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麻省理工重新發明飛機:無需燃料,每秒萬米噴射帶你上天

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MIT重新發明了飛機——無需燃料,沒有風扇,機艙更加安靜,並且不會排放燃燒物,這項實驗成果登上了《自然》雜誌的封面。

這架飛機翼展5米,總重量僅2.5公斤,甚至連一個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的飛機。

普通飛機的發動機看起來就像是一個大號的吹風機,旋轉的風扇不斷把空氣吹向後方,為機翼提供升力。離子發動機也是靠吹風,不過它沒有“風扇”,而是靠電場造出的“離子風”。這是一台純固態發動機飛機:沒有旋轉部件,全靠“離子引擎”驅動。

麻省理工學院航空航天副教授Steven Barrett說:“這是有史以來第一個推進系統沒有活動部件的飛機。”這種飛機更安靜,機械構造更簡單,並且不會排放燃燒物。

當然,出於離子引擎推力和效率過低的緣故,距離它的實用化還有一段路程,但或許正如115年前的萊特兄弟,這次飛行可能將顛覆未來的航空業。

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“曲率引擎”“離子引擎”等等激動人心的科幻名詞,正在走進現實。

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這架飛機究竟有何過人之處?它是一台純固態發動機飛機:沒有旋轉部件,全靠一個叫“離子引擎”的東西驅動。

離子引擎和渦輪風扇發動機有何不同?

普通飛機的發動機看起來就像是一個大號的吹風機,旋轉的風扇不斷把空氣吹向後方,為機翼提供升力。離子發動機也是靠吹風,不過它沒有“風扇”,而是靠電場造出的“離子風”。

這種現像在生活中很常見,我們插電時冒出的電火花就是空氣被電離造成的。

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電壓越高,離子被加速得越快。Barrett教授的團隊使用了54節3.7伏鋰聚合物電池,大約能提供200伏特的電壓。但這點電壓對於離子引擎來說還是太低了。

為此,他們設計了一種能夠將電池輸出轉換為高壓電來推動飛機的電源。通過這種方式,電池最終將輸出4萬伏的高壓。

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把200伏直流電變成4萬伏高壓電,需要幾步?

逆變器:把直流電轉換成500~700千赫茲的交流電;變壓器:把低壓交流電轉化為高壓交流電,實驗中使用的是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。經過這三步產生的電壓可以放出巨大的電火花,你甚至可以用它治療網癮(大誤)。

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也許你會問,為什麼要把直流變成交流,然後再轉換成直流呢?這是一個很有趣問題,100年前的特斯拉和愛迪生也為這件事爭執過,後來特斯拉贏了。

有了4萬伏高壓,我們就可以用它來電離空氣了。

一旦給導線通上電,強大的電場就會讓正極吸引周圍的氮氣分子,把電子從氮氣分子上剝離出來,就像巨大的磁鐵吸引鐵屑一樣。本來中性的氮氣分子在失去電子後,變成了帶正電的離子。

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被電離的氮氣氣分子又被吸引到帶負電的電極,在趕去負極的路上,氮離子又會撞上其他氮氣分子,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尾部,形成一種離子組成的“風”。

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在這個過程中,每個離子與其他空氣分子碰撞數百萬次,產生推動飛機前進的推力。

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現代版萊特兄弟

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在MIT的一座室內體育館,Barrett教授的團隊開展了他的實驗。

飛機以大約5米/秒速度平穩飛行了60米,直至撞上牆壁。研究者共進行了10次測試,飛機在每次測試中都有穩定的表現。期間沒有動力耗盡的跡象,也沒有噪音。

發動機提供了3.2牛頓的力,大約相當於提起6個雞蛋的重量。

經過推算,離子引擎大約讓飛機上升了0.47米。

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感覺就像是萊特兄弟第一次成功試飛的實驗。

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但這項技術不該被嘲笑,就像當初萊特兄弟的實驗一樣。

高效無污染的離子引擎

“想像一下,10年或20年後,無人機將無處不在,這意味著我們耳邊將全是無人機的噪音。而我們,能讓它們變安靜。”Barrett教授說。

在這樣的飛機上,你不再需要降噪耳機。

現在每天在空中飛行的客機都會排放大量溫室氣體。一般的國內航班一次飛行需要添加數噸燃油,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,不會排放污染物,是一種清潔能源。簡直可以說是“飛機中的特斯拉”。

此外,離子引擎的“比衝”極高。比衝就是發動機的效率,可以理解為單位重量“燃料”讓飛船獲得的速度。

燃料從發動機尾部噴出的速度越快,比衝越大,飛機消耗的燃料就越少。

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

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在《火星救援》中,馬特·達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,經過常年累月的加速,飛船將達到非常驚人的速度。而且它的效率是普通火箭發動機效率的10倍以上!

實用化問題

這項技術如此強大,甚至早在上世紀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,甚至還不到一個乘客免費托運行李的重量。因此NASA只能首先把它用在微重力、無空氣阻力的太空。

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“充電2小時,飛行1分鐘”。這台飛機引擎的輸入功率是600瓦,54節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這架飛機最終實測效率僅2.5%左右,如果不解決效率問題,將難以實用化。

Barrett教授並不幻想“離子引擎”飛機很快就能用上。

他預計,在短期內,這種離子風推進系統可用於飛行時間較短的無人機,避免惱人的螺旋槳噪聲問題。

他還設想,離子引擎可以和燃油發動機配合,以創造更省油的混合動力客機和其他大型飛機。

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。

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