離子風(fēng)推進(jìn)系統(tǒng)可用于飛行較少噪音的無(wú)人機(jī)

自從第一架飛機(jī)在100多年前飛行以來(lái)，天空中的幾乎所有飛機(jī)都借助于螺旋槳，渦輪葉片和風(fēng)扇等運(yùn)動(dòng)部件飛行，這些部件由化石燃料的燃燒或產(chǎn)生的電池組供電。一個(gè)持久的，抱怨的嗡嗡聲。

現(xiàn)在麻省理工學(xué)院的工程師已經(jīng)建造并飛行了第一架沒(méi)有活動(dòng)部件的飛機(jī)。輕型飛機(jī)不是螺旋槳或渦輪機(jī)，而是由“離子風(fēng)”提供動(dòng)力 - 在飛機(jī)上產(chǎn)生的靜音但強(qiáng)大的離子流，并產(chǎn)生足夠的推力以推動(dòng)飛機(jī)在持續(xù)，穩(wěn)定的飛行中飛行。

與渦輪動(dòng)力飛機(jī)不同，飛機(jī)不依賴化石燃料飛行。與螺旋槳驅(qū)動(dòng)的無(wú)人機(jī)不同，新設(shè)計(jì)完全無(wú)聲。

“這是有史以來(lái)第一次在推進(jìn)系統(tǒng)中沒(méi)有活動(dòng)部件的飛機(jī)持續(xù)飛行，”麻省理工學(xué)院航空航天副教授Steven Barrett說(shuō)。“這可能為飛機(jī)提供了新的和未開(kāi)發(fā)的可能性，這些飛機(jī)更安靜，機(jī)械更簡(jiǎn)單，并且不會(huì)排放燃燒物。”

他預(yù)計(jì)，在短期內(nèi)，這種離子風(fēng)推進(jìn)系統(tǒng)可用于飛行較少噪音的無(wú)人機(jī)。更進(jìn)一步，他設(shè)想離子推進(jìn)與更傳統(tǒng)的燃燒系統(tǒng)配合，以創(chuàng)造更省油的混合客機(jī)和其他大型飛機(jī)。

巴雷特和他在麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)在“ 自然 ”雜志上發(fā)表了他們的研究成果。

愛(ài)好工藝品

巴雷特表示，該團(tuán)隊(duì)離子飛機(jī)的靈感部分來(lái)自電影和電視劇“星際迷航”，他小時(shí)候熱切地觀看。他特別喜歡那些毫不費(fèi)力地在空中掠過(guò)的未來(lái)主義的shuttlecrafts，似乎沒(méi)有任何活動(dòng)部件，幾乎沒(méi)有任何噪音或排氣。

“這讓我想到，在長(zhǎng)遠(yuǎn)的未來(lái)，飛機(jī)不應(yīng)該有螺旋槳和渦輪機(jī)，”巴雷特說(shuō)。“它們應(yīng)該更像是”星際迷航“中的航天飛機(jī)，只有藍(lán)色的光芒，并且默默地滑行。

大約九年前，巴雷特開(kāi)始尋找為沒(méi)有活動(dòng)部件的飛機(jī)設(shè)計(jì)推進(jìn)系統(tǒng)的方法。他最終遇到了“離子風(fēng)”，也被稱為電動(dòng)力學(xué)推力 - 一種物理原理，最初在20世紀(jì)20年代被發(fā)現(xiàn)并描述了當(dāng)電流在薄電極和厚電極之間通過(guò)時(shí)可產(chǎn)生的風(fēng)或推力。如果施加足夠的電壓，則電極之間的空氣可以產(chǎn)生足夠的推力來(lái)推進(jìn)小型飛機(jī)。

多年來(lái)，電動(dòng)力推力主要是業(yè)余愛(ài)好者的項(xiàng)目，設(shè)計(jì)大部分僅限于小型臺(tái)式“升降機(jī)”，這些升降機(jī)與大型電壓供應(yīng)相連，為小型船只在空中短暫懸停創(chuàng)造了足夠的風(fēng)。人們普遍認(rèn)為，在持續(xù)飛行中不可能產(chǎn)生足夠的離子風(fēng)來(lái)推動(dòng)更大的飛機(jī)。

他回憶說(shuō)：“當(dāng)我遇到時(shí)差時(shí)，這是酒店里一個(gè)不眠之夜。我正在思考這個(gè)問(wèn)題并開(kāi)始尋找可行的方法。” “我做了一些背后的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)，是的，它可能成為一個(gè)可行的推進(jìn)系統(tǒng)，”巴雷特說(shuō)。“事實(shí)證明，需要多年的努力才能實(shí)現(xiàn)首次試飛。”

離子飛行

該團(tuán)隊(duì)的最終設(shè)計(jì)類似于大型輕量級(jí)滑翔機(jī)。這架重約5磅，翼展5米的飛機(jī)載有一系列細(xì)線，這些細(xì)線在飛機(jī)機(jī)翼前端的下方和下方都是水平圍欄。導(dǎo)線充當(dāng)帶正電的電極，而沿著平面翼的后端延伸的類似布置的較粗的導(dǎo)線用作負(fù)電極。

飛機(jī)的機(jī)身裝有一堆鋰聚合物電池。Barrett的離子飛機(jī)團(tuán)隊(duì)包括David Perreault教授在電子研究實(shí)驗(yàn)室的電力電子研究小組的成員，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種能夠?qū)㈦姵剌敵鲛D(zhuǎn)換為足夠高的電壓來(lái)推動(dòng)飛機(jī)的電源。通過(guò)這種方式，電池以40,000伏特供電，通過(guò)輕型電源轉(zhuǎn)換器對(duì)電線充電。

一旦導(dǎo)線通電，它們就會(huì)吸引并從周圍的空氣分子中剝離帶負(fù)電的電子，就像吸引鐵屑的巨大磁鐵一樣。留下的空氣分子是新離子化的，并且又被吸引到平面背面的帶負(fù)電的電極。

當(dāng)新形成的離子云流向帶負(fù)電的導(dǎo)線時(shí)，每個(gè)離子與其他空氣分子碰撞數(shù)百萬(wàn)次，產(chǎn)生推動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)的推力。

該團(tuán)隊(duì)還包括林肯實(shí)驗(yàn)室的工作人員托馬斯·塞巴斯蒂安和馬克·伍爾斯頓，乘坐飛機(jī)穿越麻省理工學(xué)院杜邦體育中心的體育館，這是他們可以找到的最大的室內(nèi)空間。該團(tuán)隊(duì)將飛機(jī)飛行了60米(健身房?jī)?nèi)的最大距離)，并發(fā)現(xiàn)該飛機(jī)產(chǎn)生足夠的離子推力以維持飛行的整個(gè)時(shí)間。他們以相似的表現(xiàn)重復(fù)了10次飛行。

“這是我們?cè)O(shè)計(jì)的最簡(jiǎn)單的飛機(jī)，它可以證明離子飛機(jī)可以飛行的概念，”巴雷特說(shuō)。“它仍然離飛機(jī)可以執(zhí)行一項(xiàng)有用的任務(wù)。它需要更高效，飛得更久，然后飛到外面。”

Barrett的團(tuán)隊(duì)正致力于提高設(shè)計(jì)效率，以更低的電壓產(chǎn)生更多的離子風(fēng)。研究人員還希望提高設(shè)計(jì)的推力密度 - 每單位面積產(chǎn)生的推力。目前，飛行團(tuán)隊(duì)的輕型飛機(jī)需要大面積的電極，這基本上構(gòu)成了飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)。理想情況下，Barrett希望設(shè)計(jì)一種沒(méi)有可見(jiàn)推進(jìn)系統(tǒng)的飛機(jī)或單獨(dú)的控制表面，如方向舵和電梯。

“這需要很長(zhǎng)時(shí)間才能到達(dá)，”巴雷特說(shuō)。“從基本原理到實(shí)際飛行的東西是一個(gè)描述物理特征的漫長(zhǎng)旅程，然后提出設(shè)計(jì)并使其發(fā)揮作用?，F(xiàn)在這種推進(jìn)系統(tǒng)的可行性是可行的。”