在麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology)的一條室內(nèi)跑道上，航天工程師史蒂芬•巴雷特(Steven Barrett)用一塊薄薄的白色面紗將他的臨時實驗室與慢跑者隔開。巴雷特最近試飛了第一架使用離子風(fēng)推進(jìn)器(ionic wind thruster)的飛機(jī)，這種電子引擎產(chǎn)生并發(fā)射充電粒子。
根據(jù)巴雷特的說法，利用這一原理駕駛飛機(jī)一直是一個“很遙遠(yuǎn)的想法”，更多是在科幻小說中才會出現(xiàn)的東西。但他還是想試一試，“在《星際迷航》(Star Trek)中，你會看到航天飛機(jī)靜靜地滑過，”他說，“我想，‘我們也應(yīng)該有那樣的飛機(jī)才對。’”
他認(rèn)為使用離子風(fēng)推進(jìn)可能會使這個想法成為現(xiàn)實，于是乎他花了8年時間來研究這項技術(shù)，然后決定嘗試制造一架微型飛機(jī)原型——雖然他認(rèn)為這架飛機(jī)原型有點丑。他說，“這是一種骯臟的黃色，”并補(bǔ)充道，黑色涂料通常含有碳元素，而碳元素可以導(dǎo)電，這已經(jīng)使得先前的一個版本燒壞了它自己。巴雷特對最新的原型機(jī)期望稍高一些，他冷靜地將其命名為版本2。他說：“在我們開始試飛之前，我認(rèn)為成功的可能性是50%。我在麻省理工學(xué)院的同事認(rèn)為它成功的可能性只有1%。”
來源：麻省理工學(xué)院
之前的版本最終都會撞毀在地面，但版本2不同，它在空中飛行了近200英尺，飛行速度約為每小時11英里(每小時17公里)。沒有可見的排氣，沒有轟鳴的噴氣機(jī)，也沒有旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，事實上，整個飛行器上根本沒有在移動的部件，整架飛機(jī)似乎被一種虛無縹緲的動力無聲地驅(qū)動著。“這非常令人興奮，”巴雷特說，“然后它撞上了墻，這就不是很理想了。”
盡管如此，版本2還是成功了，巴雷特和他的同事們在周三的《自然》雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。喬治亞理工學(xué)院(Georgia Institute of Technology)的航天工程師米切爾·沃克(Mitchell Walker)沒有參與這項研究，但他說，其他人也曾嘗試過這一壯舉，不過都失敗了。“巴雷特展示了一些非常獨特的東西，”他說。離子推進(jìn)器并不是一項特別新穎的技術(shù);它們已經(jīng)非常有效地推動了航天器，并通常推動航天器進(jìn)入軌道，離子推進(jìn)器還將“黎明號”等深空探測器送到了小行星帶執(zhí)行任務(wù)，但在火箭或噴氣機(jī)應(yīng)用上還有很遠(yuǎn)距離。在近乎真空的太空中，離子推進(jìn)器必須攜帶一種氣體，這些氣體被電離并發(fā)射到相對空曠的太空中才能產(chǎn)生推力。然而，在穿越地球厚厚的大氣層時，“每個人都看到(離子推進(jìn)器的)速度不足以推動飛機(jī)，”沃克說，“沒有人知道應(yīng)該怎樣繼續(xù)這項研究。”
但是巴雷特和他的團(tuán)隊想出了使版本2起作用的三個主要因素。第一個是離子風(fēng)推力器的設(shè)計。版本2的推進(jìn)器由兩排長長的金屬線組成，懸掛在其天藍(lán)色的機(jī)翼下。前排傳導(dǎo)的電壓約為40000伏特，是普通家庭電壓的166倍，這些能量足夠?qū)⒖諝庵写罅康拥碾娮觿冸x下來。
而當(dāng)這種情況發(fā)生時，氮原子將會變成帶正電的離子，由于金屬細(xì)絲的后一排帶有負(fù)電荷，離子就回像磁化的臺球一樣向它傾斜。“在這個過程中，這些離子和中性空氣分子之間發(fā)生了數(shù)百萬次碰撞，”巴雷特說。這就把空氣分子推向了飛機(jī)的后部，形成一股風(fēng)，推動飛機(jī)以足夠快和足夠大的力度向前飛行。沃克指出，巴雷特團(tuán)隊的另一項創(chuàng)新是設(shè)計了一種重量輕但功能強(qiáng)大的電子系統(tǒng)。他說，在這架飛機(jī)問世之前，還沒有人能創(chuàng)造出這樣的一種系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能夠有效地轉(zhuǎn)換輕量電池中的電力去為推進(jìn)器產(chǎn)生足夠的電壓。“而最大的挑戰(zhàn)是離子推進(jìn)器需要2萬或3萬伏特才能工作，而在飛機(jī)上的產(chǎn)生高壓并不容易，”他說，“你想在飛機(jī)上產(chǎn)生40000伏特?當(dāng)時還沒有出現(xiàn)這種技術(shù)。然而史蒂夫·巴雷特(Steve Barrett)找到了一種聰明的方法來實現(xiàn)這種高效的轉(zhuǎn)換。”
最后，巴雷特利用計算機(jī)模型充分利用了飛機(jī)上的每一個設(shè)計元素，從推進(jìn)器和電氣系統(tǒng)設(shè)計到貫穿飛機(jī)的電線。巴雷特說：“功率轉(zhuǎn)換器、電池、機(jī)蓋和機(jī)身——一切都經(jīng)過了優(yōu)化。模擬總是失敗，所以我們不得不做出數(shù)百次改變。最終，他們獲得了試驗成功的版本2。”
密歇根大學(xué)(University of Michigan)航天工程師亞歷克•加里莫爾(Alec Gallimore)并沒有參加這項研究，但是他表示，這一突破有力地證明了離子推進(jìn)器同樣可以在地球上使用。但任何此類用途都可能是有限的，螺旋槳和噴氣機(jī)仍然比巴雷特演示的離子風(fēng)推進(jìn)器要高效得多，這使得客機(jī)不太可能在短時間內(nèi)轉(zhuǎn)換使用離子推進(jìn)器。但推進(jìn)器有一個關(guān)鍵優(yōu)勢：“它沒有聲音，所以用于建筑檢查之類的(無人機(jī))”將是這些推進(jìn)器的理想應(yīng)用，加里莫爾指出。
巴雷特補(bǔ)充說，或者這項技術(shù)也可以用于運(yùn)輸、拍攝或環(huán)境監(jiān)測的無人機(jī)。他說：“想象一下，10年或20年后，無人機(jī)將無處不在。如果這些無處不在的無人機(jī)都會產(chǎn)生很多噪音的話，它們會降低我們的生活質(zhì)量，但這個是無聲的。”
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