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

○ 离子风飞机重2.45千克,机翼展开的宽度约为5米。不用涡轮机,不用化石燃料,不用任何动的部件,而是直接用电,电离的空气分子形成离子风,推动飞机“静悄悄”飞行了60米。重复10次,每次都能够平稳飞行。| 视频来源:MIT

从基本的物理学原理到构想出一件真正可以飞行的物件是一段漫漫长路,然后还要设计、制造。目前的离子飞机不过是最简单的设计,但是,它证明离子飞机——它更安全、没有噪音、不消耗化石燃料也不排放燃烧废气——是能够飞行的,这为飞机设计和制造开创了一种崭新的、未经探索的可能性

○ 离子风飞机或许可以用来驱动小型无人机,甚至是轻型飞机。| 图片来源:MIT Electric Aircraft Initiative

从人类想要像鸟儿一样飞翔,到1799年提出具有固定机翼的现代飞机的概念,再到1903年莱特兄弟制造出第一架飞机,人类一直在努力前行。离子飞机技术还需要很多改进,才能经得起风雨,才能穿越大洲大洋,但是Barrett说:”我相信我们可以做到。”

参考来源:

http://news.mit.edu/2018/first-ionic-wind-plane-no-moving-parts-1121

https://www.nature.com/articles/d41586-018-07411-z

https://www.theguardian.com/science/2018/nov/21/first-ever-plane-with-no-moving-parts-takes-flight

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