人類歷史上第一架由離子引擎推動(dòng)的飛機(jī),這架飛機(jī)究竟有何過人之處？

這不是科幻小說，離子引擎飛機(jī)真的被造出來了！

“曲率引擎”、“離子引擎”等等激動(dòng)人心的科幻名詞，正在走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

最近MIT又重新發(fā)明了飛機(jī)，實(shí)驗(yàn)成果登上了《自然》雜志封面。

這架飛機(jī)翼展5米，總重量僅2.5公斤，甚至連一個(gè)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(dòng)的飛機(jī)。

麻省理工學(xué)院航空航天副教授Steven Barrett說：“這是有史以來第一個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)沒有活動(dòng)部件的飛機(jī)?！?/p>

“這種飛機(jī)更安靜，機(jī)械構(gòu)造更簡單，并且不會(huì)排放燃燒物?！?/p>

這架飛機(jī)究竟有何過人之處？它是一臺(tái)純固態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)：沒有旋轉(zhuǎn)部件，全靠一個(gè)叫“離子引擎”的東西驅(qū)動(dòng)。

沒有風(fēng)扇，全靠電池

離子引擎和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)有何不同？

普通飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)看起來就像是一個(gè)大號(hào)的吹風(fēng)機(jī)，旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇不斷把空氣吹向后方，為機(jī)翼提供升力。

離子發(fā)動(dòng)機(jī)也是靠吹風(fēng)，不過它沒有“風(fēng)扇”，而是靠電場造出的“離子風(fēng)”。

這種現(xiàn)象在生活中很常見，我們插電時(shí)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(tuán)隊(duì)使用了54節(jié)3.7伏鋰聚合物電池，大約能提供200伏特的電壓。但這點(diǎn)電壓對(duì)于離子引擎來說還是太低了。

為此，他們設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)㈦姵剌敵鲛D(zhuǎn)換為高壓電來推動(dòng)飛機(jī)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(zhuǎn)換成500~700千赫茲的交流電；

變壓器：把低壓交流電轉(zhuǎn)化為高壓交流電，實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)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(jīng)過這三步產(chǎn)生的電壓可以放出巨大的電火花，你甚至可以用它治療網(wǎng)癮（大誤）。

也許你會(huì)問，為什么要把直流變成交流，然后再轉(zhuǎn)換成直流呢？這是一個(gè)很有趣問題，100年前的特斯拉和愛迪生也為這件事爭執(zhí)過，后來特斯拉贏了。

有了4萬伏高壓，我們就可以用它來電離空氣了。

一旦給導(dǎo)線通上電，強(qiáng)大的電場就會(huì)讓正極吸引周圍的氮?dú)夥肿?，?a target="_blank">電子從氮?dú)夥肿由蟿冸x出來，就像巨大的磁鐵吸引鐵屑一樣。本來中性的氮?dú)夥肿釉谑ル娮雍?，變成了帶正電的離子。

△一個(gè)分子撞擊多個(gè)分子，dai'odaida導(dǎo)致雪崩式電離

被電離的氮?dú)鈿夥肿佑直晃綆ж?fù)電的電極，在趕去負(fù)極的路上，氮離子又會(huì)撞上其他氮?dú)夥肿?，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(jī)尾部，形成一種離子組成的“風(fēng)”。

在這個(gè)過程中，每個(gè)離子與其他空氣分子碰撞數(shù)百萬次，產(chǎn)生推動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)的推力。

現(xiàn)代版萊特兄弟

在MIT的一座室內(nèi)體育館，Barrett教授的團(tuán)隊(duì)開展了他的實(shí)驗(yàn)。

飛機(jī)以大約5米/秒速度平穩(wěn)飛行了60米，直至撞上墻壁。研究者共進(jìn)行了10次測試，飛機(jī)在每次測試中都有穩(wěn)定的表現(xiàn)。期間沒有動(dòng)力耗盡的跡象，也沒有噪音。

發(fā)動(dòng)機(jī)提供了3.2牛頓的力，大約相當(dāng)于提起6個(gè)雞蛋的重量。

經(jīng)過推算，離子引擎大約讓飛機(jī)上升了0.47米。

感覺就像是萊特兄弟第一次成功試飛的實(shí)驗(yàn)。

但這項(xiàng)技術(shù)不該被嘲笑，就像當(dāng)初萊特兄弟的實(shí)驗(yàn)一樣。

高效無污染的離子引擎

“想象一下，10年或20年后，無人機(jī)將無處不在，這意味著我們耳邊將全是無人機(jī)的噪音。而我們，能讓它們變安靜?！盉arrett教授說。

在這樣的飛機(jī)上，你不再需要降噪耳機(jī)。

現(xiàn)在每天在空中飛行的客機(jī)都會(huì)排放大量溫室氣體。一般的國內(nèi)航班一次飛行需要添加數(shù)噸燃油，最終這些燃油將變成二氧二碳被排放到空氣中。而離子引擎不需要燃料，不會(huì)排放污染物，是一種清潔能源。簡直可以說是“飛機(jī)中的特斯拉”。

此外，離子引擎的“比沖”極高。比沖就是發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)尾部噴出的速度越快，比沖越大，飛機(jī)消耗的燃料就越少。

離子雖然沒有燃燒，但是在強(qiáng)大電場的作用下，“燃料”卻會(huì)以每秒1萬米的速度噴出。

在《火星救援》中，馬特·達(dá)蒙一幫宇航員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(jīng)過常年累月的加速，飛船將達(dá)到非常驚人的速度。而且它的效率是普通火箭發(fā)動(dòng)機(jī)效率的10倍以上！

實(shí)用化問題

這項(xiàng)技術(shù)如此強(qiáng)大，甚至早在上世紀(jì)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(diǎn)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(jī)，甚至還不到一個(gè)乘客免費(fèi)托運(yùn)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。

△用于宇宙飛船的離子推進(jìn)器

“充電2小時(shí)，飛行1分鐘”。這臺(tái)飛機(jī)引擎的輸入功率是600瓦，54節(jié)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(jī)最終實(shí)測效率僅2.5%左右，如果不解決效率問題，將難以實(shí)用化。

Barrett教授并不幻想“離子引擎”飛機(jī)很快就能用上。

他預(yù)計(jì)，在短期內(nèi)，這種離子風(fēng)推進(jìn)系統(tǒng)可用于飛行時(shí)間較短的無人機(jī)，避免惱人的螺旋槳噪聲問題。

他還設(shè)想，離子引擎可以和燃油發(fā)動(dòng)機(jī)配合，以創(chuàng)造更省油的混合動(dòng)力客機(jī)和其他大型飛機(jī)。

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(yè)。

這篇Nature論文就在這里：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0707-9

One More Thing

有朋友問：沒有風(fēng)扇的引擎能不能用來做無風(fēng)扇吹風(fēng)機(jī)，順便顛覆一下戴森？

風(fēng)力是足夠了，但也附贈(zèng)了4萬伏的高壓