一架由麻省理工學(xué)院團隊打造的十分特別的飛機，在學(xué)校的體育館內(nèi)完成了首次飛行

翼展 5 米，重 2.45 公斤，平均高度僅 0.47 米的情況下能持續(xù)飛行 60 米，一架由麻省理工學(xué)院團隊打造的十分特別的飛機，近日在學(xué)校的體育館內(nèi)完成了首次飛行。

這些數(shù)據(jù)似乎并沒有什么特殊的地方，但這架飛機本身卻是一個十足的“異類”：它卻是人類發(fā)明的第一架不配備任何活動部件、采用“離子推進”引擎的飛機。

自第一架飛機在 100 多年前飛行以來，天空中的幾乎每架飛機都借助于螺旋槳、渦輪葉片和風扇等活動部件飛行，這些部件由化石燃料的燃燒或產(chǎn)生的電池組供電，伴隨著它們整個飛行過程的是惱人的噪音和持續(xù)的排放。

而這架電動飛機和則完全不同，它沒有螺旋槳、沒有渦輪機，由帶電空氣分子碰撞而成的“離子風”提供了飛行所需的推力。正如飛機的發(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系統(tǒng)中沒有任何活動部件的飛機，將為飛機帶來新的可能性，未來的飛機會更安靜，機械設(shè)計更簡單，并且不會排放燃燒物?！?/p>

圖丨史蒂文·巴雷特（圖源：MIT）

他預(yù)計，在短期內(nèi)，這種離子風推進系統(tǒng)可用于飛行較少的嘈雜無人機。但在更進一步的發(fā)展中，巴雷特設(shè)想離子推進系統(tǒng)將會和傳統(tǒng)的燃燒系統(tǒng)相配合，以打造更省油的混合客機和其他大型飛機。

麻省理工學(xué)院團隊的這項成果發(fā)表在 11 月 21 日的Nature上。

靈感源于星際迷航

巴雷特透露，團隊的靈感部分來自科幻作品“星際迷航”。在他小的時候，他就非常喜歡這部片子，其中，那些看起來能夠毫不費力地在星際中穿梭的未來主義飛行器更是引起了他極大的興趣。

“這讓我不禁幻想，在遙遠的未來，飛機不應(yīng)該有螺旋槳和渦輪機，它們應(yīng)該只有藍色光芒的軌跡，安靜地在星際中飛行”，他說。

（圖源：MIT）

大約在九年前，巴雷特開始著手設(shè)計沒有活動部件的飛機推進系統(tǒng)。最終，他選擇了“離子風”（ionicwind），它也被稱為電動力學(xué)推力（electroaerodynamic，EAD）。

這種技術(shù)最初在 20 世紀 20 年代被提出，簡單來說，它描述了電流在薄電極和厚電極之間通過時可產(chǎn)生風，或者說推力。

而當施加的電壓足夠大時，電極之間的空氣可以產(chǎn)生足夠的推力來推進小型飛機。理論上來說，使用非常高的電壓時，基于 EAD 的推進器會在兩個電極周圍的空氣中產(chǎn)生離子，電極之間產(chǎn)生的電場將離子從較小的電極“甩到”較大的電極上，這些離子在行進時與正常的空氣分子碰撞，產(chǎn)生離子風并向前推動機器。另外，由于離子可以在兩個固定電極之間移動，因此機器不需要活動部件來為其供電。

（圖源：MIT）

這種技術(shù)目前已經(jīng)被 NASA 開發(fā)，并用于外太空，部署在一些衛(wèi)星和航天器上。由于太空的真空環(huán)境，這樣的系統(tǒng)電離的是氙氣，而巴雷特的飛機電離的是環(huán)境空氣中的氮分子。

那么，為什么科學(xué)家一直沒有在我們的飛機上使用這種技術(shù)呢？要知道，在太空中運用離子推進比在大氣中容易得多。衛(wèi)星在重力牽引下環(huán)繞地球飛行，離子推進器只是用作簡單的航向校正。相比之下，大氣中飛機必須要產(chǎn)生足夠的推力以保持其高空飛行，還要克服恒定的空氣阻力。

早在 20 世紀 60 年代時，研究人員也得出結(jié)論，這種技術(shù)無法創(chuàng)造維持飛行所需的推力水平。因此，多年來，EAD 主要是業(yè)余愛好者的項目，其應(yīng)用大部分僅限于小型臺式“升降機”，這些升降機與大型電壓源相連，為小型飛行器在空中短暫懸停創(chuàng)造足夠的風。人們普遍認為，在持續(xù)飛行中不可能產(chǎn)生足夠的離子風來推動更大的飛機。

2009 年，當時已是麻省理工學(xué)院航空航天學(xué)教授的史蒂文·巴雷特開始仔細研究這項技術(shù)時，他相信自己看到了其未開發(fā)的潛力。“受到飛機和宇宙飛船的相關(guān)科幻想法的啟發(fā)，我聯(lián)想到了物理學(xué)可以允許的東西”，他說。

他回憶道，有一次，他因為時差問題在一家酒店度過了一個不眠之夜?！拔以谒伎歼@個問題，并開始尋找可行的方法。我做了一些背后的計算，發(fā)現(xiàn)它可能成為一個可行的推進系統(tǒng)，”巴雷特說，“事實證明，我們多年的努力才實現(xiàn)了這個首次試飛?！?/p>

數(shù)百次失敗后的成功：比萊特兄弟的第一次飛行更遠

在進行了多次計算機模擬后，巴雷特團隊決定設(shè)計一架翼展 5 米，質(zhì)量為 2.45 千克，大約只相當于一只雞重量的飛機。

為了產(chǎn)生足夠強的電場，研究人員在飛機的機翼下方安裝了類似百葉窗的電極組，每個電極由帶正電荷的不銹鋼絲和由鋁覆蓋的帶有大量負電荷的泡沫片構(gòu)成。該飛機還帶有一個定制的電池組和一個變壓器，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險。

巴雷特團隊在麻省理工學(xué)院的體育館內(nèi)對飛機進行了飛行測試。該體育館是他們可以找到的最大的可以進行試驗的室內(nèi)空間。飛機產(chǎn)生的離子推力維持飛機飛行了 60 米（體育館內(nèi)的最長距離）。實驗人員重復(fù)了 10 次飛行，都達到了相似的表現(xiàn)。

巴雷特說，“我們經(jīng)歷了數(shù)次史詩般的撞機事故”。最終，該團隊設(shè)計了一個類似彈弓的裝置來幫助飛機起飛。經(jīng)過數(shù)百次失敗的嘗試后，飛機終于能夠用自我推進保持空中飛行。研究人員在本周的Nature報道中說，在 10 多次的試飛中，這架飛機在大約 10 秒內(nèi)飛行了 60 米，平均海拔高度為半米，比萊特兄弟的第一次飛行更遠。

但是，如果要商業(yè)化應(yīng)用，這種飛機還需要在重量、可靠性、成本方面多加考慮，這些都是至關(guān)重要的的因素，還有安全、續(xù)航里程也需要考慮。

“我們顯然還有很長的路要走，而且我們需要改進很多事情才能實現(xiàn)這個目標。我認為沒有什么能夠讓它從根本上變得不可能”，巴雷特說。比如，推力可以通過改進變壓器系統(tǒng)和電池，變得更加高效；測試不同方式產(chǎn)生離子，或?qū)⑼七M器集成到飛機的框架中可以減少阻力。法國國家研究機構(gòu) CNRS 和圖盧茲大學(xué)的流體力學(xué)研究員 Franck Plouraboué 表示，連接在飛機頂部的超輕型太陽能電池板可以為 EAD 飛機提供動力。

加州大學(xué)伯克利分校的電氣工程師 Daniel Drew 認為，“這是偉大的一步?！盌rew 正在研究EAD 微型機器人，并沒有參與這項研究。

（圖源：MIT）

然而，Drew 警告說，“如果他們想要將飛機尺寸做得更大，就會遇到很多問題?！彼f，基本問題是放大會不成比例。隨著飛機尺寸的增加，其重量將比其機翼面積增長得更快。因此，為了保持高空飛行，一架更大的飛機每單位機翼區(qū)域必須產(chǎn)生更多的推力，“從物理學(xué)的角度來看，這是非常難以實現(xiàn)的”。Drew 認為，未來我們更有可能先看到一系列較小的 EAD 飛機。

牛津熱流體研究所的研究人員 Priyanka Dhopade 說：“雖然距離現(xiàn)有的噴氣式航空發(fā)動機還有很長的路要走...... 電動力推進有可能成為短距離、小載荷無人機飛行的改變者?！?/p>

值得一提的是，首次試飛成功并沒有承載任何重物，但巴雷特不排除未來人類能搭乘這種飛機的可能性。

一次里程碑式的開端

目前，團隊開發(fā)出來的 EDA 系統(tǒng)的推進力還不足以滿足商用飛機的需求。

但巴雷特認為，它可以與噴氣發(fā)動機一起使用。他說，電動力推進系統(tǒng)可以嵌入飛機中，用于重新改變沿飛機行進的空氣，增加新的推進系統(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)院團隊計劃下一步關(guān)注的內(nèi)容。

巴雷特說，“這是我們可以設(shè)計的最簡單的離子推進飛機，它證明了離子推進飛機可以飛行。這離一架可以完成實用任務(wù)的飛機還有一段距離。實用飛機需要更高效，飛得更久，而且是室外飛行。”

（圖源：MIT）

法國圖盧茲流體力學(xué)研究所高級研究員 Franck Plouraboue 表示，這種新設(shè)計是展示 EDA 可行性的“重要一步”。他指出，在這之前，EDA 甚至不能實現(xiàn)幾克重的飛機飛行。Plouraboue 沒有參與這項研究，他說，“這個強力的試驗結(jié)果直接證明了離子推進飛機的穩(wěn)定飛行是可實現(xiàn)的。除了在無人機上的應(yīng)用之外，很難推斷它將來會對飛機推進產(chǎn)生多大影響。盡管如此，這不是研究的弱點，而是未來進展的開端，這一領(lǐng)域終將爆發(fā)?！?/p>

團隊也相信，就像 100 多年前萊特兄弟的早期實驗一樣，這樣一個小小的開端最終會改變航空的面貌。

“我們只用了幾年時間開發(fā)這項技術(shù)，”巴雷特說，“常規(guī)推進已經(jīng)發(fā)展了 100 年，但我認為我們可以實現(xiàn)新的目標。”

目前，巴雷特的團隊正致力于提高該飛機的效率，希望以更低的電壓產(chǎn)生更大的離子推力。研究人員還希望提高推力密度——單位面積產(chǎn)生的推力。另外，這款輕型飛機需要大面積的電極，這基本上構(gòu)成了飛機的“推進系統(tǒng)”。理想情況下，巴雷特希望設(shè)計一種沒有可見推進系統(tǒng)，以及沒有單獨控制單元的飛機。

（圖源：MIT）

1903 年，萊特兄弟發(fā)明的著名飛機“飛行者一號”第一次飛行成功時，引起了轟動。當時，飛行者一號使用的是原始的汽油發(fā)動機，通過傳動鏈使雙螺旋槳旋轉(zhuǎn)提供動力。

將近 115 年后的今天，我們終于看到了另一種飛機的雛形，它在飛行時像幽靈一樣安靜，而且沒有任何活動部件。未來的飛行究竟會如何演進，我們大可放飛想象。