“离子风”吹动新飞机(科技大观)

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没有螺旋桨,也没有涡轮叶片;无需化石能源,也不需要太阳能驱动——经典科幻影视剧《星际迷航》中的离子风飞行器有望变成现实。最近,美国麻省理工学院研究人员研制出了一架颠覆传统动力系统的飞机,即用正负电极产生的“离子风”作为驱动力。这一成果发表在近期的《自然》杂志上,旋即引发强烈关注。

离子风推进的原理可以直观地理解为:动力系统中包含前后两个施以强电压的正负电极,前部电极附近的气体被电离成带正电的阳离子,从而与后部的负电极相互吸引,并撞击空气中的中性分子,形成“离子风”驱动飞机前进。据此原理,研究人员制造出了一架小型验证机。该机重2.45千克,翼展5米,采用弹射起飞,在飞行试验中,以每秒4.8米的速度实现了45米左右的稳定飞行,实现了人类航空史上首次固态动力装置飞行器验证飞行。

实际上,离子推进技术在人造卫星、深空探测等航天领域已有广泛应用。早在1964年,装有离子推进技术的火箭就进行了首次太空试验,1998—2001年,首个由离子推进作为主要动力的航天器“深空1号”成功探测到波瑞利彗星和布雷尔行星。这种离子推进装置通常重约百千克以上,推力往往不到一牛——大致等同于在地球上举起一个鸡蛋的力气。尽管这点推力十分有限,但在太空环境下几乎不受结构重量的限制和空气阻力的影响,这一微小的推力即可满足姿态控制和轨道变动等需求。而且,由于其工质消耗远远小于基于化学燃烧的火箭发动机,使它往往更能够胜任航天器对推进力细水长流的需求。

也正是由于重量太大推力太小,离子推进装置长久以来并没有被大气层内运行的飞机所接受。举例来说,一架载客160人、起飞重量在80吨级的喷气客机,其单台发动机重约2.4吨,能够产生最大120千牛的推力。如果换成推力相同的离子推进器,则单台发动机重量可能将增至1.2万吨——比整架飞机的重量都大上好几个数量级。

通过采用锂聚合物电池并引入更加轻便高效的电气系统,上述研究人员为验证机配备的离子风驱动装置单位质量输出功率高出传统转换装置5至10倍,使其最终能够作为大气层内飞机的动力装置。然而该套装置的推进效率目前仍然无法满足载人飞机的推进需求,且机身表面存在大面积的外露电极。

如同最早的轨道机车跑不过马车,新技术的起始往往并不完善。尽管今天的离子驱动飞行器还未超过航模的重量和速度,但该机的试验成功无疑为航空飞行器的动力发展开辟了一条新的道路,为今后开发出更安静、更环保、机械结构更简单的飞机提供了可能性,这项成果堪称人类航空史上的又一座里程碑。

(作者单位为北京航空航天大学航空科学与工程学院)

《人民日报》(2019年02月15日17版 陆孝强 宋磊)

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