在薄薄的白色面纱后面,这层面纱将他的临时实验室与麻省理工学院室内跑道上的慢跑者隔开,航空航天工程师史蒂文·巴雷特最近试飞了有史以来第一架由离子风推进器提供动力的飞机——这种电动引擎通过产生和发射带电粒子来产生动力。
即使按照巴雷特的说法,使用这种原理来飞行飞机长期以来一直是一个“牵强的想法”,是科幻小说的素材。但他仍然想尝试。“在《星际迷航》中,你有航天飞机静静地滑过,”他说。“我想,‘我们应该有那样的飞机。’”
认为离子风推进可能符合要求,他花了八年时间研究这项技术,然后决定尝试制造一架原型微型飞机——尽管他认为这架飞机有点丑。“它是一种脏黄色,”他说,并补充说黑色油漆通常含有碳——碳导电,导致之前的迭代版本烧毁。
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巴雷特对最新的原型机寄予了稍高的期望,他冷静地将其命名为 2.0 版本。“在开始试飞之前,我认为它可能有 50% 的机会,”他说。“我在麻省理工学院的同事认为它成功的机会更像是 1%。”

来源:麻省理工学院
但与之前的原型机不同,之前的原型机都坠落到地面,2.0 版本在空中飞行了近 200 英尺,时速约为 11 英里/小时(17 公里/小时)。没有可见的尾气,也没有喷气发动机的轰鸣声或螺旋桨的呼啸声——实际上根本没有活动部件——这架飞机似乎是由一种空灵的来源静静地驱动。“这非常令人兴奋,”巴雷特说。“然后它撞到了墙上,这不太理想。”
尽管如此,2.0 版本还是成功了,巴雷特和他的同事于周三在《自然》杂志上发表了他们的成果。佐治亚理工学院的航空航天工程师米切尔·沃克说,这次飞行是其他人尝试过但失败的壮举,他没有参与新飞机的研究。“[巴雷特] 证明了一些真正独特的东西,”他说。离子推进器并不是一种特别新的技术;它们已经非常有效地帮助推动航天器——但它们与火箭或喷气发动机相去甚远,通常只是在轨道上轻推航天器到位。它们还推动了深空探测器,例如黎明号前往小行星带的任务。在近乎真空的太空中,离子推进器必须携带 onboard 气体供应,它们将气体电离并喷射到相对空旷的空间中以产生推力。然而,当涉及到在地球稠密的大气层中移动时,“每个人都看到[离子推进器]的速度不足以推动飞机,”沃克说。“没有人知道如何前进。”
但巴雷特和他的团队弄清楚了使 2.0 版本成功的三个主要因素。第一个是离子风推进器设计。2.0 版本的推进器由两排长金属丝组成,悬挂在其天蓝色机翼下方。前排导线承载约 40,000 伏特的电力——是普通家庭电压的 166 倍,并且有足够的能量从悬浮在大气中的大量氮原子上剥离电子。
当这种情况发生时,氮原子变成带正电的离子。由于后排金属丝带有负电荷,离子像磁化的台球一样冲向它。“在这个过程中,这些离子和中性空气分子之间发生了数百万次的碰撞,”巴雷特指出。这会将空气分子推向飞机后部,产生一股风,推动飞机向前快速飞行。
沃克指出,巴雷特团队提出的另一项创新是设计了一种轻巧但功能强大的电力系统。他说,在这架飞机之前,没有人创造出一种系统,可以有效地将轻型电池的电力转换为足以产生推进器所需电压的电力。“最大的挑战是[离子推进器]需要 20,000 或 30,000 伏特才能工作。在飞机上获得高压并非易事,”他说。“你想在飞机上玩 40,000 伏特的电压?这项技术不存在。史蒂夫[巴雷特] 找到了一种巧妙的方法来实现这种高效转换。”
最后,巴雷特使用计算机模型来充分利用飞机中每个设计元素,从推进器和电力系统设计到贯穿飞机的电线。“电源转换器、电池、电容器和机身——一切都经过了优化,”巴雷特说。“模拟一直失败。我们不得不进行数百次更改。”最终,他们获得了成功的 2.0 版本。
密歇根大学航空航天工程师亚历克·加利莫尔说,这项突破提供了一个很好的概念验证,表明离子推进器可以在地球上使用,他没有参与这项工作。但任何此类用途都可能仅限于有限的容量。螺旋桨和喷气发动机仍然比巴雷特演示的离子风推进器效率高得多,这使得客机不太可能在短期内改用离子风推进器。但推进器有一个关键优势:“没有声音产生。因此,[无人机]用于建筑物检查或类似用途”将是这些推进器的理想应用,加利莫尔指出。
或者,巴雷特补充说,用于交付、拍摄或环境监测的无人机。“想象一下 10 或 20 年后——我们可能会到处都是无人机,”他说。“如果这些无人机都很吵,它们会降低我们的生活质量。但这种无人机是静音的。”