博科園-科學科普｜求贊、求關(guān)注、求評論、發(fā)想法、發(fā)見解?(^?^*)

人類從來不滿足于行走在二維的地球表面上，而是想要像鳥兒一樣在空中飛翔。在古希臘神話中，我們看到了伊卡洛斯披戴著用蠟和羽毛制作的翅膀飛向太陽的畫面。而真正嘗試為人類插上翅膀的研究則始于幾百年前。

1502年，達芬奇研究鳥類的翅膀，嘗試制作機械飛行器。

1799年，喬治·凱利爵士（Sir George Cayley）提出現(xiàn)代飛機的概念，這種飛行器有著固定的機翼，獨立的上升、推進、控制系統(tǒng)。

1856年勒·布里斯（Jean-Marie Le Bris）讓一匹馬在沙灘上拉著他的滑翔機”人造信天翁“進行了第一次動力飛行。

1867到1896年“蝙蝠俠” 李林塔爾（Otto Lilienthal）發(fā)展了比空氣重的飛行器。

1903年12月17日萊特兄弟發(fā)明了第一架飛機，并進行了”第一次重于空氣的航空器進行的受控的持續(xù)動力飛行“。

1939年，出現(xiàn)第一架渦輪噴氣式飛機。

2018年11月，MIT的工程師成功地用離子風推動飛機，不用螺旋槳，不用渦輪機，沒有任何動的部件。

離子風到底是什么？竟然可以讓飛機不用扇動翅膀，不用轉(zhuǎn)動螺旋槳，也不用渦輪機噴射燃料氣體，就能飛翔？下面一幅圖會告訴你其中的奧秘。

離子風如何讓飛機飛翔？ 圖片：Guardian graphic. Source: Steven Barrett, MIT

正如同噴氣式飛機能夠飛行是因為牛頓第三定律——燃料的推力會產(chǎn)生反沖力，離子風驅(qū)動飛機的原理也很簡單：正電極的高壓電場會吸引自由電子，這些電子與周圍的空氣分子碰撞，釋放出更多自由電子，這個過程被稱為電子級聯(lián)。而電離的正離子會沿著電場向負電極移動，與周圍的數(shù)百萬的空氣分子碰撞，形成離子風。

事實上，離子風也被稱為電空氣動力推力，它的物理學原理在上世紀20年代的時候就已經(jīng)被提出：如果在兩個電極（一薄一厚）之間通上電流，就會產(chǎn)生離子風；如果電壓足夠強，那么，電極之間的空氣將能夠驅(qū)動一架小型飛機。

但是，從理論到現(xiàn)實的道路卻無比漫長。很多年以來，擺弄一個小小的飛行器，用巨大的電壓產(chǎn)生一點點離子風，恰好足夠讓它在桌面上空盤旋片刻，人們就心滿意足了。要產(chǎn)生足夠強的離子風來驅(qū)動一架大型飛機持續(xù)飛行，那簡直是遙不可及的事情。然而，MIT的航空學與航天學專家Steven Barrett想要實現(xiàn)自己兒時的想法：未來的飛機應該像《星際迷航》中的飛行器一樣，沒有螺旋槳，也沒有渦輪機，可以悄無聲息地從空中掠過，不用動一下任何部件。

上世紀60年代，許多研究都為離子風推進器敲響著喪鐘，當時的結(jié)果表明，只有大約1%的輸入電能最終會被用于驅(qū)動。但是，至少有三個因素讓離子風依然吸引著飛行器研究者的注意：首先，當飛機的速度提高時，能量轉(zhuǎn)換率會顯著提高，例如，當飛行速度達到300米每秒時，能量轉(zhuǎn)換率可以高達50%。其次，許多研究表明，離子風能夠增強機翼的空氣動力。第三，該技術(shù)可以促進所謂的分布式推進的發(fā)展，這被認為是飛行術(shù)需要改進的一個主要方向。在一個被時差攪擾的不眠之夜，Barrett開始在信封背面進行計算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，或許離子風會是一種可行的驅(qū)動系統(tǒng)。

然而，一個更為具體的問題接踵而至——離子風推進器的設(shè)計如何實現(xiàn)？這需要電子學研究小組的幫助。離子飛機團隊的另一位成員David Perreault設(shè)計了一種鋰聚合物電池，可以通過一個輕質(zhì)的電源轉(zhuǎn)換器將電池的能量有效地轉(zhuǎn)化為高壓電，通過這種方式，電池能夠為電極提供4萬伏電壓，產(chǎn)生足夠強的離子風，推動飛機飛行。終于，經(jīng)過九年的努力，以及無數(shù)次的失敗，他們設(shè)計的飛機試飛成功——在一個無風的體育館里飛行了60米，持續(xù)時間12秒！

離子風飛機重2.45千克，機翼展開的寬度約為5米。不用渦輪機，不用化石燃料，不用任何動的部件，而是直接用電，電離的空氣分子形成離子風，推動飛機“靜悄悄”飛行了60米。重復10次，每次都能夠平穩(wěn)飛行。視頻：MIT

從基本的物理學原理到構(gòu)想出一件真正可以飛行的物件是一段漫漫長路，然后還要設(shè)計、制造。目前的離子飛機不過是最簡單的設(shè)計，但是，它證明離子飛機——它更安全、沒有噪音、不消耗化石燃料也不排放燃燒廢氣——是能夠飛行的，這為飛機設(shè)計和制造開創(chuàng)了一種嶄新的、未經(jīng)探索的可能性。

離子風飛機或許可以用來驅(qū)動小型無人機，甚至是輕型飛機。| 圖片來源：MIT Electric Aircraft Initiative

從人類想要像鳥兒一樣飛翔，到1799年提出具有固定機翼的現(xiàn)代飛機的概念，再到1903年萊特兄弟制造出第一架飛機，人類一直在努力前行。離子飛機技術(shù)還需要很多改進，才能經(jīng)得起風雨，才能穿越大洲大洋，但是Barrett說：”我相信我們可以做到。”

博科園-科學科普｜文：烏鴉少年/原理/principia1687

博科園-傳遞宇宙科學之美