首架离子驱动飞机研制成功

麻省理工学院设计的飞机是电动气动推进的里程碑。资料来源:麻省理工学院

1903年，当莱特兄弟著名的“莱特飞行器”进行第一次试飞时，其粗糙的汽油发动机通过传动链转动两个螺旋桨，这无疑制造了巨大的噪音。115年后，另一架崭新的飞机像幽灵一样无声无息地飞入天空。如果研究人员能够克服推广这项技术的巨大挑战，这种没有螺旋桨或涡轮叶片、没有化石能源或太阳能的新型飞机可能会成为一种安静的无人驾驶飞行器，甚至更简单的飞机。

与螺旋桨或喷气发动机不同，这种独木舟大小的飞机使用电空气动力学(EAD)在空中推进。这种推进方法利用电力将空气向后送，同时给飞机一个相等的向前推力。

剑桥麻省理工学院的航空工程师史蒂文·巴雷特(Steven Barrett)说，航空工程师们长期以来一直认为飞机可以由EAD提供动力，但从来没有人制造过能举起自身重量的EAD飞机。巴雷特说，当他和他的同事们最终成功时，他们肃然起敬。"它花了大约七年时间才顺利升空。"

在EAD推进系统中，一个强电场会产生一种快速运动的带电粒子风，称为离子风。这些带电粒子将撞击中性空气分子，推动飞机后面的中性空气分子，从而给飞机一个推力。这项技术也被称为离子驱动、离子风或离子推进，由美国航天局开发用于外层空间，现已部署在一些卫星和航天器上。由于太空是真空的，这些系统携带氙等液体进行电离，而巴雷特的飞机设计用于电离周围空气中的氮分子。

然而，在太空部署离子驱动器比在大气中容易得多。例如，重力引导卫星环绕地球，而离子驱动可以进行小的路径修正。然而，在大气层中，飞机必须产生足够的推力来保持高度，同时必须克服空气带来的持续阻力。

经过多次计算机模拟，巴雷特的团队决定设计一架翼展为5米、质量为2.45公斤(大约相当于一只鸡的重量)的飞机。为了产生所需的电场，几组类似百叶窗的电极在飞机机翼下运行。每组电极由带正电的不锈钢丝组成，位于带负电的泡沫铝片前几厘米处。这架飞机还带有一个定制的电池组和一个转换器，可以将电池电压从200伏提高到40千伏。尽管高电荷电极暴露在飞机的框架上，但它们可以通过遥控装置打开和关闭，从而避免安全风险。

研究小组在麻省理工学院的体育馆测试了这架飞机。为了避免打击运动员，他们选择在业余时间工作。巴雷特说:“发生了一些非常严重的事故。”最后，研究小组设计了一个类似弹弓的装置来帮助发射飞机。

经过数百次失败的尝试后，飞机终于能够自行上升了。研究人员在11月22日出版的《自然》杂志上报道说，经过10多次试飞，飞机在大约10秒钟内飞行了60米——比莱特兄弟的首次飞行稍远，平均高度为半米。

“这是伟大的第一步。”加州大学伯克利分校的电气工程师丹尼尔·德鲁(Daniel Drew)表示，他没有参与这项工作，而是参与了EAD微型机器人的研究。然而，他警告说:“如果他们试图让飞机变大，他们将会遇到许多问题。”德鲁认为最基本的问题是缩放比例。随着飞机尺寸的增加，它的重量会比机翼面积增加得更快。他解释说，为了留在空中，一架较大的飞机必须在单位机翼面积上产生更大的推力，这“从物理角度来看是极其困难的”。

巴雷特没有准备好让飞机有一天运送人类。“显然，我们还有很长的路要走，还有许多事情需要改进。”他说，“但我不认为有什么不可能。”巴雷特说，推力可以通过提高动力转换系统和电池的效率，测试不同的离子产生策略，以及将推进器集成到飞机框架中以减少阻力来提高。

法国国家研究所CNRS和图卢兹大学的流体力学研究员弗兰克·普鲁拉布说，给EAD飞机提供动力的一种方法可能是在飞机顶部安装超轻太阳能电池板。

德鲁认为，未来人们更有可能看到一组小型EAD飞机。巴雷特认为EAD最大的优势是低噪音。他指出，该推进系统可以在短期内用于低噪音无人驾驶飞行器，并有望在未来与传统燃烧系统共享，以生产更节能的混合动力客机和其他大型飞机。“如果我们想用无人机来运输货物和监测整个城市的空气质量，那么嗡嗡声和噪音污染将变得相当烦人。”(赵茜·唐玺·冯)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-018-0707-9

中国科学新闻(2018-126第二版国际版)