[科普中国]-首架“电空气动力”飞机问世，通过放电制造“离子风”飞行

没有螺旋桨照样能飞。科学家研制出一架尺寸与汽车相当的新型飞机，通过对空气放电使其电离，可以产生从正极吹向负极的“离子风”，从而推动飞机前进。概念图：solid state airplane；供图：Steven Barrett，麻省理工学院科学家们发明了一架不用任何可动部件就能自行推进的飞机。它通过对周围的空气放电来产生“离子风”，从而推进自身前进。研究人员表示，尽管这种新型飞机离像传统飞机那样自由自在地载重飞行，还有很长的路要走，但总有一天，这项技术会在无声隐形飞机和微型无人机上得到应用。让飞机悄无声息地飞行自从莱特兄弟在100多年前开创性地实现动力飞行以来，几乎每架飞机都要借助螺旋桨或涡轮叶片等可动部件才能飞行。但最近几十年来，科学家们已经发现了新的飞行机制：飞机在不使用任何可动部件的情况下就能飞起来。该飞行机制被称为“电空气动力推进（electroaerodynamic thrust）”，是一种全固态的推进方式。图注：“全固态飞机”在试飞中拍摄的连续图像“从我还是个孩子的时候，就一直是《星际迷航》的粉丝。我一直在想，未来的飞行器应该是什么样的”，这项研究的通讯作者史蒂文.巴雷特(Steven Barrett)说道。目前，巴雷特是麻省理工学院(MIT)的一名航空航天工程师，他表示：“我不认为飞机必须要有螺旋桨或涡轮机，它们应该可以利用某种电磁推进装置悄无声息地滑翔，就像《星际迷航》里描写的那样。在我看到过的各种物理学原理中，唯一可能实现这个目标的就是电空气动力学。”用“离子风”推动飞机电空气动力飞机通过一个被称为“发射极”的电极来发送电流，这会使周围的空气充满能量（被电离），然后这些带电的空气分子会被吸引到飞机上的另一个电极附近，被称为“收集极”。这样，就形成了一股可以推进飞机的“离子风”。图注：对空气放电，使其电离，形成从正极到负极的“离子风”巴雷特说：“这种效应从上世纪20年代就已为人所知，但直到最近，人们都未能对电空气动力推进的物理机制有足够充分的了解，从而利用这一原理生产出真正的飞机。”到目前为止，电空气动力飞机大多数还停留在小型桌面“升降机”的阶段，只能在空中短暂地悬停。但经过九年的研究，巴雷特和同事们现在终于研制出第一架真正的电空气动力飞机，它能够产生足够的离子风来进行持续飞行。“人们过去都认为这是不可能的”，巴雷特说。首架“电空气动力”飞机这架新型飞机长约2米，翼展约5米。研究人员选择了一个相对较小的翼展来降低其重量，从而减少飞行所需的动力。该飞机的机翼是用碳纤维、巴尔沙轻木、挤塑聚苯乙烯和收缩性塑料薄膜制成，而机身则由碳纤维，凯夫拉尔纤维和挤塑聚苯乙烯制成。“一切都是为了使飞机尽可能的轻”，巴雷特说。到最后，这架飞机的总重量只有2.45千克，而且其中近一半的重量都来自电池和其他用于飞行的电子器件。飞机机身内装有锂聚合物电池。这些电池会对轻薄的正电极线路充电，这些线路就像栅栏一样沿着机翼的前缘排列在机翼下表面，作为产生离子风的发射极。而较厚的负电极线路则沿机翼的后缘排列在其下方，作为离子风的收集极。在试飞中，操纵者通过无线电信号来遥控飞机。飞机由富有弹力的蹦极绳索来发射，之后，所需的推进力则完全由离子风来提供。在研究中，并非每次试飞都能顺利进行。有时飞机会直接撞到墙上；还有几次，“我们把健身房作为测试场地时，飞机直接撞到了地板上，然后用4万伏特的高电压轰击了地板”，巴雷特说。图注：“电气动”飞机由“离子风”推动飞行尽管如此，科学家们通过反复测试表明，这架飞机每次可以飞行约55米，速度约为每小时17.3公里。法国图卢兹大学的流体力学研究员弗朗克.普拉布埃(Franck Plouraboué)表示：“这是一个很大的进步，因为之前所有用离子风飞起来的东西都只有几克重”，他没有参与这项研究。提高效率、消除所有“可动”部件目前，这种新型飞机将储能转化为推力的效率只有2.5%左右；相比之下，采用常规推进原理的飞机经过多年的优化，能量转化效率已接近50%。巴雷特说：“这里有一部分原因是，我们并没有为了效率而优化设计，而只是尽量减小飞机的尺寸、降低技术风险。”对于将要制作的第二架原型机，研究人员的目标是通过更低的电压来产生更强的离子风，从而使能量转化效率达到15%，他补充说。科学家们指出，电空气动力飞机会比常规飞机更安静，机械结构更简单，并且不会排放对环境有害的燃烧废气。他们补充说，由于这种飞机无需可动部件，还可能实现传统推进技术无法做到的飞机体型的极小化。不过巴雷特表示，当前的研究目标仍然是造出更有效率的飞机，让它们在执行实际任务之前，可以飞得更久，距离更远。图注：科幻场景中的电空气动力飞行器虽然这种飞机不需要可动部件来实现推进，但目前它仍然需要其他可动部件——比如方向舵——来控制飞行转向。科学家们希望在未来能够将这些可动部件也一并消除，“并通过改变电场（的强度和方向）来控制飞行”，巴雷特说。他们还想用与机身集成的电极来代替外挂式电极，“这样飞机的外壳就能直接变成推力发生器”，巴雷特表示。总之，研究人员们认为，他们的原型机比莱特兄弟的第一次试飞要顺利得多。 “关于这项技术的未来发展，我们还有很多想法想要去尝试”，巴雷特补充说。该研究的详细内容发表在11月22日的《自然》杂志上。作者 | Charles Q. Choi翻译 | 孟庆宇责编 | 高佩雯美国物理联合会（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience专栏独家供稿文章由腾讯科学“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”