一架由麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)打造的十分特別的飛機(jī)，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(tuán)隊(duì)打造的十分特別的飛機(jī)，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(méi)有什么特殊的地方，但這架飛機(jī)本身卻是一個(gè)十足的“異類(lèi)”：它卻是人類(lèi)發(fā)明的第一架不配備任何活動(dòng)部件、采用“離子推進(jìn)”引擎的飛機(jī)。

自第一架飛機(jī)在 100 多年前飛行以來(lái)，天空中的幾乎每架飛機(jī)都借助于螺旋槳、渦輪葉片和風(fēng)扇等活動(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，伴隨著它們整個(gè)飛行過(guò)程的是惱人的噪音和持續(xù)的排放。

而這架電動(dòng)飛機(jī)和則完全不同，它沒(méi)有螺旋槳、沒(méi)有渦輪機(jī)，由帶電空氣分子碰撞而成的“離子風(fēng)”提供了飛行所需的推力。正如飛機(jī)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(shuō)：“這是史上第一架推進(jìn)系統(tǒng)中沒(méi)有任何活動(dòng)部件的飛機(jī)，將為飛機(jī)帶來(lái)新的可能性，未來(lái)的飛機(jī)會(huì)更安靜，機(jī)械設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，并且不會(huì)排放燃燒物。”

圖丨史蒂文·巴雷特（圖源：MIT）

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

麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)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(tuán)隊(duì)的靈感部分來(lái)自科幻作品“星際迷航”。在他小的時(shí)候，他就非常喜歡這部片子，其中，那些看起來(lái)能夠毫不費(fèi)力地在星際中穿梭的未來(lái)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(yuǎn)的未來(lái)，飛機(jī)不應(yīng)該有螺旋槳和渦輪機(jī)，它們應(yīng)該只有藍(lán)色光芒的軌跡，安靜地在星際中飛行”，他說(shuō)。

（圖源：MIT）

大約在九年前，巴雷特開(kāi)始著手設(shè)計(jì)沒(méi)有活動(dòng)部件的飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)。最終，他選擇了“離子風(fēng)”（ionicwind），它也被稱(chēng)為電動(dòng)力學(xué)推力（electroaerodynamic，EAD）。

這種技術(shù)最初在 20 世紀(jì) 20 年代被提出，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它描述了電流在薄電極和厚電極之間通過(guò)時(shí)可產(chǎn)生風(fēng)，或者說(shuō)推力。

而當(dāng)施加的電壓足夠大時(shí)，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)。理論上來(lái)說(shuō)，使用非常高的電壓時(shí)，基于 EAD 的推進(jìn)器會(huì)在兩個(gè)電極周?chē)目諝庵挟a(chǎn)生離子，電極之間產(chǎn)生的電場(chǎng)將離子從較小的電極“甩到”較大的電極上，這些離子在行進(jìn)時(shí)與正常的空氣分子碰撞，產(chǎn)生離子風(fēng)并向前推動(dòng)機(jī)器。另外，由于離子可以在兩個(gè)固定電極之間移動(dòng)，因此機(jī)器不需要活動(dòng)部件來(lái)為其供電。

（圖源：MIT）

這種技術(shù)目前已經(jīng)被 NASA 開(kāi)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(jī)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(méi)有在我們的飛機(jī)上使用這種技術(shù)呢？要知道，在太空中運(yùn)用離子推進(jìn)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(jìn)器只是用作簡(jiǎn)單的航向校正。相比之下，大氣中飛機(jī)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(jì) 60 年代時(shí)，研究人員也得出結(jié)論，這種技術(shù)無(wú)法創(chuàng)造維持飛行所需的推力水平。因此，多年來(lái)，EAD 主要是業(yè)余愛(ài)好者的項(xiàng)目，其應(yīng)用大部分僅限于小型臺(tái)式“升降機(jī)”，這些升降機(jī)與大型電壓源相連，為小型飛行器在空中短暫懸停創(chuàng)造足夠的風(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)。

2009 年，當(dāng)時(shí)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(kāi)始仔細(xì)研究這項(xiàng)技術(shù)時(shí)，他相信自己看到了其未開(kāi)發(fā)的潛力?！笆艿斤w機(jī)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(shuō)。

他回憶道，有一次，他因?yàn)闀r(shí)差問(wèn)題在一家酒店度過(guò)了一個(gè)不眠之夜。“我在思考這個(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)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，我們多年的努力才實(shí)現(xiàn)了這個(gè)首次試飛。”

數(shù)百次失敗后的成功：比萊特兄弟的第一次飛行更遠(yuǎn)

在進(jìn)行了多次計(jì)算機(jī)模擬后，巴雷特團(tuán)隊(duì)決定設(shè)計(jì)一架翼展 5 米，質(zhì)量為 2.45 千克，大約只相當(dāng)于一只雞重量的飛機(jī)。

為了產(chǎn)生足夠強(qiáng)的電場(chǎng)，研究人員在飛機(jī)的機(jī)翼下方安裝了類(lèi)似百葉窗的電極組，每個(gè)電極由帶正電荷的不銹鋼絲和由鋁覆蓋的帶有大量負(fù)電荷的泡沫片構(gòu)成。該飛機(jī)還帶有一個(gè)定制的電池組和一個(gè)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(jī)外，但它們可以通過(guò)遙控器打開(kāi)或關(guān)閉，因此可以避免安全風(fēng)險(xiǎn)。

巴雷特團(tuán)隊(duì)在麻省理工學(xué)院的體育館內(nèi)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行了飛行測(cè)試。該體育館是他們可以找到的最大的可以進(jìn)行試驗(yàn)的室內(nèi)空間。飛機(jī)產(chǎn)生的離子推力維持飛機(jī)飛行了 60 米（體育館內(nèi)的最長(zhǎng)距離）。實(shí)驗(yàn)人員重復(fù)了 10 次飛行，都達(dá)到了相似的表現(xiàn)。

巴雷特說(shuō)，“我們經(jīng)歷了數(shù)次史詩(shī)般的撞機(jī)事故”。最終，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)類(lèi)似彈弓的裝置來(lái)幫助飛機(jī)起飛。經(jīng)過(guò)數(shù)百次失敗的嘗試后，飛機(jī)終于能夠用自我推進(jìn)保持空中飛行。研究人員在本周的Nature報(bào)道中說(shuō)，在 10 多次的試飛中，這架飛機(jī)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(yuǎn)。

但是，如果要商業(yè)化應(yīng)用，這種飛機(jī)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(zhǎng)的路要走，而且我們需要改進(jìn)很多事情才能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。我認(rèn)為沒(méi)有什么能夠讓它從根本上變得不可能”，巴雷特說(shuō)。比如，推力可以通過(guò)改進(jìn)變壓器系統(tǒng)和電池，變得更加高效；測(cè)試不同方式產(chǎn)生離子，或?qū)⑼七M(jìn)器集成到飛機(jī)的框架中可以減少阻力。法國(guó)國(guó)家研究機(jī)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(jī)頂部的超輕型太陽(yáng)能電池板可以為 EAD 飛機(jī)提供動(dòng)力。

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

（圖源：MIT）

然而，Drew 警告說(shuō)，“如果他們想要將飛機(jī)尺寸做得更大，就會(huì)遇到很多問(wèn)題。”他說(shuō)，基本問(wèn)題是放大會(huì)不成比例。隨著飛機(jī)尺寸的增加，其重量將比其機(jī)翼面積增長(zhǎng)得更快。因此，為了保持高空飛行，一架更大的飛機(jī)每單位機(jī)翼區(qū)域必須產(chǎn)生更多的推力，“從物理學(xué)的角度來(lái)看，這是非常難以實(shí)現(xiàn)的”。Drew 認(rèn)為，未來(lái)我們更有可能先看到一系列較小的 EAD 飛機(jī)。

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

值得一提的是，首次試飛成功并沒(méi)有承載任何重物，但巴雷特不排除未來(lái)人類(lèi)能搭乘這種飛機(jī)的可能性。

一次里程碑式的開(kāi)端

目前，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出來(lái)的 EDA 系統(tǒng)的推進(jìn)力還不足以滿(mǎn)足商用飛機(jī)的需求。

但巴雷特認(rèn)為，它可以與噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)一起使用。他說(shuō)，電動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)可以嵌入飛機(jī)中，用于重新改變沿飛機(jī)行進(jìn)的空氣，增加新的推進(jìn)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(tuán)隊(duì)計(jì)劃下一步關(guān)注的內(nèi)容。

巴雷特說(shuō)，“這是我們可以設(shè)計(jì)的最簡(jiǎn)單的離子推進(jìn)飛機(jī)，它證明了離子推進(jìn)飛機(jī)可以飛行。這離一架可以完成實(shí)用任務(wù)的飛機(jī)還有一段距離。實(shí)用飛機(jī)需要更高效，飛得更久，而且是室外飛行?！?/p>

（圖源：MIT）

法國(guó)圖盧茲流體力學(xué)研究所高級(jí)研究員 Franck Plouraboue 表示，這種新設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)幾克重的飛機(jī)飛行。Plouraboue 沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，他說(shuō)，“這個(gè)強(qiáng)力的試驗(yàn)結(jié)果直接證明了離子推進(jìn)飛機(jī)的穩(wěn)定飛行是可實(shí)現(xiàn)的。除了在無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用之外，很難推斷它將來(lái)會(huì)對(duì)飛機(jī)推進(jìn)產(chǎn)生多大影響。盡管如此，這不是研究的弱點(diǎn)，而是未來(lái)進(jìn)展的開(kāi)端，這一領(lǐng)域終將爆發(fā)?！?/p>

團(tuán)隊(duì)也相信，就像 100 多年前萊特兄弟的早期實(shí)驗(yàn)一樣，這樣一個(gè)小小的開(kāi)端最終會(huì)改變航空的面貌。

“我們只用了幾年時(shí)間開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，”巴雷特說(shuō)，“常規(guī)推進(jìn)已經(jīng)發(fā)展了 100 年，但我認(rèn)為我們可以實(shí)現(xiàn)新的目標(biāo)。”

目前，巴雷特的團(tuán)隊(duì)正致力于提高該飛機(jī)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(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，巴雷特希望設(shè)計(jì)一種沒(méi)有可見(jiàn)推進(jìn)系統(tǒng)，以及沒(méi)有單獨(dú)控制單元的飛機(jī)。

（圖源：MIT）

1903 年，萊特兄弟發(fā)明的著名飛機(jī)“飛行者一號(hào)”第一次飛行成功時(shí)，引起了轟動(dòng)。當(dāng)時(shí)，飛行者一號(hào)使用的是原始的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)傳動(dòng)鏈?zhǔn)闺p螺旋槳旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力。

將近 115 年后的今天，我們終于看到了另一種飛機(jī)的雛形，它在飛行時(shí)像幽靈一樣安靜，而且沒(méi)有任何活動(dòng)部件。未來(lái)的飛行究竟會(huì)如何演進(jìn)，我們大可放飛想象。