科幻照进现实：离子推进飞机重新定义了飞行！

互推小编 2023-06-11

人类从来不满足于行走在二维的地球表面上，而是想要像鸟儿一样在空中飞翔。在古希腊神话中，我们看到了伊卡洛斯披戴着用蜡和羽毛制作的翅膀飞向太阳的画面。而真正尝试为人类插上翅膀的研究则始于几百年前。

1502年，达芬奇研究鸟类的翅膀，尝试制作机械飞行器。

1799年，乔治·凯利爵士（Sir George Cayley）提出现代飞机的概念，这种飞行器有着固定的机翼，独立的上升、推进、控制系统。

1856年，勒·布里斯（Jean-Marie Le Bris）让一匹马在沙滩上拉着他的滑翔机”人造信天翁“进行了第一次动力飞行。

1867到1896年，“蝙蝠侠” 李林塔尔（Otto Lilienthal）发展了比空气重的飞行器。

1903年12月17日，莱特兄弟发明了第一架飞机，并进行了”第一次重于空气的航空器进行的受控的持续动力飞行“。

1939年，出现第一架涡轮喷气式飞机。

2018年11月，MIT的工程师成功地用离子风推动飞机，不用螺旋桨，不用涡轮机，没有任何动的部件。

○ MIT科学家研发的飞机类似于一架巨大的、质量很轻的滑翔机。在机翼下方有着栅栏一样排列的电线阵列（蓝/白色水平横杆），这些电线作为带电荷的电极，产生离子风，推动飞机前进。| 图片来源：Christine Y. He

离子风到底是什么？竟然可以让飞机不用扇动翅膀，不用转动螺旋桨，也不用涡轮机喷射燃料气体，就能飞翔？下面一幅图会告诉你其中的奥秘。

○ 离子风如何让飞机飞翔？ | 图片来源：Guardian graphic. Source: Steven Barrett, MIT

正如同喷气式飞机能够飞行是因为牛顿第三定律——燃料的推力会产生反冲力，离子风驱动飞机的原理也很简单：正电极的高压电场会吸引自由电子，这些电子与周围的空气分子碰撞，释放出更多自由电子，这个过程被称为电子级联。而电离的正离子会沿着电场向负电极移动，与周围的数百万的空气分子碰撞，形成离子风。

○ 离子风。| 图片来源：MIT

事实上，离子风也被称为电空气动力推力，它的物理学原理在上世纪20年代的时候就已经被提出：如果在两个电极（一薄一厚）之间通上电流，就会产生离子风；如果电压足够强，那么，电极之间的空气将能够驱动一架小型飞机。

但是，从理论到现实的道路却无比漫长。很多年以来，摆弄一个小小的飞行器，用巨大的电压产生一点点离子风，恰好足够让它在桌面上空盘旋片刻，人们就心满意足了。要产生足够强的离子风来驱动一架大型飞机持续飞行，那简直是遥不可及的事情。

然而，MIT的航空学与航天学专家Steven Barrett想要实现自己儿时的想法：未来的飞机应该像《星际迷航》中的飞行器一样，没有螺旋桨，也没有涡轮机，可以悄无声息地从空中掠过，不用动一下任何部件。

上世纪60年代，许多研究都为离子风推进器敲响着丧钟，当时的结果表明，只有大约1%的输入电能最终会被用于驱动。但是，至少有三个因素让离子风依然吸引着飞行器研究者的注意：首先，当飞机的速度提高时，能量转换率会显著提高，例如，当飞行速度达到300米每秒时，能量转换率可以高达50%。其次，许多研究表明，离子风能够增强机翼的空气动力。第三，该技术可以促进所谓的分布式推进的发展，这被认为是飞行术需要改进的一个主要方向。

在一个被时差搅扰的不眠之夜，Barrett开始在信封背面进行计算，结果发现，或许离子风会是一种可行的驱动系统。

然而，一个更为具体的问题接踵而至——离子风推进器的设计如何实现？这需要电子学研究小组的帮助。离子飞机团队的另一位成员David Perreault设计了一种锂聚合物电池，可以通过一个轻质的电源转换器将电池的能量有效地转化为高压电，通过这种方式，电池能够为电极提供4万伏电压，产生足够强的离子风，推动飞机飞行。

终于，经过九年的努力，以及无数次的失败，他们设计的飞机试飞成功——在一个无风的体育馆里飞行了60米，持续时间12秒！