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首架离子驱动飞机研制成功

文章来源:中国科学报 赵熙熙 唐凤   发布时间:2018-11-26  【字号:     】  

MIT设计的飞机是电空气动力推进的一个里程碑。图片来源:MIT

  1903年,莱特兄弟那架著名的“莱特飞行者”首次试飞时,其粗糙的汽油发动机通过传动链旋转着两个螺旋桨,肯定制造了巨大的噪音。115年后,另一种全新的飞机在没有任何运转部件的情况下,像幽灵一样安静地飞上了天空。如果研究人员能够克服按比例放大这项技术所面临的艰巨挑战,这种没有螺旋桨或涡轮叶片,无需化石能源或太阳能驱动的新型飞机可能会成为一架安静的无人机,甚至还会变为一架更简单的飞机。

  与螺旋桨或喷气发动机不同,这架单人皮划艇大小的飞机利用电空气动力学(EAD)推动自身在空中前进。这种推进方式利用电的作用力将空气向后送,同时给飞机一个相等的向前推力。

  美国剑桥市麻省理工学院(MIT)航空工程师Steven Barrett说,航空工程师长期以来一直认为飞机可以由EAD提供动力,但从来没有人建造过能够举起自身重量的EAD飞机。Barrett说,当自己和同事终于成功时,他们肃然起敬地站立着。“它花了大约7年的时间才顺利升空。”

  在EAD推进系统中,一个强大的电场会产生一种叫做离子风的快速移动带电粒子风,这些带电粒子会撞击中性空气分子,把中性空气分子推到飞机后面,从而给飞机一个推力。这项技术又称离子驱动、离子风或离子推进,已经被美国宇航局开发用于外层空间,现在已经部署在一些卫星和航天器上。由于太空是真空的,这些系统会携带像氙这样的液体来电离,而Barrett的飞行器则被设计用来电离周围空气中的氮分子。

  然而,在太空中部署离子驱动器要比在大气中容易得多。例如,重力引导卫星环绕地球运转,而离子驱动可进行小的路线修正。但在大气中,飞机必须产生足够的推力来保持自身的高度,同时还需克服空气带来的持续阻力。

  在进行了多次计算机模拟之后,Barrett的团队决定设计一架翼展5米、质量为2.45公斤(大约有一只鸡那么重)的飞机。为了产生所需的电场,几组类似百叶窗的电极在飞机机翼下运行,每组电极都由一根带正电荷的不锈钢丝组成,这根丝位于一片带负电荷的铝制泡沫片前面几厘米处。这架飞机还携带了一个定制电池组和一个转换器,可以将电池的电压从200伏特提高到40千伏。虽然高电荷的电极被暴露在飞机的框架上,但它们可以通过遥控装置加以开关,从而避免了安全风险。

  研究团队在MIT的一个体育馆对这架飞机进行了测试,为了避免撞上运动员,他们选择在业余时间工作。Barrett说:“曾发生了一些非常严重的事故。”最终,研究小组设计了一种类似弹弓的装置帮助发射飞机。

  经过数百次失败的尝试,这架飞机终于能够推动自己飞起来了。研究人员在11月22日出版的《自然》杂志上报道称,经过10多次试飞,这架飞机在大约10秒钟内飞行了60米——比莱特兄弟第一次飞行的距离要更远一些,且平均高度为半米。

  “这是伟大的第一步。”并未参与该项工作且从事EAD微型机器人研究的加利福尼亚大学伯克利分校电气工程师Daniel Drew表示。不过他警告说:“如果他们试图让飞机的尺寸变得更大,就会遇到很多问题。”Drew认为,最基本的问题在于缩放比例。随着飞机体积的增大,其重量的增长速度将超过机翼面积的增长速度。他解释说,为了保持在空中停留,一架更大的飞机每单位机翼面积必须产生更多的推力,而这“从物理学的角度而言是极其困难的”。

  Barrett还没有作好该飞机有朝一日运送人类的准备。“显然,我们还有很长的路要走,还有很多事情需要改进。”他说,“但我不认为有什么事情是根本不可能做到的。”Barrett表示,可以通过提高动力转换器系统和电池的效率、测试产生离子的不同策略,以及将推进器集成到飞机的框架中以减少阻力来改善推力。

  法国国家研究机构CNRS和图卢兹大学流体力学研究员Franck Plouraboue表示,为EAD飞机提供动力的一种途径可能是附着在飞机顶部的超轻型太阳能电池板。

  Drew认为人们更有可能在未来看到一群小型的EAD飞机。Barrett认为EAD飞机最大的优点是噪音小。他指出,该推进系统可以在短期内用于低噪音无人机,未来有望与传统燃烧系统共用,制造出更节能的混动客机及其他大型飞行器。“如果我们想在城市各处使用无人机运送物品和监测空气质量,那么嗡嗡声和噪音污染就会变得相当烦人。”




(责任编辑:侯茜)

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