離子風(fēng)推進系統(tǒng)可用于飛行較少噪音的無人機

自從第一架飛機在100多年前飛行以來，天空中的幾乎所有飛機都借助于螺旋槳，渦輪葉片和風(fēng)扇等運動部件飛行，這些部件由化石燃料的燃燒或產(chǎn)生的電池組供電。一個持久的，抱怨的嗡嗡聲。

現(xiàn)在麻省理工學(xué)院的工程師已經(jīng)建造并飛行了第一架沒有活動部件的飛機。輕型飛機不是螺旋槳或渦輪機，而是由“離子風(fēng)”提供動力 - 在飛機上產(chǎn)生的靜音但強大的離子流，并產(chǎn)生足夠的推力以推動飛機在持續(xù)，穩(wěn)定的飛行中飛行。

與渦輪動力飛機不同，飛機不依賴化石燃料飛行。與螺旋槳驅(qū)動的無人機不同，新設(shè)計完全無聲。

“這是有史以來第一次在推進系統(tǒng)中沒有活動部件的飛機持續(xù)飛行，”麻省理工學(xué)院航空航天副教授Steven Barrett說。“這可能為飛機提供了新的和未開發(fā)的可能性，這些飛機更安靜，機械更簡單，并且不會排放燃燒物。”

他預(yù)計，在短期內(nèi)，這種離子風(fēng)推進系統(tǒng)可用于飛行較少噪音的無人機。更進一步，他設(shè)想離子推進與更傳統(tǒng)的燃燒系統(tǒng)配合，以創(chuàng)造更省油的混合客機和其他大型飛機。

巴雷特和他在麻省理工學(xué)院的團隊在“ 自然 ”雜志上發(fā)表了他們的研究成果。

愛好工藝品

巴雷特表示，該團隊離子飛機的靈感部分來自電影和電視劇“星際迷航”，他小時候熱切地觀看。他特別喜歡那些毫不費力地在空中掠過的未來主義的shuttlecrafts，似乎沒有任何活動部件，幾乎沒有任何噪音或排氣。

“這讓我想到，在長遠(yuǎn)的未來，飛機不應(yīng)該有螺旋槳和渦輪機，”巴雷特說。“它們應(yīng)該更像是”星際迷航“中的航天飛機，只有藍(lán)色的光芒，并且默默地滑行。

大約九年前，巴雷特開始尋找為沒有活動部件的飛機設(shè)計推進系統(tǒng)的方法。他最終遇到了“離子風(fēng)”，也被稱為電動力學(xué)推力 - 一種物理原理，最初在20世紀(jì)20年代被發(fā)現(xiàn)并描述了當(dāng)電流在薄電極和厚電極之間通過時可產(chǎn)生的風(fēng)或推力。如果施加足夠的電壓，則電極之間的空氣可以產(chǎn)生足夠的推力來推進小型飛機。

多年來，電動力推力主要是業(yè)余愛好者的項目，設(shè)計大部分僅限于小型臺式“升降機”，這些升降機與大型電壓供應(yīng)相連，為小型船只在空中短暫懸停創(chuàng)造了足夠的風(fēng)。人們普遍認(rèn)為，在持續(xù)飛行中不可能產(chǎn)生足夠的離子風(fēng)來推動更大的飛機。

他回憶說：“當(dāng)我遇到時差時，這是酒店里一個不眠之夜。我正在思考這個問題并開始尋找可行的方法。” “我做了一些背后的計算，發(fā)現(xiàn)，是的，它可能成為一個可行的推進系統(tǒng)，”巴雷特說。“事實證明，需要多年的努力才能實現(xiàn)首次試飛。”

離子飛行

該團隊的最終設(shè)計類似于大型輕量級滑翔機。這架重約5磅，翼展5米的飛機載有一系列細(xì)線，這些細(xì)線在飛機機翼前端的下方和下方都是水平圍欄。導(dǎo)線充當(dāng)帶正電的電極，而沿著平面翼的后端延伸的類似布置的較粗的導(dǎo)線用作負(fù)電極。

飛機的機身裝有一堆鋰聚合物電池。Barrett的離子飛機團隊包括David Perreault教授在電子研究實驗室的電力電子研究小組的成員，他們設(shè)計了一種能夠?qū)㈦姵剌敵鲛D(zhuǎn)換為足夠高的電壓來推動飛機的電源。通過這種方式，電池以40,000伏特供電，通過輕型電源轉(zhuǎn)換器對電線充電。

一旦導(dǎo)線通電，它們就會吸引并從周圍的空氣分子中剝離帶負(fù)電的電子，就像吸引鐵屑的巨大磁鐵一樣。留下的空氣分子是新離子化的，并且又被吸引到平面背面的帶負(fù)電的電極。

當(dāng)新形成的離子云流向帶負(fù)電的導(dǎo)線時，每個離子與其他空氣分子碰撞數(shù)百萬次，產(chǎn)生推動飛機前進的推力。

該團隊還包括林肯實驗室的工作人員托馬斯·塞巴斯蒂安和馬克·伍爾斯頓，乘坐飛機穿越麻省理工學(xué)院杜邦體育中心的體育館，這是他們可以找到的最大的室內(nèi)空間。該團隊將飛機飛行了60米(健身房內(nèi)的最大距離)，并發(fā)現(xiàn)該飛機產(chǎn)生足夠的離子推力以維持飛行的整個時間。他們以相似的表現(xiàn)重復(fù)了10次飛行。

“這是我們設(shè)計的最簡單的飛機，它可以證明離子飛機可以飛行的概念，”巴雷特說。“它仍然離飛機可以執(zhí)行一項有用的任務(wù)。它需要更高效，飛得更久，然后飛到外面。”

Barrett的團隊正致力于提高設(shè)計效率，以更低的電壓產(chǎn)生更多的離子風(fēng)。研究人員還希望提高設(shè)計的推力密度 - 每單位面積產(chǎn)生的推力。目前，飛行團隊的輕型飛機需要大面積的電極，這基本上構(gòu)成了飛機的推進系統(tǒng)。理想情況下，Barrett希望設(shè)計一種沒有可見推進系統(tǒng)的飛機或單獨的控制表面，如方向舵和電梯。

“這需要很長時間才能到達，”巴雷特說。“從基本原理到實際飛行的東西是一個描述物理特征的漫長旅程，然后提出設(shè)計并使其發(fā)揮作用?，F(xiàn)在這種推進系統(tǒng)的可行性是可行的。”