Angus Chen 李雨蒙

1903 年，萊特兄弟發(fā)明的飛機(jī)“飛行者一號(hào)”第一次飛行成功。這時(shí)的飛行者一號(hào)由原始的汽油發(fā)動(dòng)，通過傳動(dòng)鏈?zhǔn)闺p螺旋槳旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力。115 年后的今天，航空工程師Steven Barrett在麻省理工學(xué)院體育館，成功試飛了首架離子風(fēng)推動(dòng)飛機(jī)，由電子引擎通過創(chuàng)造帶電粒子產(chǎn)生動(dòng)力飛行，推動(dòng)航空業(yè)的新發(fā)展。

研究者Barrett的設(shè)計(jì)靈感來源于《星際迷航》?！缎请H迷航》里如夢(mèng)似幻的各色飛行器，成為他夢(mèng)想中未來飛機(jī)的模樣。大約在9年前，Barrett開始著手設(shè)計(jì)沒有活動(dòng)部件的飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)。Barrett認(rèn)為離子風(fēng)（ionicwind）能夠滿足飛機(jī)推進(jìn)的要求，于是用了8年時(shí)間研究這項(xiàng)技術(shù)，并設(shè)計(jì)制作了一架微縮飛機(jī)。

Barrett采用的推進(jìn)方案是電空氣動(dòng)力學(xué)——即“離子風(fēng)”。當(dāng)氣流經(jīng)過兩個(gè)電極之間時(shí)，每當(dāng)施加足夠的電壓，電極間的空氣分子就會(huì)被電極另一端吸引，在移動(dòng)過程中與周圍空氣分子碰撞從而產(chǎn)生推力。Barrett設(shè)想，在電壓足夠高的情況下，離子風(fēng)或許就可以推動(dòng)小型飛行器。另外，由于離子可以在兩個(gè)固定電極之間移動(dòng)，因此機(jī)器不需要活動(dòng)部件來為其供電。

1960年代時(shí)，也曾有人提出離子推動(dòng)飛行的理論，可是科學(xué)界普遍認(rèn)為離子風(fēng)無法維持飛行所需的推力水平?？?009年，當(dāng)Barrett開始仔細(xì)研究這項(xiàng)技術(shù)時(shí)，他看到了這項(xiàng)技術(shù)未被開發(fā)的潛力。“受到飛機(jī)和宇宙飛船的相關(guān)科幻想法的啟發(fā)，我聯(lián)想到了在物理學(xué)中能夠運(yùn)用的技術(shù)?！盉arrett說到，“在思考這項(xiàng)技術(shù)時(shí)，我做了許多計(jì)算，并開始尋找可行的方法。結(jié)果發(fā)現(xiàn)離子風(fēng)可以成為一個(gè)有效的推進(jìn)系統(tǒng)?！盉arrett對(duì)離子推進(jìn)技術(shù)抱有很高的期望，為它命名“版本2”，他表示：“在我們開始試飛之前，我認(rèn)為有50%的成功機(jī)會(huì)，但我在麻省理工學(xué)院的同事，覺得成功試飛的幾率只有1%。”

經(jīng)過多次的計(jì)算機(jī)模擬后，Barrett團(tuán)隊(duì)決定設(shè)計(jì)一架翼展5米，質(zhì)量為2.45千克，大約只相當(dāng)于一只雞重量的飛機(jī)。為了產(chǎn)生足夠強(qiáng)的電場(chǎng)，研究人員在飛機(jī)的機(jī)翼下方安裝了類似百葉窗的電極組，每個(gè)電極由帶正電荷的不銹鋼絲和由鋁覆蓋的帶有大量負(fù)電荷的泡沫板構(gòu)成。同時(shí)，這只飛機(jī)還帶有一個(gè)定制的電池組和一個(gè)變壓器，變壓器可以將電池的電壓從大約200伏升至4萬伏。高壓充電的電極暴露在飛機(jī)外，但它們可以通過遙控器打開或關(guān)閉，因此可以避免安全風(fēng)險(xiǎn)。為了確?！暗诙妗憋w行，機(jī)身上安置了大面積的電極。而研究團(tuán)隊(duì)的最終目標(biāo)，是讓包括電極在內(nèi)的飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)不可見。

Barrett表示：“我們經(jīng)歷了數(shù)次重大的撞機(jī)事故?！弊詈?，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一個(gè)類似彈弓的裝置來幫助飛機(jī)起飛。又經(jīng)過數(shù)百次失敗的調(diào)整后，飛機(jī)終于能夠靠自我推進(jìn)保持空中飛行。研究團(tuán)隊(duì)在麻省理工學(xué)院的體育館內(nèi)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行了飛行測(cè)試。體育館最長距離是60米，在10多次的試飛中，這架飛機(jī)在大約10秒內(nèi)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飛得更遠(yuǎn)。不過，如果想要商業(yè)化應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，還需要考慮重量、可靠性、成本等多方面因素，同時(shí)還有安全、續(xù)航里程等問題。

試飛期間，飛機(jī)沒有產(chǎn)生廢氣，也沒有惱人的噪音。飛機(jī)上的電池向前端的金屬（正極）施加2萬伏電壓。高壓將空氣中氮?dú)獾碾娮觿冸x，氮原子變?yōu)閹д姾傻碾x子。而后側(cè)的金屬帶負(fù)電荷（負(fù)極），氮正離子就像被磁鐵吸引的鐵屑，迅速向后排移動(dòng)。“沿途它們會(huì)與數(shù)百萬的中性空氣分子碰撞。”Barrett表示，這些空氣分子如同被撞擊的臺(tái)球，被推向飛機(jī)后方，從而產(chǎn)生足夠的推動(dòng)力。

Barrett團(tuán)隊(duì)此次的另一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新就是設(shè)計(jì)發(fā)明了一項(xiàng)輕量而高強(qiáng)度的電力系統(tǒng)。研究人員表示，過去無人嘗試過將飛機(jī)上的電力從輕量電池有效地轉(zhuǎn)化為足夠推進(jìn)器使用的充足電壓?！捌渲?，最大的挑戰(zhàn)是需要2萬至3萬伏的電壓才能進(jìn)行工作”。飛機(jī)上的高電壓來之不易。想要在飛機(jī)上施加4萬伏的電壓，這樣的技術(shù)根本不存在。

而如今Barrett團(tuán)隊(duì)找到有效的解決方法。他們?yōu)闄C(jī)身安裝了一排聚合物鋰電池，電池通過輕便的轉(zhuǎn)換器，提供了飛機(jī)所需的高電壓。最后，Barrett運(yùn)用計(jì)算機(jī)模型，充分調(diào)動(dòng)利用了飛機(jī)上每一個(gè)設(shè)計(jì)零部件，從推進(jìn)器、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，再到連接整個(gè)飛機(jī)的線路?！半娫崔D(zhuǎn)換器，電池，機(jī)身，每一個(gè)地方都做到最優(yōu)化?！苯?jīng)過數(shù)百次的調(diào)整，研究團(tuán)隊(duì)最終成功獲得“第二版”飛機(jī)。

美國密歇根大學(xué)的航空工程師Alec Gallimore表示，這項(xiàng)技術(shù)突破充分地證明了離子推進(jìn)器能夠在地球上運(yùn)用，只是目前在應(yīng)用的性能上還有所限制。雖然目前離子推進(jìn)器還無法與螺旋飛行器和噴氣飛行器的動(dòng)力相比，不過離子推進(jìn)器具有一項(xiàng)關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)，就是不會(huì)產(chǎn)生噪音?；蛟S在不久的將來，離子推進(jìn)器就能夠應(yīng)用于遙控飛機(jī)、快遞、攝影或是環(huán)境監(jiān)控，試想10年、20年之后我們可以應(yīng)用安靜無聲的飛行器，幫助我們完成這些事情。

Barrett表示：“當(dāng)然，距離真正運(yùn)用離子推進(jìn)飛機(jī)，我們還有很長的路要走，比如，改進(jìn)變壓器系統(tǒng)和電池改善推力，測(cè)試不同方式產(chǎn)生離子，將推進(jìn)器集成到飛機(jī)的框架中以減少阻力?！倍▏鴩已芯繖C(jī)構(gòu)CNRS的流體力學(xué)研究員Franck Plouraboué表示：“連接在飛機(jī)頂部的超輕型太陽能電池板，或許可以為離子風(fēng)飛機(jī)提供動(dòng)力?！倍又荽髮W(xué)伯克利分校的電氣工程師DanielDrew也認(rèn)為，“這是非常偉大的一次進(jìn)步?！?/p>

雖然離子風(fēng)推進(jìn)力還不足以滿足商用飛機(jī)的需求，但Barrett認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)可以與噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)一起使用。電動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)可以嵌入飛機(jī)中，用于重新改變沿飛機(jī)行進(jìn)的空氣，增加新的推進(jìn)系統(tǒng)可以消除阻力并提高燃油效率。因此，除了優(yōu)化原型工藝之外，下一步Barrett期望離子風(fēng)推進(jìn)技術(shù)能夠與傳統(tǒng)的燃燒系統(tǒng)相結(jié)合，制造油耗更低的“混合型”客機(jī)，以及其他大型飛行器。正如115年前那次持續(xù)了12秒的飛行一樣，或許這次的試飛也可能在未來改變甚至顛覆整個(gè)航空界。

編譯自《科學(xué)美國人》雜志

（責(zé)任編輯 姜懿翀）