告别引擎：离子推进飞机带来航空工业新可能

　　1903年，莱特兄弟发明的飞机“飞行者一号”第一次飞行成功。这时的飞行者一号由原始的汽油发动，通过传动链使双螺旋桨旋转提供动力。115 年后的今天，航空工程师Steven Barrett在麻省理工学院体育馆，成功试飞了首架离子风推动飞机，由电子引擎通过创造带电粒子产生动力飞行，推动航空业的新发展。

　　研究者Barrett的设计灵感来源于《星际迷航》。《星际迷航》里如梦似幻的各色飞行器，成为他梦想中未来飞机的模样。大约在9年前，Barrett开始着手设计没有活动部件的飞机推进系统。Barrett认为离子风（ionicwind）能够满足飞机推进的要求，于是用了8年时间研究这项技术，并设计制作了一架微缩飞机。

　　Barrett采用的推进方案是电空气动力学——即“离子风”。当气流经过两个电极之间时，每当施加足够的电压，电极间的空气分子就会被电极另一端吸引，在移动过程中与周围空气分子碰撞从而产生推力。Barrett设想，在电压足够高的情况下，离子风或许就可以推动小型飞行器。另外，由于离子可以在两个固定电极之间移动，因此机器不需要活动部件来为其供电。

　　1960年代时，也曾有人提出离子推动飞行的理论，可是科学界普遍认为离子风无法维持飞行所需的推力水平。可2009年，当Barrett开始仔细研究这项技术时，他看到了这项技术未被开发的潜力。“受到飞机和宇宙飞船的相关科幻想法的启发，我联想到了在物理学中能够运用的技术。”Barrett说到，“在思考这项技术时，我做了许多计算，并开始寻找可行的方法。结果发现离子风可以成为一个有效的推进系统。”Barrett对离子推进技术抱有很高的期望，为它命名“版本2”，他表示：“在我们开始试飞之前，我认为有50%的成功机会，但我在麻省理工学院的同事，觉得成功试飞的几率只有1%。”

　　经过多次的计算机模拟后，Barrett团队决定设计一架翼展5米，质量为2.45千克，大约只相当于一只鸡重量的飞机。为了产生足够强的电场，研究人员在飞机的机翼下方安装了类似百叶窗的电极组，每个电极由带正电荷的不锈钢丝和由铝覆盖的带有大量负电荷的泡沫板构成。同时，这只飞机还带有一个定制的电池组和一个变压器，变压器可以将电池的电压从大约200伏升至4万伏。高压充电的电极暴露在飞机外，但它们可以通过遥控器打开或关闭，因此可以避免安全风险。为了确保“第二版”飞行，机身上安置了大面积的电极。而研究团队的最终目标，是让包括电极在内的飞机推进系统不可见。

　　Barrett表示：“我们经历了数次重大的撞机事故。”最后，团队设计出一个类似弹弓的装置来帮助飞机起飞。又经过数百次失败的调整后，飞机终于能够靠自我推进保持空中飞行。研究团队在麻省理工学院的体育馆内对飞机进行了飞行测试。体育馆最长距离是60米，在10多次的试飞中，这架飞机在大约10秒内飞行了60米，平均海拔高度为半米，比莱特兄弟的第一次飞行飞得更远。不过，如果想要商业化应用这项技术，还需要考虑重量、可靠性、成本等多方面因素，同时还有安全、续航里程等问题。

　　试飞期间，飞机没有产生废气，也没有恼人的噪音。飞机上的电池向前端的金属（正极）施加2万伏电压。高压将空气中氮气的电子剥离，氮原子变为带正电荷的离子。而后侧的金属带负电荷（负极），氮正离子就像被磁铁吸引的铁屑，迅速向后排移动。“沿途它们会与数百万的中性空气分子碰撞。”Barrett表示，这些空气分子如同被撞击的台球，被推向飞机后方，从而产生足够的推动力。

　　Barrett团队此次的另一项技术创新就是设计发明了一项轻量而高强度的电力系统。研究人员表示，过去无人尝试过将飞机上的电力从轻量电池有效地转化为足够推进器使用的充足电压。“其中，最大的挑战是需要2万至3万伏的电压才能进行工作”。飞机上的高电压来之不易。想要在飞机上施加4万伏的电压，这样的技术根本不存在。

　　而如今Barrett团队找到有效的解决方法。他们为机身安装了一排聚合物锂电池，电池通过轻便的转换器，提供了飞机所需的高电压。最后，Barrett运用计算机模型，充分调动利用了飞机上每一个设计零部件，从推进器、电子系统设计，再到连接整个飞机的线路。“电源转换器，电池，机身，每一个地方都做到最优化。”经过数百次的调整，研究团队最终成功获得“第二版”飞机。

　　美国密歇根大学的航空工程师Alec Gallimore表示，这项技术突破充分地证明了离子推进器能够在地球上运用，只是目前在应用的性能上还有所限制。虽然目前离子推进器还无法与螺旋飞行器和喷气飞行器的动力相比，不过离子推进器具有一项关键的优势，就是不会产生噪音。或许在不久的将来，离子推进器就能够应用于遥控飞机、快递、摄影或是环境监控，试想10年、20年之后我们可以应用安静无声的飞行器，帮助我们完成这些事情。

　　Barrett表示：“当然，距离真正运用离子推进飞机，我们还有很长的路要走，比如，改进变压器系统和电池改善推力，测试不同方式产生离子，将推进器集成到飞机的框架中以减少阻力。”而法国国家研究机构CNRS的流体力学研究员Franck Plouraboué表示：“连接在飞机顶部的超轻型太阳能电池板，或许可以为离子风飞机提供动力。”而加州大学伯克利分校的电气工程师DanielDrew也认为，“这是非常伟大的一次进步。”

　　虽然离子风推进力还不足以满足商用飞机的需求，但Barrett认为，这项技术可以与喷气发动机一起使用。电动力推进系统可以嵌入飞机中，用于重新改变沿飞机行进的空气，增加新的推进系统可以消除阻力并提高燃油效率。因此，除了优化原型工艺之外，下一步Barrett期望离子风推进技术能够与传统的燃烧系统相结合，制造油耗更低的“混合型”客机，以及其他大型飞行器。正如115年前那次持续了12秒的飞行一样，或许这次的试飞也可能在未来改变甚至颠覆整个航空界。

　　编译自《科学美国人》杂志

　　文/Angus Chen 编译/李雨蒙