没有涡轮、无需燃料！MIT离子引擎飞机靠什么上天？｜Nature封面

晓查 发自 凹非寺 量子位 报道 | 公众号 QbitAI

这不是科幻小说，离子引擎飞机真的被造出来了！

“曲率引擎”、“离子引擎”等等激动人心的科幻名词，正在走进现实。

最近MIT又重新发明了飞机，实验成果登上了《自然》杂志封面。

这架飞机翼展5米，总重量仅2.5公斤，甚至连一个行李箱的重量都不到，飞行高度也只有1米左右。但它却是人类历史上第一架由离子引擎推动的飞机。

麻省理工学院航空航天副教授Steven Barrett说：“这是有史以来第一个推进系统没有活动部件的飞机。”

“这种飞机更安静，机械构造更简单，并且不会排放燃烧物。”

这架飞机究竟有何过人之处？它是一台纯固态发动机飞机：没有旋转部件，全靠一个叫“离子引擎”的东西驱动。

没有风扇，全靠电池

离子引擎和涡轮风扇发动机有何不同？

普通飞机的发动机看起来就像是一个大号的吹风机，旋转的风扇不断把空气吹向后方，为机翼提供升力。

离子发动机也是靠吹风，不过它没有“风扇”，而是靠电场造出的“离子风”。

这种现象在生活中很常见，我们插电时冒出的电火花就是空气被电离造成的。

电压越高，离子被加速得越快。 Barrett教授的团队使用了54节3.7伏锂聚合物电池，大约能提供200伏特的电压。但这点电压对于离子引擎来说还是太低了。

为此，他们设计了一种能够将电池输出转换为高压电来推动飞机的电源。 通过这种方式，电池最终将输出4万伏的高压。

把200伏直流电变成4万伏高压电，需要几步？

1. 逆变器：把直流电转换成500~700千赫兹的交流电；
2. 变压器：把低压交流电转化为高压交流电，实验中使用的是1:15倍升压，将电压升至7千伏；
3. 电压倍增器：把交流电转变成更高电压的直流电，从7千伏交流电变成4万伏直流电。

经过这三步产生的电压可以放出巨大的电火花，你甚至可以用它治疗网瘾（大误）。

也许你会问，为什么要把直流变成交流，然后再转换成直流呢？这是一个很有趣问题，100年前的特斯拉和爱迪生也为这件事争执过，后来特斯拉赢了。

有了4万伏高压，我们就可以用它来电离空气了。

一旦给导线通上电，强大的电场就会让正极吸引周围的氮气分子，把电子从氮气分子上剥离出来，就像巨大的磁铁吸引铁屑一样。本来中性的氮气分子在失去电子后，变成了带正电的离子。

△ 一个分子撞击多个分子，dai'odaida导致雪崩式电离

被电离的氮气气分子又被吸引到带负电的电极，在赶去负极的路上，氮离子又会撞上其他氮气分子，把它们变成正离子，就好像“雪崩”一样。

正离子在高电压作用下飞向飞机尾部，形成一种离子组成的“风”。

在这个过程中，每个离子与其他空气分子碰撞数百万次，产生推动飞机前进的推力。

现代版莱特兄弟

在MIT的一座室内体育馆，Barrett教授的团队开展了他的实验。

飞机以大约5米/秒速度平稳飞行了60米，直至撞上墙壁。研究者共进行了10次测试，飞机在每次测试中都有稳定的表现。期间没有动力耗尽的迹象，也没有噪音。

发动机提供了3.2牛顿的力，大约相当于提起6个鸡蛋的重量。

经过推算，离子引擎大约让飞机上升了0.47米。

感觉就像是莱特兄弟第一次成功试飞的实验。

但这项技术不该被嘲笑，就像当初莱特兄弟的实验一样。

高效无污染的离子引擎

“想象一下，10年或20年后，无人机将无处不在，这意味着我们耳边将全是无人机的噪音。而我们，能让它们变安静。”Barrett教授说。

在这样的飞机上，你不再需要降噪耳机。

现在每天在空中飞行的客机都会排放大量温室气体。一般的国内航班一次飞行需要添加数吨燃油，最终这些燃油将变成二氧二碳被排放到空气中。

而离子引擎不需要燃料，不会排放污染物，是一种清洁能源。简直可以说是“飞机中的特斯拉”。

此外，离子引擎的“比冲”极高。比冲就是发动机的效率，可以理解为单位重量“燃料”让飞船获得的速度。

燃料从发动机尾部喷出的速度越快，比冲越大，飞机消耗的燃料就越少。

离子虽然没有燃烧，但是在强大电场的作用下，“燃料”却会以每秒1万米的速度喷出。

在《火星救援》中，马特·达蒙一帮宇航员乘坐的飞船就使用了离子引擎，一开始引擎的力量很小，但是在无空气阻力的太空中，经过常年累月的加速，飞船将达到非常惊人的速度。而且它的效率是普通火箭发动机效率的10倍以上！

实用化问题

这项技术如此强大，甚至早在上世纪20年代前就被研究过，为何迟迟无法商用化？

主要有以下几点原因：

离子引擎的推力太低，之前提到过它只能带起2.5kg的飞机，甚至还不到一个乘客免费托运行李的重量。因此NASA只能首先把它用在微重力、无空气阻力的太空。

△ 用于宇宙飞船的离子推进器

“充电2小时，飞行1分钟”。这台飞机引擎的输入功率是600瓦，54节锂电池大约只能供电90秒。

效率太低。输入功率600瓦，输出功率只有15瓦。MIT这架飞机最终实测效率仅2.5%左右，如果不解决效率问题，将难以实用化。

Barrett教授并不幻想“离子引擎”飞机很快就能用上。

他预计，在短期内，这种离子风推进系统可用于飞行时间较短的无人机，避免恼人的螺旋桨噪声问题。

他还设想，离子引擎可以和燃油发动机配合，以创造更省油的混合动力客机和其他大型飞机。

或许正如115年前的莱特兄弟，这次飞行可能将颠覆未来的航空业。

这篇Nature论文就在这里：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0707-9

One More Thing

有朋友问：没有风扇的引擎能不能用来做无风扇吹风机，顺便颠覆一下戴森？

风力是足够了，但也附赠了4万伏的高压。（微笑.jpg）

— 完 —

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