這不是科幻小說(shuō)，離子引擎飛機(jī)真的被造出來(lái)了！
“曲率引擎”、“離子引擎”等等激動(dòng)人心的科幻名詞，正在走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
最近MIT又重新發(fā)明了飛機(jī)，實(shí)驗(yàn)成果登上了《自然》雜志封面。
這架飛機(jī)翼展5米，總重量?jī)H2.5公斤，甚至連一個(gè)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(dòng)的飛機(jī)。
麻省理工學(xué)院航空航天副教授Steven Barrett說(shuō)：“這是有史以來(lái)第一個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)沒(méi)有活動(dòng)部件的飛機(jī)。”
“這種飛機(jī)更安靜，機(jī)械構(gòu)造更簡(jiǎn)單，并且不會(huì)排放燃燒物。”
這架飛機(jī)究竟有何過(guò)人之處？它是一臺(tái)純固態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)：沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件，全靠一個(gè)叫“離子引擎”的東西驅(qū)動(dòng)。
沒(méi)有風(fēng)扇，全靠電池
離子引擎和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)有何不同？
普通飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)看起來(lái)就像是一個(gè)大號(hào)的吹風(fēng)機(jī)，旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇不斷把空氣吹向后方，為機(jī)翼提供升力。
離子發(fā)動(dòng)機(jī)也是靠吹風(fēng)，不過(guò)它沒(méi)有“風(fēng)扇”，而是靠電場(chǎng)造出的“離子風(fēng)”。
這種現(xiàn)象在生活中很常見(jiàn)，我們插電時(shí)冒出的電火花就是空氣被電離造成的。
電壓越高，離子被加速得越快。 Barrett教授的團(tuán)隊(duì)使用了54節(jié)3.7伏鋰聚合物電池，大約能提供200伏特的電壓。但這點(diǎn)電壓對(duì)于離子引擎來(lái)說(shuō)還是太低了。
為此，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種能夠?qū)㈦姵剌敵鲛D(zhuǎn)換為高壓電來(lái)推動(dòng)飛機(jī)的電源。 通過(guò)這種方式，電池最終將輸出4萬(wàn)伏的高壓。
把200伏直流電變成4萬(wàn)伏高壓電，需要幾步？
逆變器：把直流電轉(zhuǎn)換成500~700千赫茲的交流電；
變壓器：把低壓交流電轉(zhuǎn)化為高壓交流電，實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)變成更高電壓的直流電，從7千伏交流電變成4萬(wàn)伏直流電。
經(jīng)過(guò)這三步產(chǎn)生的電壓可以放出巨大的電火花，你甚至可以用它治療網(wǎng)癮（大誤）。
也許你會(huì)問(wèn)，為什么要把直流變成交流，然后再轉(zhuǎn)換成直流呢？這是一個(gè)很有趣問(wèn)題，100年前的特斯拉和愛(ài)迪生也為這件事?tīng)?zhēng)執(zhí)過(guò)，后來(lái)特斯拉贏了。
有了4萬(wàn)伏高壓，我們就可以用它來(lái)電離空氣了。
一旦給導(dǎo)線通上電，強(qiáng)大的電場(chǎng)就會(huì)讓正極吸引周?chē)牡獨(dú)夥肿?，把電子從氮?dú)夥肿由蟿冸x出來(lái)，就像巨大的磁鐵吸引鐵屑一樣。本來(lái)中性的氮?dú)夥肿釉谑ル娮雍螅兂闪藥д姷碾x子。
△一個(gè)分子撞擊多個(gè)分子，dai'odaida導(dǎo)致雪崩式電離
被電離的氮?dú)鈿夥肿佑直晃綆ж?fù)電的電極，在趕去負(fù)極的路上，氮離子又會(huì)撞上其他氮?dú)夥肿?，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(jī)尾部，形成一種離子組成的“風(fēng)”。
在這個(gè)過(guò)程中，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。
現(xiàn)代版萊特兄弟
在MIT的一座室內(nèi)體育館，Barrett教授的團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了他的實(shí)驗(yàn)。
飛機(jī)以大約5米/秒速度平穩(wěn)飛行了60米，直至撞上墻壁。研究者共進(jìn)行了10次測(cè)試，飛機(jī)在每次測(cè)試中都有穩(wěn)定的表現(xiàn)。期間沒(méi)有動(dòng)力耗盡的跡象，也沒(méi)有噪音。
發(fā)動(dòng)機(jī)提供了3.2牛頓的力，大約相當(dāng)于提起6個(gè)雞蛋的重量。
經(jīng)過(guò)推算，離子引擎大約讓飛機(jī)上升了0.47米。
感覺(jué)就像是萊特兄弟第一次成功試飛的實(shí)驗(yàn)。
但這項(xiàng)技術(shù)不該被嘲笑，就像當(dāng)初萊特兄弟的實(shí)驗(yàn)一樣。
高效無(wú)污染的離子引擎
“想象一下，10年或20年后，無(wú)人機(jī)將無(wú)處不在，這意味著我們耳邊將全是無(wú)人機(jī)的噪音。而我們，能讓它們變安靜。”Barrett教授說(shuō)。
在這樣的飛機(jī)上，你不再需要降噪耳機(jī)。
現(xiàn)在每天在空中飛行的客機(jī)都會(huì)排放大量溫室氣體。一般的國(guó)內(nèi)航班一次飛行需要添加數(shù)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(huì)排放污染物，是一種清潔能源。簡(jiǎn)直可以說(shuō)是“飛機(jī)中的特斯拉”。
此外，離子引擎的“比沖”極高。比沖就是發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)尾部噴出的速度越快，比沖越大，飛機(jī)消耗的燃料就越少。
離子雖然沒(méi)有燃燒，但是在強(qiáng)大電場(chǎng)的作用下，“燃料”卻會(huì)以每秒1萬(wàn)米的速度噴出。
在《火星救援》中，馬特·達(dá)蒙一幫宇航員乘坐的飛船就使用了離子引擎，一開(kāi)始引擎的力量很小，但是在無(wú)空氣阻力的太空中，經(jīng)過(guò)常年累月的加速，飛船將達(dá)到非常驚人的速度。而且它的效率是普通火箭發(fā)動(dòng)機(jī)效率的10倍以上！
實(shí)用化問(wèn)題
這項(xiàng)技術(shù)如此強(qiáng)大，甚至早在上世紀(jì)20年代前就被研究過(guò)，為何遲遲無(wú)法商用化？
主要有以下幾點(diǎn)原因：
離子引擎的推力太低，之前提到過(guò)它只能帶起2.5kg的飛機(jī)，甚至還不到一個(gè)乘客免費(fèi)托運(yùn)行李的重量。因此NASA只能首先把它用在微重力、無(wú)空氣阻力的太空。
△用于宇宙飛船的離子推進(jìn)器
“充電2小時(shí)，飛行1分鐘”。這臺(tái)飛機(jī)引擎的輸入功率是600瓦，54節(jié)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(jī)最終實(shí)測(cè)效率僅2.5%左右，如果不解決效率問(wèn)題，將難以實(shí)用化。
Barrett教授并不幻想“離子引擎”飛機(jī)很快就能用上。
他預(yù)計(jì)，在短期內(nèi)，這種離子風(fēng)推進(jìn)系統(tǒng)可用于飛行時(shí)間較短的無(wú)人機(jī)，避免惱人的螺旋槳噪聲問(wèn)題。
他還設(shè)想，離子引擎可以和燃油發(fā)動(dòng)機(jī)配合，以創(chuàng)造更省油的混合動(dòng)力客機(jī)和其他大型飛機(jī)。
或許正如115年前的萊特兄弟，這次飛行可能將顛覆未來(lái)的航空業(yè)。
這篇Nature論文就在這里：
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0707-9
One More Thing
有朋友問(wèn)：沒(méi)有風(fēng)扇的引擎能不能用來(lái)做無(wú)風(fēng)扇吹風(fēng)機(jī)，順便顛覆一下戴森？
風(fēng)力是足夠了，但也附贈(zèng)了4萬(wàn)伏的高壓。
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