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自萊特兄弟的“飛行者1號”于1903年升空以來，100多年間，飛機的外形、動力裝置、燃料等都發(fā)生了翻天覆地的變化。但幾乎所有飛機都存在一些共通之處：通過部件的運動產(chǎn)生推力，例如螺旋槳、渦輪風(fēng)扇，也因此產(chǎn)生巨大的噪音。而現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院（MIT）副教授史蒂文·巴雷特（Steven Barrett）領(lǐng)導(dǎo)的團隊，研發(fā)出一款顛覆性的飛機原型——通過離子風(fēng)驅(qū)動、不消耗化石燃料、不產(chǎn)生任何噪音，并且在室內(nèi)成功試飛。今天，這項研究發(fā)表在《自然》期刊上。

離子風(fēng)推進

巴雷特的靈感來源于《星際迷航》（Star Trek）。他在小時候看到《星際迷航》中夢幻般的飛行器時，就在想，這正是他夢想中未來飛機的飛行方式。

9年前，巴雷特開始帶領(lǐng)MIT航空航天系的團隊，探索打造新型飛機的可能性。他采用的推進方案是電空氣動力學(xué)，也就是“離子風(fēng)”。當氣流經(jīng)過兩個電極（一薄一厚）之間時，一旦施加足夠的電壓，電極間的空氣分子就會電離、被電極另一端吸引，在移動過程中與周圍空氣分子碰撞從而產(chǎn)生推力。巴雷特猜想，如果電壓夠高，離子風(fēng)或許能推動小型飛行器。

事實上，早在上世紀50年代，就有科學(xué)家提出，離子風(fēng)不可能成為飛機的動力。而在很長一段時間內(nèi)，不信邪的巴雷特團隊研發(fā)進展也并不順利。他們只能讓小型飛行器短暫滑行幾秒鐘，距離產(chǎn)生足以維持更大型飛機飛行的離子風(fēng)還很遠。因此，他們在設(shè)計新的飛機原型時，也不敢抱有太高的期望——他們甚至都沒有起一個響亮的名字，以至于這架飛機最終頂著“第二版”（Version 2）這個平淡的名字，完成創(chuàng)造歷史的飛行?！拔蚁氲氖牵覀冎挥?0%的成功幾率，”巴雷特說，“我在MIT的同事更悲觀，認為成功的概率只有1%?！?/p>

直到某天夜里，出差在外的巴雷特因為時差而失眠，“我干脆起床來思考，離子風(fēng)飛機究竟是否可信，”巴雷特講述道，“我做了一些初步的計算，這時我知道：沒錯，我找到了可行的推進系統(tǒng)。”

飛行60米

十年磨一劍，巴雷特團隊在論文中展示了名為“第二版”的飛機原型。飛機翼長5米，質(zhì)量只有5磅（2.45千克）。在機翼前端下方，研究團隊固定了一排與機翼平行的細金屬線；而在機翼后側(cè)下方，是一排較粗的金屬線。這些看似簡單的導(dǎo)線，就是驅(qū)動離子風(fēng)飛機的核心部件。

試驗時，飛機上的電池向前端的金屬（正極）施加2萬伏電壓。高壓將空氣中氮氣的電子剝離，氮原子變?yōu)閹д姾傻碾x子。而后側(cè)的金屬帶負電荷（負極），這些氮正離子就像被磁鐵吸引的鐵屑，迅速向后排移動?！把赝舅鼈儠c數(shù)百萬的中性空氣分子碰撞?！卑屠滋卣f，這些空氣分子如同被撞擊的臺球，被推向飛機后方，從而產(chǎn)生足夠的推力。

在MIT的一座室內(nèi)體育館，巴雷特的愿望邁出了第一步。研究團隊測試了“第二版”的飛行性能。與那些堅持不過幾秒的前任相比，“第二版”以每小時17千米的速度平穩(wěn)飛行了60米，直至撞上墻壁。研究者共進行了10次測試，飛機在每次測試中都有穩(wěn)定的表現(xiàn)。期間沒有動力耗盡的跡象，也沒有惱人的噪音。

在巴雷特看來，除了離子風(fēng)推進器的設(shè)計，取得成功的另一項關(guān)鍵因素，是設(shè)計出很輕，但足夠強大的電氣系統(tǒng)。在此之前，沒有人能用輕質(zhì)的電池產(chǎn)生如此高的電壓。“想要在飛機上施加4萬伏的電壓？這樣的技術(shù)根本不存在。而巴雷特找到了一條新穎的解決途徑?！弊糁蝸喞砉ご髮W(xué)的航天工程師米切爾·沃克（Mitchell Walker）說。

MIT電子學(xué)研究實驗室的戴維·佩羅（David Perreault）團隊設(shè)計了飛行器的電氣系統(tǒng)。他們?yōu)闄C身安裝了一排聚合物鋰電池，電池通過輕便的轉(zhuǎn)換器，提供了所需的高壓。

此外，研究團隊通過計算機模擬，讓飛機上的所有元件都發(fā)揮最大功效。從推進器到電池，從機身到飛機上的每一條電線，所有配件的設(shè)計都得到最優(yōu)化。巴雷特說，經(jīng)過數(shù)百次的調(diào)整，他們最終得到了“第二版”飛機。

從無人機起步

離子推進器的概念并不是首次出現(xiàn)。在航天領(lǐng)域，離子推進器不僅用于將航天器送往既定軌道，還將“黎明”號小行星探測器送至小行星帶。在近乎真空的太空，離子推進器需要攜帶用于電離的氣體，從而獲得推動力。但在擁有致密大氣層的地球上，故事又不一樣了。“所有人都清楚，離子推進器產(chǎn)生的速度不足以推動一架飛機，”沃克說，“之前沒有人知道該怎樣讓它前行?！?/p>

密歇根大學(xué)的航天工程師亞歷克·加利莫爾（Alec Gallimore）說，這項工作證明了，離子推進器同樣可以用在地球上。但“第二版”的效率仍然很低，與推動真正的飛機相距甚遠。因此，通過離子推動的載人飛機在短期內(nèi)也不會出現(xiàn)。

巴雷特同意這個觀點。接下來，他正試圖提升飛機的效率，用更低的電壓制造出更大的離子風(fēng)。研究者還希望提升推力密度，即單位面積產(chǎn)生的推力。目前，為了確?！暗诙妗憋w行，機身上安置了大面積的電極。而巴雷特的最終目標，是讓包括電極在內(nèi)的飛機推進系統(tǒng)不可見?！斑@需要長時間的研究，”巴雷特說，“從基本理論到真正在空中飛行的機器，是很漫長的一段旅途，需要解決物理、設(shè)計上的種種問題?，F(xiàn)在，我看到的是，這樣的推進系統(tǒng)具有理論上的可行性?！?/p>

對于離子風(fēng)飛機的未來，巴雷特認為，這項技術(shù)將可能首先為無人機帶來變革?，F(xiàn)在，無人機在運輸、拍攝、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域的應(yīng)用與日俱增。“想象一下，10年或20年后，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?！倍谡雇L遠的目標時，巴雷特有著更大的野心。他希望離子風(fēng)推進技術(shù)能與傳統(tǒng)的燃燒系統(tǒng)結(jié)合，打造油耗更低的“混合型”客機，以及其他大型飛行器?；蛟S，正如115年前那次只持續(xù)了12秒的飛行，這次試飛也可能在未來改變甚至顛覆航空界的面貌。

博科園-科學(xué)科普｜文：Scientific American

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參考期刊文獻:《自然》（natural）

DOI：doi.org/10.1038/s41586-018-0707-9

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