沒(méi)有螺旋槳，也沒(méi)有渦輪葉片;無(wú)需化石能源，也不需要太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)——經(jīng)典科幻影視劇《星際迷航》中的離子風(fēng)飛行器有望變成現(xiàn)實(shí)。最近，美國(guó)麻省理工學(xué)院研究人員研制出了一架顛覆傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)的飛機(jī)，即用正負(fù)電極產(chǎn)生的“離子風(fēng)”作為驅(qū)動(dòng)力。這一成果發(fā)表在近期的《自然》雜志上，旋即引發(fā)強(qiáng)烈關(guān)注。
離子風(fēng)推進(jìn)的原理可以直觀地理解為：動(dòng)力系統(tǒng)中包含前后兩個(gè)施以強(qiáng)電壓的正負(fù)電極，前部電極附近的氣體被電離成帶正電的陽(yáng)離子，從而與后部的負(fù)電極相互吸引，并撞擊空氣中的中性分子，形成“離子風(fēng)”驅(qū)動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)。據(jù)此原理，研究人員制造出了一架小型驗(yàn)證機(jī)。該機(jī)重2.45千克，翼展5米，采用彈射起飛，在飛行試驗(yàn)中，以每秒4.8米的速度實(shí)現(xiàn)了45米左右的穩(wěn)定飛行，實(shí)現(xiàn)了人類航空史上首次固態(tài)動(dòng)力裝置飛行器驗(yàn)證飛行。
實(shí)際上，離子推進(jìn)技術(shù)在人造衛(wèi)星、深空探測(cè)等航天領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用。早在1964年，裝有離子推進(jìn)技術(shù)的火箭就進(jìn)行了首次太空試驗(yàn)，1998—2001年，首個(gè)由離子推進(jìn)作為主要?jiǎng)恿Φ暮教炱?ldquo;深空1號(hào)”成功探測(cè)到波瑞利彗星和布雷爾行星。這種離子推進(jìn)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(gè)雞蛋的力氣。盡管這點(diǎn)推力十分有限，但在太空環(huán)境下幾乎不受結(jié)構(gòu)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(tài)控制和軌道變動(dòng)等需求。而且，由于其工質(zhì)消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基于化學(xué)燃燒的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，使它往往更能夠勝任航天器對(duì)推進(jìn)力細(xì)水長(zhǎng)流的需求。
也正是由于重量太大推力太小，離子推進(jìn)裝置長(zhǎng)久以來(lái)并沒(méi)有被大氣層內(nèi)運(yùn)行的飛機(jī)所接受。舉例來(lái)說(shuō)，一架載客160人、起飛重量在80噸級(jí)的噴氣客機(jī)，其單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)重約2.4噸，能夠產(chǎn)生最大120千牛的推力。如果換成推力相同的離子推進(jìn)器，則單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)重量可能將增至1.2萬(wàn)噸——比整架飛機(jī)的重量都大上好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
通過(guò)采用鋰聚合物電池并引入更加輕便高效的電氣系統(tǒng)，上述研究人員為驗(yàn)證機(jī)配備的離子風(fēng)驅(qū)動(dòng)裝置單位質(zhì)量輸出功率高出傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換裝置5至10倍，使其最終能夠作為大氣層內(nèi)飛機(jī)的動(dòng)力裝置。然而該套裝置的推進(jìn)效率目前仍然無(wú)法滿足載人飛機(jī)的推進(jìn)需求，且機(jī)身表面存在大面積的外露電極。
如同最早的軌道機(jī)車跑不過(guò)馬車，新技術(shù)的起始往往并不完善。盡管今天的離子驅(qū)動(dòng)飛行器還未超過(guò)航模的重量和速度，但該機(jī)的試驗(yàn)成功無(wú)疑為航空飛行器的動(dòng)力發(fā)展開(kāi)辟了一條新的道路，為今后開(kāi)發(fā)出更安靜、更環(huán)保、機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的飛機(jī)提供了可能性，這項(xiàng)成果堪稱人類航空史上的又一座里程碑。
(作者單位為北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院)
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