MIT重新发明离子引擎飞机(第一个推进系统没有活动部件的飞机)
不是科幻,离子发动机飞机真的造出来了!
“曲率引擎”、“离子引擎”等激动人心的科幻术语正在走进现实。
最近麻省理工学院重新发明了飞机,实验结果登上了《自然》杂志的封面。
不是科幻,离子发动机飞机真的造出来了!
“曲率引擎”、“离子引擎”等激动人心的科幻术语正在走进现实。
最近麻省理工学院重新发明了飞机,实验结果登上了《自然》杂志的封面。
这架飞机翼展5米,总重只有2.5公斤,甚至还不到一个行李箱的重量,飞行高度也只有1米左右。然而,它是人类历史上第一架由离子发动机推进的飞机。
麻省理工学院航空航天副教授史蒂文巴雷特(Steven Barrett)说,“这是第一架推进系统中没有移动部件的飞机。”
“这种飞机更安静,机械结构更简单,不会排放燃烧产物。”
这架飞机有什么特别之处?这是一架纯固态发动机飞机:它没有旋转部件,由一种叫做“离子发动机”的东西驱动。
没有风扇,都是电池的问题。
离子发动机和涡扇发动机有什么区别?
普通飞机的发动机看起来像一个大型吹风机,旋转的风扇不断将空气吹向后方,为机翼提供升力。
离子发动机也是靠吹风,但它没有“风扇”,而是靠电场制造的“离子风”。
这种现象在我们的生活中很常见。当我们插上电源时,火花是由空气的电离引起的。
电压越高,离子加速越快。巴雷特教授的团队使用了54个3.7伏的锂聚合物电池,可以提供大约200伏的电压。但是这个电压对于离子发动机来说还是太低了。
为此,他们设计了一种电源,可以将电池的输出转化为高压电来推进飞机。这样电池最终会输出40000伏的高电压。
把200伏特的DC变成40000伏特的高压需要多少个步骤?
逆变器:将DC转换成500~700 kHz的交流电;
变压器:将低压交流电转换成高压交流电。实验中采用1:15倍升压将电压升至7kv;
电压倍增器:将交流电转换成更高电压的DC,从7千伏交流电到40,000千伏DC。
通过这三步产生的电压可以发出巨大的火花,你甚至可以用它来治疗网瘾(大错特错)。
你可能会问,为什么要把DC变成AC,然后再转换成DC呢?这是一个很有意思的问题。100年前特斯拉和爱迪生为此争论过,后来特斯拉赢了。
有了40,000伏特的高压,我们可以用它来电离空气。
电线一旦通电,强大的电场会使正极吸引周围的氮分子,将氮分子中的电子剥离,就像一块巨大的磁铁吸引铁屑一样。原本中性的氮分子失去电子后变成带正电荷的离子。
一个分子撞上几个分子,戴奥代达导致雪崩电离。
离子化的氮气分子被吸引到带负电的电极上。氮离子在去负极的路上,会撞上其他氮分子,变成正离子,就像雪崩一样。
正离子在高电压的作用下飞到飞机尾部,形成由离子组成的“风”。
在这个过程中,每个离子与其他空气分子碰撞数百万次,产生推力推动飞机前进。
现代班莱特兄弟
在麻省理工学院的一个室内体育馆里,巴雷特教授的团队进行了他的实验。
飞机以每秒5米左右的速度平稳飞行了60米,直到撞墙。研究人员进行了10次测试,飞机在每次测试中都表现稳定。没有电力耗尽的迹象,也没有噪音。
该发动机提供了3.2牛顿的力,大约相当于举起六个鸡蛋的重量。
经过计算,离子发动机将飞机抬高了约0.47米。
感觉就像莱特兄弟第一次成功试飞。
但这项技术不应该被嘲笑,就像莱特兄弟的实验一样。
无污染高效离子发动机
“想象一下,10年或20年后,无人机将无处不在,这意味着我们的耳朵将充满无人机噪音。我们可以让他们安静下来。”巴雷特教授说。
在这样的飞机上,你不再需要降噪耳机。
现在,每天在空中飞行的客机排放出大量的温室气体。一般国内航班一次飞行需要添加数吨燃油,最终燃油会变成二氧化碳排放到空气中。
离子发动机不需要燃料,不排放污染物,是一种清洁能源。可以说是“飞机里的特斯拉”。
此外,离子发动机的“比冲”极高。比冲是发动机的效率,可以理解为单位重量的“燃料”所获得的飞船速度。
燃油从发动机尾部喷出越快,比冲越大,飞机耗油越少。
虽然离子不燃烧,但在强电场的作用下,“燃料”会以每秒一万米的速度喷射出来。
《火星救援》年,马特达蒙的一组宇航员在飞船中使用了离子发动机。起初,发动机的功率非常小,但在没有空气阻力的太空中,经过多年的加速,航天器将达到惊人的速度。而且它的效率是普通火箭发动机的10倍以上!
实际问题
这项技术非常强大,甚至早在20世纪20年代就开始研究。为什么迟迟没有商业化?
主要有以下原因:
离子发动机的推力太低了。如前所述,它只能承载2.5kg的飞机,甚至还不到一名乘客免费托运行李的重量。所以NASA只能先在微重力和无空气的太空中使用。
航天器用离子推进器
“充电2小时,飞行1分钟”。这种飞机发动机的输入功率是600瓦,54块锂电池只能供电90秒左右。
太低效了。输入功率600瓦,输出功率只有15瓦。这款MIT飞机最终实测效率只有2.5%左右,不解决效率问题将很难付诸实践。
巴雷特教授并不幻想“离子发动机”飞机很快就会被使用。
他预测,在短期内,这种离子风推进系统可以用于飞行时间较短的无人机,以避免恼人的螺旋桨噪音。
他还设想离子发动机可以与燃油发动机合作,创造出更省油的混合动力客机和其他大型飞机。
或许就像115年前的莱特兄弟一样,这次飞行可能会颠覆未来的航空业。
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