MIT設(shè)計(jì)的飛機(jī)是電空氣動(dòng)力推進(jìn)的一個(gè)里程碑。圖片來(lái)源：MIT

本報(bào)訊 1903年，萊特兄弟那架著名的“萊特飛行者”首次試飛時(shí)，其粗糙的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)鏈旋轉(zhuǎn)著兩個(gè)螺旋槳，肯定制造了巨大的噪音。115年后，另一種全新的飛機(jī)在沒有任何運(yùn)轉(zhuǎn)部件的情況下，像幽靈一樣安靜地飛上了天空。如果研究人員能夠克服按比例放大這項(xiàng)技術(shù)所面臨的艱巨挑戰(zhàn)，這種沒有螺旋槳或渦輪葉片，無(wú)需化石能源或太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的新型飛機(jī)可能會(huì)成為一架安靜的無(wú)人機(jī)，甚至還會(huì)變?yōu)橐患芨��?jiǎn)單的飛機(jī)。

與螺旋槳或噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)不同，這架單人皮劃艇大小的飛機(jī)利用電空氣動(dòng)力學(xué)（EAD）推動(dòng)自身在空中前進(jìn)。這種推進(jìn)方式利用電的作用力將空氣向后送，同時(shí)給飛機(jī)一個(gè)相等的向前推力。

美國(guó)劍橋市麻省理工學(xué)院（MIT）航空工程師Steven Barrett說(shuō)，航空工程師長(zhǎng)期以來(lái)一直認(rèn)為飛機(jī)可以由EAD提供動(dòng)力，但從來(lái)沒有人建造過(guò)能夠舉起自身重量的EAD飛機(jī)。Barrett說(shuō)，當(dāng)自己和同事終于成功時(shí)，他們肅然起敬地站立著。“它花了大約7年的時(shí)間才順利升空。”

在EAD推進(jìn)系統(tǒng)中，一個(gè)強(qiáng)大的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生一種叫做離子風(fēng)的快速移動(dòng)帶電粒子風(fēng)，這些帶電粒子會(huì)撞擊中性空氣分子，把中性空氣分子推到飛機(jī)后面，從而給飛機(jī)一個(gè)推力。這項(xiàng)技術(shù)又稱離子驅(qū)動(dòng)、離子風(fēng)或離子推進(jìn)，已經(jīng)被美國(guó)宇航局開發(fā)用于外層空間，現(xiàn)在已經(jīng)部署在一些衛(wèi)星和航天器上。由于太空是真空的，這些系統(tǒng)會(huì)攜帶像氙這樣的液體來(lái)電離，而Barrett的飛行器則被設(shè)計(jì)用來(lái)電離周圍空氣中的氮分子。

然而，在太空中部署離子驅(qū)動(dòng)器要比在大氣中容易得多。例如，重力引導(dǎo)衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，而離子驅(qū)動(dòng)可進(jìn)行小的路線修正。但在大氣中，飛機(jī)必須產(chǎn)生足夠的推力來(lái)保持自身的高度，同時(shí)還需克服空氣帶來(lái)的持續(xù)阻力。

在進(jìn)行了多次計(jì)算機(jī)模擬之后，Barrett的團(tuán)隊(duì)決定設(shè)計(jì)一架翼展5米、質(zhì)量為2.45公斤（大約有一只雞那么重）的飛機(jī)。為了產(chǎn)生所需的電場(chǎng)，幾組類似百葉窗的電極在飛機(jī)機(jī)翼下運(yùn)行，每組電極都由一根帶正電荷的不銹鋼絲組成，這根絲位于一片帶負(fù)電荷的鋁制泡沫片前面幾厘米處。這架飛機(jī)還攜帶了一個(gè)定制電池組和一個(gè)轉(zhuǎn)換器，可以將電池的電壓從200伏特提高到40千伏。雖然高電荷的電極被暴露在飛機(jī)的框架上，但它們可以通過(guò)遙控裝置加以開關(guān)，從而避免了安全風(fēng)險(xiǎn)。

研究團(tuán)隊(duì)在MIT的一個(gè)體育館對(duì)這架飛機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，為了避免撞上運(yùn)動(dòng)員，他們選擇在業(yè)余時(shí)間工作。Barrett說(shuō)：“曾發(fā)生了一些非常嚴(yán)重的事故。”最終，研究小組設(shè)計(jì)了一種類似彈弓的裝置幫助發(fā)射飛機(jī)。

經(jīng)過(guò)數(shù)百次失敗的嘗試，這架飛機(jī)終于能夠推動(dòng)自己飛起來(lái)了。研究人員在11月22日出版的《自然》雜志上報(bào)道稱，經(jīng)過(guò)10多次試飛，這架飛機(jī)在大約10秒鐘內(nèi)飛行了60米——比萊特兄弟第一次飛行的距離要更遠(yuǎn)一些，且平均高度為半米。

“這是偉大的第一步。”并未參與該項(xiàng)工作且從事EAD微型機(jī)器人研究的加利福尼亞大學(xué)伯克利分校電氣工程師Daniel Drew表示。不過(guò)他警告說(shuō)：“如果他們?cè)噲D讓飛機(jī)的尺寸變得更大，就會(huì)遇到很多問題。”Drew認(rèn)為，最基本的問題在于縮放比例。隨著飛機(jī)體積的增大，其重量的增長(zhǎng)速度將超過(guò)機(jī)翼面積的增長(zhǎng)速度。他解釋說(shuō)，為了保持在空中停留，一架更大的飛機(jī)每單位機(jī)翼面積必須產(chǎn)生更多的推力，而這“從物理學(xué)的角度而言是極其困難的”。

Barrett還沒有作好該飛機(jī)有朝一日運(yùn)送人類的準(zhǔn)備。“顯然，我們還有很長(zhǎng)的路要走，還有很多事情需要改進(jìn)。”他說(shuō)，“但我不認(rèn)為有什么事情是根本不可能做到的。”Barrett表示，可以通過(guò)提高動(dòng)力轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)和電池的效率、測(cè)試產(chǎn)生離子的不同策略，以及將推進(jìn)器集成到飛機(jī)的框架中以減少阻力來(lái)改善推力。

法國(guó)國(guó)家研究機(jī)構(gòu)CNRS和圖盧茲大學(xué)流體力學(xué)研究員Franck Plouraboue表示，為EAD飛機(jī)提供動(dòng)力的一種途徑可能是附著在飛機(jī)頂部的超輕型太陽(yáng)能電池板。

Drew認(rèn)為人們更有可能在未來(lái)看到一群小型的EAD飛機(jī)。Barrett認(rèn)為EAD飛機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是噪音小。他指出，該推進(jìn)系統(tǒng)可以在短期內(nèi)用于低噪音無(wú)人機(jī)，未來(lái)有望與傳統(tǒng)燃燒系統(tǒng)共用，制造出更節(jié)能的混動(dòng)客機(jī)及其他大型飛行器。“如果我們想在城市各處使用無(wú)人機(jī)運(yùn)送物品和監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量，那么嗡嗡聲和噪音污染就會(huì)變得相當(dāng)煩人。”