重物,但巴雷特不排除未来人类能搭乘这种飞机的可能性。

一次里程碑式的开端

目前,团队开发出来的 EDA 系统的推进力还不足以满足商用飞机的需求。

但巴雷特认为,它可以与喷气发动机一起使用。他说,电动力推进系统可以嵌入飞机中,用于重新改变沿飞机行进的空气,增加新的推进系统可以消除阻力并提高燃油效率。因此,除了优化原型工艺之外,这也是麻省理工学院团队计划下一步关注的内容。

巴雷特说,“这是我们可以设计的最简单的离子推进飞机,它证明了离子推进飞机可以飞行。这离一架可以完成实用任务的飞机还有一段距离。实用飞机需要更高效,飞得更久,而且是室外飞行。”

(图源:MIT)

法国图卢兹流体力学研究所高级研究员 Franck Plouraboue 表示,这种新设计是展示 EDA 可行性的“重要一步”。他指出,在这之前,EDA 甚至不能实现几克重的飞机飞行。Plouraboue 没有参与这项研究,他说,“这个强力的试验结果直接证明了离子推进飞机的稳定飞行是可实现的。除了在无人机上的应用之外,很难推断它将来会对飞机推进产生多大影响。尽管如此,这不是研究的弱点,而是未来进展的开端,这一领域终将爆发。”

团队也相信,就像 100 多年前莱特兄弟的早期实验一样,这样一个小小的开端最终会改变航空的面貌。

“我们只用了几年时间开发这项技术,”巴雷特说,“常规推进已经发展了 100 年,但我认为我们可以实现新的目标。”

目前,巴雷特的团队正致力于提高该飞机的效率,希望以更低的电压产生更大的离子推力。研究人员还希望提高推力密度——单位面积产生的推力。另外,这款轻型飞机需要大面积的电极,这基本上构成了飞机的“推进系统”。理想情况下,巴雷特希望设计一种没有可见推进系统,以及没有单独控制单元的飞机。

(图源:MIT)

1903 年,莱特兄弟发明的著名飞机“飞行者一号”第一次飞行成功时,引起了轰动。当时,飞行者一号使用的是原始的汽油发动机,通过传动链使双螺旋桨旋转提供动力。

将近 115 年后的今天,我们终于看到了另一种飞机的雏形,它在飞行时像幽灵一样安静,而且没有任何活动部件。未来的飞行究竟会如何演进,我们大可放飞想象。

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