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“離子風”吹動新飛機
2019-02-15 07:26:12 來源: 人民日報
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  沒有螺旋槳,也沒有渦輪葉片;無需化石能源,也不需要太陽能驅動——經典科幻影視劇《星際迷航》中的離子風飛行器有望變成現實。最近,美國麻省理工學院研究人員研制出了一架顛覆傳統動力系統的飛機,即用正負電極產生的“離子風”作為驅動力。這一成果發表在近期的《自然》雜志上,旋即引發強烈關注。

  離子風推進的原理可以直觀地理解為:動力系統中包含前后兩個施以強電壓的正負電極,前部電極附近的氣體被電離成帶正電的陽離子,從而與后部的負電極相互吸引,并撞擊空氣中的中性分子,形成“離子風”驅動飛機前進。據此原理,研究人員制造出了一架小型驗證機。該機重2.45千克,翼展5米,采用彈射起飛,在飛行試驗中,以每秒4.8米的速度實現了45米左右的穩定飛行,實現了人類航空史上首次固態動力裝置飛行器驗證飛行。

  實際上,離子推進技術在人造衛星、深空探測等航天領域已有廣泛應用。早在1964年,裝有離子推進技術的火箭就進行了首次太空試驗,1998—2001年,首個由離子推進作為主要動力的航天器“深空1號”成功探測到波瑞利彗星和布雷爾行星。這種離子推進裝置通常重約百千克以上,推力往往不到一牛——大致等同于在地球上舉起一個雞蛋的力氣。盡管這點推力十分有限,但在太空環境下幾乎不受結構重量的限制和空氣阻力的影響,這一微小的推力即可滿足姿態控制和軌道變動等需求。而且,由于其工質消耗遠遠小于基于化學燃燒的火箭發動機,使它往往更能夠勝任航天器對推進力細水長流的需求。

  也正是由于重量太大推力太小,離子推進裝置長久以來并沒有被大氣層內運行的飛機所接受。舉例來說,一架載客160人、起飛重量在80噸級的噴氣客機,其單臺發動機重約2.4噸,能夠產生最大120千牛的推力。如果換成推力相同的離子推進器,則單臺發動機重量可能將增至1.2萬噸——比整架飛機的重量都大上好幾個數量級。

  通過采用鋰聚合物電池并引入更加輕便高效的電氣系統,上述研究人員為驗證機配備的離子風驅動裝置單位質量輸出功率高出傳統轉換裝置5至10倍,使其最終能夠作為大氣層內飛機的動力裝置。然而該套裝置的推進效率目前仍然無法滿足載人飛機的推進需求,且機身表面存在大面積的外露電極。

  如同最早的軌道機車跑不過馬車,新技術的起始往往并不完善。盡管今天的離子驅動飛行器還未超過航模的重量和速度,但該機的試驗成功無疑為航空飛行器的動力發展開辟了一條新的道路,為今后開發出更安靜、更環保、機械結構更簡單的飛機提供了可能性,這項成果堪稱人類航空史上的又一座里程碑。(陸孝強 宋 磊)

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【糾錯】 責任編輯: 周靖杰
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