離子風推進系統(tǒng)可用于飛行較少噪音的無人機

自從第一架飛機在100多年前飛行以來，天空中的幾乎所有飛機都借助于螺旋槳，渦輪葉片和風扇等運動部件飛行，這些部件由化石燃料的燃燒或產生的電池組供電。一個持久的，抱怨的嗡嗡聲。

現在麻省理工學院的工程師已經建造并飛行了第一架沒有活動部件的飛機。輕型飛機不是螺旋槳或渦輪機，而是由“離子風”提供動力 - 在飛機上產生的靜音但強大的離子流，并產生足夠的推力以推動飛機在持續(xù)，穩(wěn)定的飛行中飛行。

與渦輪動力飛機不同，飛機不依賴化石燃料飛行。與螺旋槳驅動的無人機不同，新設計完全無聲。

“這是有史以來第一次在推進系統(tǒng)中沒有活動部件的飛機持續(xù)飛行，”麻省理工學院航空航天副教授Steven Barrett說。“這可能為飛機提供了新的和未開發(fā)的可能性，這些飛機更安靜，機械更簡單，并且不會排放燃燒物。”

他預計，在短期內，這種離子風推進系統(tǒng)可用于飛行較少噪音的無人機。更進一步，他設想離子推進與更傳統(tǒng)的燃燒系統(tǒng)配合，以創(chuàng)造更省油的混合客機和其他大型飛機。

巴雷特和他在麻省理工學院的團隊在“ 自然 ”雜志上發(fā)表了他們的研究成果。

愛好工藝品

巴雷特表示，該團隊離子飛機的靈感部分來自電影和電視劇“星際迷航”，他小時候熱切地觀看。他特別喜歡那些毫不費力地在空中掠過的未來主義的shuttlecrafts，似乎沒有任何活動部件，幾乎沒有任何噪音或排氣。

“這讓我想到，在長遠的未來，飛機不應該有螺旋槳和渦輪機，”巴雷特說。“它們應該更像是”星際迷航“中的航天飛機，只有藍色的光芒，并且默默地滑行。

大約九年前，巴雷特開始尋找為沒有活動部件的飛機設計推進系統(tǒng)的方法。他最終遇到了“離子風”，也被稱為電動力學推力 - 一種物理原理，最初在20世紀20年代被發(fā)現并描述了當電流在薄電極和厚電極之間通過時可產生的風或推力。如果施加足夠的電壓，則電極之間的空氣可以產生足夠的推力來推進小型飛機。

多年來，電動力推力主要是業(yè)余愛好者的項目，設計大部分僅限于小型臺式“升降機”，這些升降機與大型電壓供應相連，為小型船只在空中短暫懸停創(chuàng)造了足夠的風。人們普遍認為，在持續(xù)飛行中不可能產生足夠的離子風來推動更大的飛機。

他回憶說：“當我遇到時差時，這是酒店里一個不眠之夜。我正在思考這個問題并開始尋找可行的方法。” “我做了一些背后的計算，發(fā)現，是的，它可能成為一個可行的推進系統(tǒng)，”巴雷特說。“事實證明，需要多年的努力才能實現首次試飛。”

離子飛行

該團隊的最終設計類似于大型輕量級滑翔機。這架重約5磅，翼展5米的飛機載有一系列細線，這些細線在飛機機翼前端的下方和下方都是水平圍欄。導線充當帶正電的電極，而沿著平面翼的后端延伸的類似布置的較粗的導線用作負電極。

飛機的機身裝有一堆鋰聚合物電池。Barrett的離子飛機團隊包括David Perreault教授在電子研究實驗室的電力電子研究小組的成員，他們設計了一種能夠將電池輸出轉換為足夠高的電壓來推動飛機的電源。通過這種方式，電池以40,000伏特供電，通過輕型電源轉換器對電線充電。

一旦導線通電，它們就會吸引并從周圍的空氣分子中剝離帶負電的電子，就像吸引鐵屑的巨大磁鐵一樣。留下的空氣分子是新離子化的，并且又被吸引到平面背面的帶負電的電極。

當新形成的離子云流向帶負電的導線時，每個離子與其他空氣分子碰撞數百萬次，產生推動飛機前進的推力。

該團隊還包括林肯實驗室的工作人員托馬斯·塞巴斯蒂安和馬克·伍爾斯頓，乘坐飛機穿越麻省理工學院杜邦體育中心的體育館，這是他們可以找到的最大的室內空間。該團隊將飛機飛行了60米(健身房內的最大距離)，并發(fā)現該飛機產生足夠的離子推力以維持飛行的整個時間。他們以相似的表現重復了10次飛行。

“這是我們設計的最簡單的飛機，它可以證明離子飛機可以飛行的概念，”巴雷特說。“它仍然離飛機可以執(zhí)行一項有用的任務。它需要更高效，飛得更久，然后飛到外面。”

Barrett的團隊正致力于提高設計效率，以更低的電壓產生更多的離子風。研究人員還希望提高設計的推力密度 - 每單位面積產生的推力。目前，飛行團隊的輕型飛機需要大面積的電極，這基本上構成了飛機的推進系統(tǒng)。理想情況下，Barrett希望設計一種沒有可見推進系統(tǒng)的飛機或單獨的控制表面，如方向舵和電梯。

“這需要很長時間才能到達，”巴雷特說。“從基本原理到實際飛行的東西是一個描述物理特征的漫長旅程，然后提出設計并使其發(fā)揮作用?，F在這種推進系統(tǒng)的可行性是可行的。”