沒有螺旋槳和渦輪機,全球首架極靜「離子風飛機」成功試飛

作者 | 發布日期 2018 年 11 月 23 日 15:10 | 分類 尖端科技 , 無人機 , 航太科技 follow us in feedly

全球首架「離子風飛機」從科幻小說中走出來了!沒有嘈雜的螺旋槳或渦輪機,這架由麻省理工學院團隊開發的原型機,完全靠帶電粒子推動空氣來產生飛行動力,於試驗中滯空長達 9 秒──不要覺得這沒什麼,當初萊特兄弟成功試飛的第一架動力飛機也才滯空 12 秒。



飛機是我們已經習以為常的空中交通工具,其全名為固定翼飛機(Fixed-wing aeroplane),自機身延伸出的固定機翼產生升力,運轉部件(moving part)如渦輪機、螺旋槳則用來產生推力或拉力,維持機體在大氣層內飛行,可分為噴射機或螺旋槳飛機。

但還有另一種利用電場推動空氣流動的方法,也可以當作飛機的動力系統。雖然空氣主要由不帶電分子組成,但若電壓足夠高,就可以電離大氣層中的氮氣和氧氣(比如閃電現象),當電子被釋放出來後,空氣中帶正電荷或負電荷的離子開始到處游移、與中性分子碰撞並將它們推在一起,這就是離子風。

但過去的研究計算結果對離子風推進系統不怎麼樂觀,因為離子風產生的推力實在太小,無法推動一台飛機(用來推動火箭的離子推進器又是另一種工作方式了),科學家在 1960 年代也曾嘗試製造過離子風飛機,結果不是太成功。

不過麻省理工學院航太工程師 Steven Barrett 相信,只要有恰當的設計與夠輕的電池,離子風飛機還是有機會在天空翱翔。新研究中,他與團隊先利用數學方程算出飛機最適合的外型構造、材料等,接著一一測試各種組合,成功做出這架原型機:展翼長約 5 公尺、重量僅 2.5 公斤(差不多一隻雞的重量),上有看起來像百葉窗的高壓電焊條陣列用來塑造電場。

(Source:麻省理工學院

電銲條前方有金屬細線做為帶正電的電極,後方較粗導線作為帶負電的電極;接著是該團隊另外一項創新研發:一套輕巧但功能強大的電氣系統,機身內帶有定制的電池組(鋰聚合物電池)和轉換器,後者用來將電池電壓從 200V 提升至 40,000V,這是過去開發離子推進器時最大的挑戰。

當電池以 40,000V 通電,前方金屬細線開始吸引大氣中的中性分子(如氮原子)並剝離出電子,這些氮原子變成帶正電的離子後,遇上後排帶負電的電極又像磁鐵一樣被吸引過去,每個離子與其他空氣分子碰撞數百萬次形成離子風,以此產生推動飛機前進的推力。

在經歷無數次修正,這台原型機終於可以完全靠離子風的推力飛行長達 60 公尺,滯空達 9 秒!這道成果更不是曇花一現而已,研究人員成功重複了 10 次試飛。更重要的是,由於沒有螺旋槳或渦輪機,這架飛機飛行時幾乎沒有聲音。

▲ 失敗。

▲ 成功飛行 60 公尺。

接下來團隊將致力於改善效率,希望以更低的電壓產生更多離子風並提高推力密度。目前原型機的電極占用範圍太大,最理想情況是完全「隱藏」推進系統。新論文發表在《Nature》期刊。

(首圖來源:麻省理工學院新聞室

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