20世紀(jì)初動(dòng)力飛機(jī)的發(fā)明，無疑是人類交通方式的一大革命，它終于實(shí)現(xiàn)了自古以來人們想要飛上天空的夢(mèng)想。

　　2018年11月發(fā)行的《自然》雜志封面刊登了一架飛機(jī)，它究竟有何特別之處，能登上頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊的封面呢？

　　不論是在第一架飛機(jī)成功飛行的100多年前，還是今天，一直以來，飛行器的動(dòng)力來自帶有活動(dòng)部件的發(fā)動(dòng)機(jī)，例如推進(jìn)器或渦輪機(jī)，并且通常依靠化石燃料燃燒。但而這架電動(dòng)飛機(jī)和之前的飛機(jī)完全不同，它沒有螺旋槳、沒有渦輪機(jī)，由帶電空氣分子碰撞而成的“離子風(fēng)”提供了飛行所需的推力。正如飛機(jī)的發(fā)明者、麻省理工學(xué)院航空航天副教授史蒂文·巴雷特說：“這是史上第一架推進(jìn)系統(tǒng)中沒有任何活動(dòng)部件的飛機(jī)，將為飛機(jī)帶來新的可能性，未來的飛機(jī)會(huì)更安靜，機(jī)械設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，并且不會(huì)排放燃燒物?！?/p>

　　這項(xiàng)研究結(jié)果，來自美國(guó)麻省理工史蒂文·巴雷特課題組。這款特殊的飛機(jī)，機(jī)身5米，重2.45公斤，在學(xué)校的體育館內(nèi)完成了首次飛行，試飛平均高度0.47米，持續(xù)飛行60米。

　　這駕飛機(jī)的特別之處，在于它飛行過程中不需要任何運(yùn)動(dòng)部件，而且還能獲得動(dòng)力。它沒有發(fā)動(dòng)機(jī)，也沒有渦輪和螺旋槳；不需要消耗燃料，也不會(huì)產(chǎn)生噪音與廢氣。

　　MIT的研究者展示了這樣一種可能：利用高壓將空氣電離，形成“離子風(fēng)”，推動(dòng)飛機(jī)。

　　“離子風(fēng)”與 “電空氣動(dòng)力學(xué)（EAD）”有關(guān)。這種技術(shù)最初在20世紀(jì)20年代被提出，簡(jiǎn)單來說，它描述了電流在薄電極和厚電極之間通過時(shí)可產(chǎn)生風(fēng)，或者說推力。而當(dāng)施加的電壓足夠大時(shí)，電極之間的空氣可以產(chǎn)生足夠的推力來推進(jìn)小型飛機(jī)。理論上來說，使用非常高的電壓時(shí)，基于EAD的推進(jìn)器會(huì)在兩個(gè)電極周圍的空氣中產(chǎn)生離子，電極之間產(chǎn)生的電場(chǎng)將離子從較小的電極“甩到”較大的電極上，這些離子在行進(jìn)時(shí)與正常的空氣分子碰撞，產(chǎn)生離子風(fēng)并向前推動(dòng)機(jī)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。這種技術(shù)，據(jù)說已被NASA用于外太空的航天器，可幫助進(jìn)行航向的微小修正。但用于驅(qū)動(dòng)飛機(jī)，必須產(chǎn)生足夠的推力以克服空氣阻力，還有自身重力，此前還無人涉及。

離子風(fēng)原理示意圖（圖片來源：MIT）

　　研究人員嘗試了十次飛行，用來證明它的可重復(fù)性。在5米范圍內(nèi)，“離子風(fēng)”將飛機(jī)加速到每秒5米，在剩余的55米飛行空間內(nèi)自由飛行。持續(xù)時(shí)間為8-9秒，平均飛行高度0.47米，“離子風(fēng)”穩(wěn)定地推動(dòng)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)電荷的泡沫片構(gòu)成。該飛機(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 40 千伏。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)。

　　在實(shí)驗(yàn)室尺度上，推動(dòng)力與功率之比可以高達(dá)50 N kw-1。與之相比，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)約為3 N kw-1，直升機(jī)旋翼約為50 N kw-1。推力功率比的增加導(dǎo)致推力密度的降低，研究者最終采用四組并聯(lián)電極的兩級(jí)結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)獲得3 N m-2的推力密度，和6.25 N kw-1的推力功率比。

單次飛行軌跡和速度計(jì)算（圖片來源：MIT）

　　EAD可以用于更安靜的小型飛行器設(shè)計(jì)，它們幾乎不發(fā)出聲音，無需消耗燃料，當(dāng)然也不會(huì)排放溫室氣體，減輕當(dāng)前飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的有害影響，有希望讓飛機(jī)與城市環(huán)境聯(lián)系更緊密。

飛機(jī)設(shè)計(jì)圖（圖片來源：MIT）

　　這只是個(gè)概念證明，目前，團(tuán)隊(duì)開發(fā)出來的 EDA 系統(tǒng)的推進(jìn)力還不足以滿足商用飛機(jī)的需求。但研究人員認(rèn)為，它可以與噴氣發(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，這也是麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)計(jì)劃下一步關(guān)注的內(nèi)容。他們還會(huì)改進(jìn)這種EAD推進(jìn)技術(shù)，提高整體效率。另一個(gè)挑戰(zhàn)是提升推力密度，現(xiàn)在的原型機(jī)只是無人機(jī)，真正的飛機(jī)，必須能夠攜帶人類，而不只是電池、變壓器和遙控器。



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