编者按:本文来自于微信公众号 “量子位”(微信公众号:QbitAI), 动点科技经授权发布。

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?

逆变器:把直流电转换成 500~700 千赫兹的交流电;

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;

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。

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。

“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。