自萊特兄弟的“飛行者1號”於1903年升空以來，100多年間，飛機的外形、動力裝置、燃料等都發生了翻天覆地的變化。但幾乎所有飛機都存在一些共通之處：通過部件的運動產生推力，例如螺旋槳、渦輪風扇，也因此產生巨大的噪音。而現在，麻省理工學院（MIT）副教授史蒂文·巴雷特（Steven Barrett）領導的團隊，研發出一款顛覆性的飛機原型——通過離子風驅動、不消耗化石燃料、不產生任何噪音，並且在室內成功試飛。今天，這項研究發表在《自然》期刊上。

離子風推進

巴雷特的靈感來源於《星際迷航》（Star Trek）。他在小時候看到《星際迷航》中夢幻般的飛行器時，就在想，這正是他夢想中未來飛機的飛行方式。

星際迷航中的企業號（來源：onceuponageek）

9年前，巴雷特開始帶領MIT航空航天系的團隊，探索打造新型飛機的可能性。他採用的推進方案是電空氣動力學，也就是“離子風”。當氣流經過兩個電極（一薄一厚）之間時，一旦施加足夠的電壓，電極間的空氣分子就會電離、被電極另一端吸引，在移動過程中與周圍空氣分子碰撞從而產生推力。巴雷特猜想，如果電壓夠高，離子風或許能推動小型飛行器。

事實上，早在上世紀50年代，就有科學家提出，離子風不可能成爲飛機的動力。而在很長一段時間內，不信邪的巴雷特團隊研發進展也並不順利。他們只能讓小型飛行器短暫滑行幾秒鐘，距離產生足以維持更大型飛機飛行的離子風還很遠。因此，他們在設計新的飛機原型時，也不敢抱有太高的期望——他們甚至都沒有起一個響亮的名字，以至於這架飛機最終頂着“第二版”（Version 2）這個平淡的名字，完成創造歷史的飛行。“我想的是，我們只有50%的成功幾率，”巴雷特說，“我在MIT的同事更悲觀，認爲成功的概率只有1%。”

直到某天夜裏，出差在外的巴雷特因爲時差而失眠，“我乾脆起牀來思考，離子風飛機究竟是否可信，”巴雷特講述道，“我做了一些初步的計算，這時我知道：沒錯，我找到了可行的推進系統。”

飛行60米

十年磨一劍，巴雷特團隊在論文中展示了名爲“第二版”的飛機原型。飛機翼長5米，質量只有5磅（2.45千克）。在機翼前端下方，研究團隊固定了一排與機翼平行的細金屬線；而在機翼後側下方，是一排較粗的金屬線。這些看似簡單的導線，就是驅動離子風飛機的核心部件。

飛機結構圖。可以明顯看到電極和電線的位置（來源：研究論文）

試驗時，飛機上的電池向前端的金屬（正極）施加2萬伏電壓。高壓將空氣中氮氣的電子剝離，氮原子變爲帶正電荷的離子。而後側的金屬帶負電荷（負極），這些氮正離子就像被磁鐵吸引的鐵屑，迅速向後排移動。“沿途它們會與數百萬的中性空氣分子碰撞。”巴雷特說，這些空氣分子如同被撞擊的檯球，被推向飛機後方，從而產生足夠的推力。

在MIT的一座室內體育館，巴雷特的願望邁出了第一步。研究團隊測試了“第二版”的飛行性能。與那些堅持不過幾秒的前任相比，“第二版”以每小時17千米的速度平穩飛行了60米，直至撞上牆壁。研究者共進行了10次測試，飛機在每次測試中都有穩定的表現。期間沒有動力耗盡的跡象，也沒有惱人的噪音。

在巴雷特看來，除了離子風推進器的設計，取得成功的另一項關鍵因素，是設計出很輕，但足夠強大的電氣系統。在此之前，沒有人能用輕質的電池產生如此高的電壓。“想要在飛機上施加4萬伏的電壓？這樣的技術根本不存在。而巴雷特找到了一條新穎的解決途徑。”佐治亞理工大學的航天工程師米切爾·沃克（Mitchell Walker）說。

MIT電子學研究實驗室的戴維·佩羅（David Perreault）團隊設計了飛行器的電氣系統。他們爲機身安裝了一排聚合物鋰電池，電池通過輕便的轉換器，提供了所需的高壓。

此外，研究團隊通過計算機模擬，讓飛機上的所有元件都發揮最大功效。從推進器到電池，從機身到飛機上的每一條電線，所有配件的設計都得到最優化。巴雷特說，經過數百次的調整，他們最終得到了“第二版”飛機。

從無人機起步

離子推進器的概念並不是首次出現。在航天領域，離子推進器不僅用於將航天器送往既定軌道，還將“黎明”號小行星探測器送至小行星帶。在近乎真空的太空，離子推進器需要攜帶用於電離的氣體，從而獲得推動力。但在擁有致密大氣層的地球上，故事又不一樣了。“所有人都清楚，離子推進器產生的速度不足以推動一架飛機，”沃克說，“之前沒有人知道該怎樣讓它前行。”

密歇根大學的航天工程師亞歷克·加利莫爾（Alec Gallimore）說，這項工作證明了，離子推進器同樣可以用在地球上。但“第二版”的效率仍然很低，與推動真正的飛機相距甚遠。因此，通過離子推動的載人飛機在短期內也不會出現。

巴雷特同意這個觀點。接下來，他正試圖提升飛機的效率，用更低的電壓制造出更大的離子風。研究者還希望提升推力密度，即單位面積產生的推力。目前，爲了確保“第二版”飛行，機身上安置了大面積的電極。而巴雷特的最終目標，是讓包括電極在內的飛機推進系統不可見。“這需要長時間的研究，”巴雷特說，“從基本理論到真正在空中飛行的機器，是很漫長的一段旅途，需要解決物理、設計上的種種問題。現在，我看到的是，這樣的推進系統具有理論上的可行性。”

這項研究登上本期《自然》封面

對於離子風飛機的未來，巴雷特認爲，這項技術將可能首先爲無人機帶來變革。現在，無人機在運輸、拍攝、環境監控等領域的應用與日俱增。“想象一下，10年或20年後，無人機將無處不在，這意味着我們耳邊將全是無人機的噪音。而我們，能讓它們變安靜。”而在展望更長遠的目標時，巴雷特有着更大的野心。他希望離子風推進技術能與傳統的燃燒系統結合，打造油耗更低的“混合型”客機，以及其他大型飛行器。或許，正如115年前那次只持續了12秒的飛行，這次試飛也可能在未來改變甚至顛覆航空界的面貌。

博科園-科學科普｜文：Scientific American

環球科學ScientificAmerican/huanqiukexue

參考期刊文獻:《自然》（natural）

DOI：doi.org/10.1038/s41586-018-0707-9

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