MIT重新發明飛機：無需燃料，每秒萬米噴射帶你上天 | Nature封面
文章轉自公眾號：量子位(ID：QbitAI)，作者：曉查
這不是科幻小說，離子引擎飛機真的被造出來了!
“曲率引擎”、“離子引擎”等等激動人心的科幻名詞，正在走進現實。
最近MIT又重新發明了飛機，實驗成果登上了《自然》雜誌封面。
這架飛機翼展5米，總重量僅2.5公斤，甚至連一個行李箱的重量都不到，飛行高度也只有1米左右。但它卻是人類歷史上第一架由離子引擎推動的飛機。
麻省理工學院航空航天副教授Steven Barrett說：“這是有史以來第一個推進系統沒有活動部件的飛機。”
“這種飛機更安靜，機械構造更簡單，並且不會排放燃燒物。”
這架飛機究竟有何過人之處?它是一臺純固態發動機飛機：沒有旋轉部件，全靠一個叫“離子引擎”的東西驅動。
沒有風扇，全靠電池
離子引擎和渦輪風扇發動機有何不同?
普通飛機的發動機看起來就像是一個大號的吹風機，旋轉的風扇不斷把空氣吹向後方，為機翼提供升力。
離子發動機也是靠吹風，不過它沒有“風扇”，而是靠電場造出的“離子風”。
這種現象在生活中很常見，我們插電時冒出的電火花就是空氣被電離造成的。
電壓越高，離子被加速得越快。 Barrett教授的團隊使用了54節3.7伏鋰聚合物電池，大約能提供200伏特的電壓。但這點電壓對於離子引擎來說還是太低了。
為此，他們設計了一種能夠將電池輸出轉換為高壓電來推動飛機的電源。 通過這種方式，電池最終將輸出4萬伏的高壓。
把200伏直流電變成4萬伏高壓電，需要幾步?
逆變器：把直流電轉換成500~700千赫茲的交流電;
變壓器：把低壓交流電轉化為高壓交流電，實驗中使用的是1:15倍升壓，將電壓升至7千伏;
電壓倍增器：把交流電轉變成更高電壓的直流電，從7千伏交流電變成4萬伏直流電。
經過這三步產生的電壓可以放出巨大的電火花，你甚至可以用它治療網癮(大誤)。
也許你會問，為什麼要把直流變成交流，然後再轉換成直流呢?這是一個很有趣問題，100年前的特斯拉和愛迪生也為這件事爭執過，後來特斯拉贏了。
有了4萬伏高壓，我們就可以用它來電離空氣了。
一旦給導線通上電，強大的電場就會讓正極吸引周圍的氮氣分子，把電子從氮氣分子上剝離出來，就像巨大的磁鐵吸引鐵屑一樣。本來中性的氮氣分子在失去電子後，變成了帶正電的離子。
△ 一個分子撞擊多個分子，dai'odaida導致雪崩式電離
被電離的氮氣氣分子又被吸引到帶負電的電極，在趕去負極的路上，氮離子又會撞上其他氮氣分子，把它們變成正離子，就好像“雪崩”一樣。
正離子在高電壓作用下飛向飛機尾部，形成一種離子組成的“風”。
在這個過程中，每個離子與其他空氣分子碰撞數百萬次，產生推動飛機前進的推力。
現代版萊特兄弟
在MIT的一座室內體育館，Barrett教授的團隊開展了他的實驗。
飛機以大約5米/秒速度平穩飛行了60米，直至撞上牆壁。研究者共進行了10次測試，飛機在每次測試中都有穩定的表現。期間沒有動力耗盡的跡象，也沒有噪音。
發動機提供了3.2牛頓的力，大約相當於提起6個雞蛋的重量。
經過推算，離子引擎大約讓飛機上升了0.47米。
感覺就像是萊特兄弟第一次成功試飛的實驗。
但這項技術不該被嘲笑，就像當初萊特兄弟的實驗一樣。
高效無汙染的離子引擎
“想象一下，10年或20年後，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。”Barrett教授說。
在這樣的飛機上，你不再需要降噪耳機。
現在每天在空中飛行的客機都會排放大量溫室氣體。一般的國內航班一次飛行需要新增數噸燃油，最終這些燃油將變成二氧二碳被排放到空氣中。
而離子引擎不需要燃料，不會排放汙染物，是一種清潔能源。簡直可以說是“飛機中的特斯拉”。
此外，離子引擎的“比衝”極高。比衝就是發動機的效率，可以理解為單位重量“燃料”讓飛船獲得的速度。
燃料從發動機尾部噴出的速度越快，比衝越大，飛機消耗的燃料就越少。
離子雖然沒有燃燒，但是在強大電場的作用下，“燃料”卻會以每秒1萬米的速度噴出。
在《火星救援》中，馬特·達蒙一幫宇航員乘坐的飛船就使用了離子引擎，一開始引擎的力量很小，但是在無空氣阻力的太空中，經過常年累月的加速，飛船將達到非常驚人的速度。而且它的效率是普通火箭發動機效率的10倍以上!
實用化問題
這項技術如此強大，甚至早在上世紀20年代前就被研究過，為何遲遲無法商用化?
主要有以下幾點原因：
離子引擎的推力太低，之前提到過它只能帶起2.5kg的飛機，甚至還不到一個乘客免費托執行李的重量。因此NASA只能首先把它用在微重力、無空氣阻力的太空。
△ 用於宇宙飛船的離子推進器
“充電2小時，飛行1分鐘”。這臺飛機引擎的輸入功率是600瓦，54節鋰電池大約只能供電90秒。
效率太低。輸入功率600瓦，輸出功率只有15瓦。MIT這架飛機最終實測效率僅2.5%左右，如果不解決效率問題，將難以實用化。
Barrett教授並不幻想“離子引擎”飛機很快就能用上。
他預計，在短期內，這種離子風推進系統可用於飛行時間較短的無人機，避免惱人的螺旋槳噪聲問題。
他還設想，離子引擎可以和燃油發動機配合，以創造更省油的混合動力客機和其他大型飛機。
或許正如115年前的萊特兄弟，這次飛行可能將顛覆未來的航空業。
這篇Nature論文就在這裡：
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0707-9
One More Thing
有朋友問：沒有風扇的引擎能不能用來做無風扇吹風機，順便顛覆一下戴森? 風力是足夠了，但也附贈了4萬伏的高壓。