麻省理工重新发明飞机:无需燃料每秒万米喷射

2019-01-05 12:58:56 围观 : 73

  MIT重新发明了飞机——无需燃料,没有风扇,机舱更加安静,并且不会排放燃烧物,这项实验登上了《自然》的封面。

  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。

  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”。这是一台纯固态发动机飞机:没有旋转部件,全靠“离子引擎”驱动。

  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。

  当然,出于离子引擎推力和效率过低的缘故,距离它的实用化还有一段程,但或许正如115年前的莱特兄弟,这次飞行可能将未来的航空业。

  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。

  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”。

  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。

  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。

  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,把电子从氮气上剥离出来,就像巨大的磁铁吸引铁屑一样。本来中性的氮气在失去电子后,变成了带正电的离子。

  被电离的氮气气又被吸引到带负电的电极,在赶去负极的上,氮离子又会撞上其他氮气,把它们变成正离子,就好像“雪崩”一样。

  在这个过程中,每个离子与其他空气碰撞数百万次,产生推动飞机前进的推力。

  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。

  “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。

  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。

  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!

  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?

  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。

  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。