告別引擎：離子推進飛機帶來航空工業新可能

Angus Chen 李雨蒙

1903 年，萊特兄弟發明的飛機“飛行者一號”第一次飛行成功。這時的飛行者一號由原始的汽油發動，通過傳動鏈使雙螺旋槳旋轉提供動力。115 年后的今天，航空工程師Steven Barrett在麻省理工學院體育館，成功試飛了首架離子風推動飛機，由電子引擎通過創造帶電粒子產生動力飛行，推動航空業的新發展。

研究者Barrett的設計靈感來源于《星際迷航》。《星際迷航》里如夢似幻的各色飛行器，成為他夢想中未來飛機的模樣。大約在9年前，Barrett開始著手設計沒有活動部件的飛機推進系統。Barrett認為離子風（ionicwind）能夠滿足飛機推進的要求，于是用了8年時間研究這項技術，并設計制作了一架微縮飛機。

Barrett采用的推進方案是電空氣動力學——即“離子風”。當氣流經過兩個電極之間時，每當施加足夠的電壓，電極間的空氣分子就會被電極另一端吸引，在移動過程中與周圍空氣分子碰撞從而產生推力。Barrett設想，在電壓足夠高的情況下，離子風或許就可以推動小型飛行器。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。

1960年代時，也曾有人提出離子推動飛行的理論，可是科學界普遍認為離子風無法維持飛行所需的推力水平。可2009年，當Barrett開始仔細研究這項技術時，他看到了這項技術未被開發的潛力。“受到飛機和宇宙飛船的相關科幻想法的啟發，我聯想到了在物理學中能夠運用的技術。”Barrett說到，“在思考這項技術時，我做了許多計算，并開始尋找可行的方法。結果發現離子風可以成為一個有效的推進系統。”Barrett對離子推進技術抱有很高的期望，為它命名“版本2”，他表示：“在我們開始試飛之前，我認為有50%的成功機會，但我在麻省理工學院的同事，覺得成功試飛的幾率只有1%。”

經過多次的計算機模擬后，Barrett團隊決定設計一架翼展5米，質量為2.45千克，大約只相當于一只雞重量的飛機。為了產生足夠強的電場，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板構成。同時，這只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4萬伏。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閉，因此可以避免安全風險。為了確保“第二版”飛行，機身上安置了大面積的電極。而研究團隊的最終目標，是讓包括電極在內的飛機推進系統不可見。

Barrett表示：“我們經歷了數次重大的撞機事故。”最后，團隊設計出一個類似彈弓的裝置來幫助飛機起飛。又經過數百次失敗的調整后，飛機終于能夠靠自我推進保持空中飛行。研究團隊在麻省理工學院的體育館內對飛機進行了飛行測試。體育館最長距離是60米，在10多次的試飛中，這架飛機在大約10秒內飛行了60米，平均海拔高度為半米，比萊特兄弟的第一次飛行飛得更遠。不過，如果想要商業化應用這項技術，還需要考慮重量、可靠性、成本等多方面因素，同時還有安全、續航里程等問題。

試飛期間，飛機沒有產生廢氣，也沒有惱人的噪音。飛機上的電池向前端的金屬（正極）施加2萬伏電壓。高壓將空氣中氮氣的電子剝離，氮原子變為帶正電荷的離子。而后側的金屬帶負電荷（負極），氮正離子就像被磁鐵吸引的鐵屑，迅速向后排移動。“沿途它們會與數百萬的中性空氣分子碰撞。”Barrett表示，這些空氣分子如同被撞擊的臺球，被推向飛機后方，從而產生足夠的推動力。

Barrett團隊此次的另一項技術創新就是設計發明了一項輕量而高強度的電力系統。研究人員表示，過去無人嘗試過將飛機上的電力從輕量電池有效地轉化為足夠推進器使用的充足電壓。“其中，最大的挑戰是需要2萬至3萬伏的電壓才能進行工作”。飛機上的高電壓來之不易。想要在飛機上施加4萬伏的電壓，這樣的技術根本不存在。

而如今Barrett團隊找到有效的解決方法。他們為機身安裝了一排聚合物鋰電池，電池通過輕便的轉換器，提供了飛機所需的高電壓。最后，Barrett運用計算機模型，充分調動利用了飛機上每一個設計零部件，從推進器、電子系統設計，再到連接整個飛機的線路。“電源轉換器，電池，機身，每一個地方都做到最優化。”經過數百次的調整，研究團隊最終成功獲得“第二版”飛機。

美國密歇根大學的航空工程師Alec Gallimore表示，這項技術突破充分地證明了離子推進器能夠在地球上運用，只是目前在應用的性能上還有所限制。雖然目前離子推進器還無法與螺旋飛行器和噴氣飛行器的動力相比，不過離子推進器具有一項關鍵的優勢，就是不會產生噪音。或許在不久的將來，離子推進器就能夠應用于遙控飛機、快遞、攝影或是環境監控，試想10年、20年之后我們可以應用安靜無聲的飛行器，幫助我們完成這些事情。

Barrett表示：“當然，距離真正運用離子推進飛機，我們還有很長的路要走，比如，改進變壓器系統和電池改善推力，測試不同方式產生離子，將推進器集成到飛機的框架中以減少阻力。”而法國國家研究機構CNRS的流體力學研究員Franck Plouraboué表示：“連接在飛機頂部的超輕型太陽能電池板，或許可以為離子風飛機提供動力。”而加州大學伯克利分校的電氣工程師DanielDrew也認為，“這是非常偉大的一次進步。”

雖然離子風推進力還不足以滿足商用飛機的需求，但Barrett認為，這項技術可以與噴氣發動機一起使用。電動力推進系統可以嵌入飛機中，用于重新改變沿飛機行進的空氣，增加新的推進系統可以消除阻力并提高燃油效率。因此，除了優化原型工藝之外，下一步Barrett期望離子風推進技術能夠與傳統的燃燒系統相結合，制造油耗更低的“混合型”客機，以及其他大型飛行器。正如115年前那次持續了12秒的飛行一樣，或許這次的試飛也可能在未來改變甚至顛覆整個航空界。

編譯自《科學美國人》雜志

（責任編輯 姜懿翀）