新型飛機效果圖（來源：MIT）

來源 | Scientific American等

編譯 | 吳非

巴雷特的靈感來源于《星際迷航》（Star Trek）,。他在小時候看到《星際迷航》中夢幻般的飛行器時,，就在想，這正是他夢想中未來飛機的飛行方式,。

星際迷航中的企業(yè)號（來源：onceuponageek）

9年前,，巴雷特開始帶領(lǐng)MIT航空航天系的團隊，探索打造新型飛機的可能性,。他采用的推進方案是電空氣動力學(xué),，也就是“離子風(fēng)”。當氣流經(jīng)過兩個電極（一薄一厚）之間時,，一旦施加足夠的電壓,，電極間的空氣分子就會電離、被電極另一端吸引,，在移動過程中與周圍空氣分子碰撞從而產(chǎn)生推力,。巴雷特猜想，如果電壓夠高,，離子風(fēng)或許能推動小型飛行器,。

事實上，早在上世紀50年代,，就有科學(xué)家提出,，離子風(fēng)不可能成為飛機的動力。而在很長一段時間內(nèi)，不信邪的巴雷特團隊研發(fā)進展也并不順利,。他們只能讓小型飛行器短暫滑行幾秒鐘,，距離產(chǎn)生足以維持更大型飛機飛行的離子風(fēng)還很遠。因此,，他們在設(shè)計新的飛機原型時,，也不敢抱有太高的期望——他們甚至都沒有起一個響亮的名字，以至于這架飛機最終頂著“第二版”（Version 2）這個平淡的名字,，完成創(chuàng)造歷史的飛行,。“我想的是,，我們只有50%的成功幾率,，”巴雷特說，“我在MIT的同事更悲觀,，認為成功的概率只有1%,。”

直到某天夜里,，出差在外的巴雷特因為時差而失眠,，“我干脆起床來思考，離子風(fēng)飛機究竟是否可信,，”巴雷特講述道,，“我做了一些初步的計算，這時我知道：沒錯,，我找到了可行的推進系統(tǒng),。” 

十年磨一劍,，巴雷特團隊在論文中展示了名為“第二版”的飛機原型,。飛機翼長5米，質(zhì)量只有5磅（2.45千克）,。在機翼前端下方,，研究團隊固定了一排與機翼平行的細金屬線；而在機翼后側(cè)下方,，是一排較粗的金屬線,。這些看似簡單的導(dǎo)線，就是驅(qū)動離子風(fēng)飛機的核心部件,。

飛機結(jié)構(gòu)圖,。可以明顯看到電極和電線的位置（來源：研究論文）

試驗時,，飛機上的電池向前端的金屬（正極）施加2萬伏電壓,。高壓將空氣中氮氣的電子剝離,，氮原子變?yōu)閹д姾傻碾x子。而后側(cè)的金屬帶負電荷（負極）,，這些氮正離子就像被磁鐵吸引的鐵屑,，迅速向后排移動?！把赝舅鼈儠c數(shù)百萬的中性空氣分子碰撞,。”巴雷特說,，這些空氣分子如同被撞擊的臺球，被推向飛機后方,，從而產(chǎn)生足夠的推力,。

在MIT的一座室內(nèi)體育館，巴雷特的愿望邁出了第一步,。研究團隊測試了“第二版”的飛行性能,。與那些堅持不過幾秒的前任相比，“第二版”以每小時17千米的速度平穩(wěn)飛行了60米,，直至撞上墻壁,。研究者共進行了10次測試，飛機在每次測試中都有穩(wěn)定的表現(xiàn),。期間沒有動力耗盡的跡象,，也沒有惱人的噪音。

飛行測試現(xiàn)場

在巴雷特看來,，除了離子風(fēng)推進器的設(shè)計,，取得成功的另一項關(guān)鍵因素，是設(shè)計出很輕,，但足夠強大的電氣系統(tǒng),。在此之前，沒有人能用輕質(zhì)的電池產(chǎn)生如此高的電壓,?！跋胍陲w機上施加4萬伏的電壓？這樣的技術(shù)根本不存在,。而巴雷特找到了一條新穎的解決途徑,。”佐治亞理工大學(xué)的航天工程師米切爾·沃克（Mitchell Walker）說,。

MIT電子學(xué)研究實驗室的戴維·佩羅（David Perreault）團隊設(shè)計了飛行器的電氣系統(tǒng),。他們?yōu)闄C身安裝了一排聚合物鋰電池，電池通過輕便的轉(zhuǎn)換器,，提供了所需的高壓,。

此外,，研究團隊通過計算機模擬，讓飛機上的所有元件都發(fā)揮最大功效,。從推進器到電池,，從機身到飛機上的每一條電線，所有配件的設(shè)計都得到最優(yōu)化,。巴雷特說,，經(jīng)過數(shù)百次的調(diào)整，他們最終得到了“第二版”飛機,。

離子推進器的概念并不是首次出現(xiàn),。在航天領(lǐng)域，離子推進器不僅用于將航天器送往既定軌道,，還將“黎明”號小行星探測器送至小行星帶,。在近乎真空的太空，離子推進器需要攜帶用于電離的氣體,，從而獲得推動力,。但在擁有致密大氣層的地球上，故事又不一樣了,?！八腥硕记宄x子推進器產(chǎn)生的速度不足以推動一架飛機,，”沃克說,，“之前沒有人知道該怎樣讓它前行?！?/span>

密歇根大學(xué)的航天工程師亞歷克·加利莫爾（Alec Gallimore）說,，這項工作證明了，離子推進器同樣可以用在地球上,。但“第二版”的效率仍然很低,，與推動真正的飛機相距甚遠。因此,，通過離子推動的載人飛機在短期內(nèi)也不會出現(xiàn),。

巴雷特同意這個觀點。接下來,，他正試圖提升飛機的效率,，用更低的電壓制造出更大的離子風(fēng)。研究者還希望提升推力密度,，即單位面積產(chǎn)生的推力,。目前，為了確?！暗诙妗憋w行,，機身上安置了大面積的電極,。而巴雷特的最終目標，是讓包括電極在內(nèi)的飛機推進系統(tǒng)不可見,。

“這需要長時間的研究,，”巴雷特說，“從基本理論到真正在空中飛行的機器,，是很漫長的一段旅途,，需要解決物理、設(shè)計上的種種問題?，F(xiàn)在,，我看到的是，這樣的推進系統(tǒng)具有理論上的可行性,?！?/span>

這項研究登上本期《自然》封面

對于離子風(fēng)飛機的未來，巴雷特認為,，這項技術(shù)將可能首先為無人機帶來變革。現(xiàn)在,，無人機在運輸,、拍攝、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域的應(yīng)用與日俱增,?！跋胂笠幌拢?0年或20年后,，無人機將無處不在,，這意味著我們耳邊將全是無人機的噪音。而我們,，能讓它們變安靜,。”

而在展望更長遠的目標時,，巴雷特有著更大的野心,。他希望離子風(fēng)推進技術(shù)能與傳統(tǒng)的燃燒系統(tǒng)結(jié)合，打造油耗更低的“混合型”客機,，以及其他大型飛行器,。或許,，正如115年前那次只持續(xù)了12秒的飛行,，這次試飛也可能在未來改變甚至顛覆航空界的面貌。

原始論文：

https:///10.1038/s41586-018-0707-9

參考鏈接：

https://www./article/silent-and-simple-ion-engine-powers-a-plane-with-no-moving-parts/

https://www./pub_releases/2018-11/miot-mef111618.php

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

《環(huán)球科學(xué)》11月刊現(xiàn)已上市