麻省理工试飞离子推进飞机原理是一条不起眼的

2019-01-14   阅读:188

  近日,一名国外航空航天工程师史蒂文·巴雷特带领他的团队成功测试飞行了第一架由离子风推进器驱动的飞机。人们最好奇的莫过于其动力来源?在巴雷特的临时实验室与麻省理工学院室内实验室里揭开了其神秘的面纱,其原理:通过多个分布跑道上的慢跑粒子产生和发射电荷为发动机提供动力,其原理其实就是作用与反作用力——航空动力引擎的基本原理。

  据巴雷特所说。使用这一原理驱动飞机长期以来一直是一个牵强附会的想法或者说更像是存在于科幻小说之中,但他还是想尝试一下。“在茫茫中,驾驶着一辆静音滑翔机,悄无声息的滑过该是一件多么令人惬意的事情啊!”同样。他说:“我们为什么不试着去研制这么一架静音飞机呢?”

  经过深度研究,并考虑到离子风推进技术可能符合这一要求。他花了八年时间潜心研究这项技术,并决定尝试着去制造一架仿真微型飞机,即便这架飞机的外型看起来有点难看,他曾说过:“这是一种难看的”,并补充道:“黑色涂料里通常含有碳粉子,它是一种导电体。”还潜存着一种迭代,可能会炸机!

  但大家这款最新原型的飞机有着较高的期待,他冷静的将其命名为第二代,他说:“在我们开始试飞之前,我认为它只是一次马马虎虎的实验,而且我在麻省理工学院学院共同研究的同事们也认为这样做只体现了它有效率的百分之一。”

  跟之前的机型倒地研究对比不同的是,这款第二代版本以大约每小时11英里,相当于每小时17公里的速度可以在空中航行大约200英尺。由于没有可见的排气装置,没有噪声较大的喷射器和旋转的螺旋桨,初看外观,根本找不到活动部件,这架飞机盘旋在空中飞翔,好像是空灵来源的一样,巴雷特激动的说:“这个结果非常令人兴奋,不过遗憾的是它最终撞到了墙上,这是我们预计之外的。”

  虽然这次存在一些意外,但是第二代仍需要继续研究。巴雷特和他的同事们在自然周三文献上发表了他们的研究,来自佐治亚理工学院的航空航天工程师米切尔沃克说:“这次飞行虽然失败了。但是它仍然可以称为人类尝试制造的一项。

  巴雷特向人们展示了一些十分独特的东西。“尽管离子推进器不是一种特别新的技术,而且与火箭或喷气机的功效相差很远,但是它们已经非常有效地帮助推进航天器的革新,并且通常可以实现将航天器轻推到轨道上。诸如深空探测器对小带的任务也是由离子推进器协助完成的,在亚空间下,离子推进器必须携带一个气体供应,进而被电离并发射成相对的动力去实现推动。然而。沃克说:“当涉及到穿过地球厚厚的大气层时,我们都能看到。离子推进器自身的散发速度弱于推动飞机,遗憾的是没人知道该如何前进。”

  本着对科学不放弃的,巴雷特和他的团队围绕第二代的后续工作提出了三个主要方面:首先是改善离子风推进器的设计,第二代的推进器包括两排长长的金属股线,悬挂在其天蓝色翅膀的下面。可轻松实现前排导电越4000伏的高电压,相当于输送到普通房屋的电压的166倍,并且拥有足够的能量将大量的带电离子从悬浮在空气中的氮原子里剥离出来。

  当这种情况发生时。氮原子会变成带正电的离子,大家都知道,后排的金属丝带有负电荷,所以在这个过程中。离子就像磁化的一样对它起着作用。巴雷特指出:“飞行过程中。这些离子与中性空气之间存在着数百万次碰撞,碰撞产生的能量将空气推向飞机的后部,产生一股风,进而将飞机快速向前推,使其飞翔速度稳步提升。”

  巴雷特和他的团队提出的另一项创新就是设计出一款轻巧但功能强大的电气系统,可以有效的将轻型电池的功率转换为推进器产生的足够电压。离子推进器需要20000或30000伏高电压才能正常工作。这是离子推进器研制过程中的最大挑战,因为要在飞机上实现高压是很难的一件事!很难想象在飞机上承载4000伏的超高电压的情景,这项技术几乎没人敢尝试,但是巴雷特和他的团队以一种巧妙的方法通过有效转换而实现了这个很多人想都不敢想的历史性难题。”

  最后,巴雷特将飞机上的每个设计元素都使用计算机模型表现出来,从推进器、电气系统设计到穿过飞机的电线,小到电源转换器、电池、电池盖和机身等等,一切都经过不断探索优化。巴雷特说:“伴随着每次失败的模拟,我们不得不进行一遍又一遍的提升改进。值得庆幸的是终于赢得了代表成功的第二代战机。”

  突破传统的理论述说,实践证明离子推进器同样可以在地球上使用,来自密歇根大学航空航天工程师AlecGallimore说:“我没有参加这项工作的各个研究,但是,这类用途的实现都是有限的,并不能大规模推广。螺旋桨和喷气式飞机仍然比巴雷特提出的离子风推进器更有实用意义,这就说明载人客机在短期内不会被很快切换,但是这项推进器技术有一个关键的优势,那就是可实现无声静音工作。可将其安装在用于建造检查或类似的无人机上使用,会是这些离子推进器的最好的价值体现。”

  巴雷特也说到,无人机用于交付、拍摄亦或是监测时,配备上这款离子推进器技术,还是比较乐观的。从现在,畅想下十年或者20年后,我们随处都能见到无人机的身影,如果连这些基本的生活辅助设施都像载人飞机那样拥有极高的噪音。会严重降低人们的生活质量的。离子推进器技术的应用,就可以很好的规避这些难以的声音,让我们尽享美好生活。”

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