首架「電空氣動力」飛機面世，通過放電製造「離子風」飛行
沒有螺旋槳照樣能飛。科學家研製出一架尺寸與汽車相當的新型飛機，通過對空氣放電使其電離，可以產生從正極吹向負極的「離子風」，從而推動飛機前進。
概念圖：solid state airplane；供圖：Steven Barrett，麻省理工學院
科學家們發明了一架不用任何可動部件就能自行推進的飛機。它通過對周圍的空氣放電來產生「離子風」，從而推進自身前進。
研究人員表示，儘管這種新型飛機要想像傳統飛機那樣自由自在地載重飛行，還有很長的路要走，但總有一天，這項技術能在無聲隱形飛機和微型無人機上得到應用。
讓飛機悄無聲息地飛行
自從萊特兄弟在100多年前開創性地實現動力飛行以來，幾乎每架飛機都要藉助螺旋槳或渦輪葉片等可動部件才能飛行。但最近幾十年來，科學家們已經發現了新的飛行機制：飛機在不使用任何可動部件的情況下就能飛起來。該飛行機制被稱為「電空氣動力推進（electroaerodynamic thrust）」，是一種全固態的推進方式。
圖註：「全固態飛機」在試飛中拍攝的連續圖像
「從我還是個孩子的時候，就一直是《星際迷航》的粉絲。我一直在想，未來的飛行器應該是什麼樣的」，這項研究的通訊作者史蒂文.巴雷特(Steven Barrett)說道。目前，巴雷特是麻省理工學院(MIT)的一名航空航天工程師，他表示：「我不認為飛機必須要有螺旋槳或渦輪機，它們應該可以利用某種電磁推進裝置悄無聲息地滑翔，就像《星際迷航》里描寫的那樣。在我看到過的各種物理學原理中，唯一可能實現這個目標的就是電空氣動力學。」
用「離子風」推動飛機
電空氣動力飛機通過一個被稱為「發射極」的電極來發送電流，這會使周圍的空氣充滿能量（被電離），然後這些帶電的空氣分子會被吸引到飛機上的另一個電極附近，被稱為「收集極」。這樣，就形成了一股可以推進飛機的「離子風」。
圖註：對空氣放電，使其電離，形成從正極到負極的「離子風」
巴雷特說：「這種效應從上世紀20年代就已為人所知，但直到最近，人們都未能對電空氣動力推進的物理機制有足夠充分的了解，從而利用這一原理生產出真正的飛機。」
到目前為止，電空氣動力飛機大多數還停留在小型桌面「升降機」的階段，只能在空中短暫地懸停。但經過九年的研究，巴雷特和同事們現在終於研製出第一架真正的電空氣動力飛機，它能夠產生足夠的離子風來進行持續飛行。
「人們過去都認為這是不可能的」，巴雷特說。
首架「電空氣動力」飛機
這架新型飛機長約2米，翼展約5米。研究人員選擇了一個相對較小的翼展來降低其重量，從而減少飛行所需的動力。
該飛機的機翼是用碳纖維、巴爾沙輕木、擠塑聚苯乙烯和收縮性塑料薄膜製成，而機身則由碳纖維，凱夫拉爾纖維和擠塑聚苯乙烯製成。「一切都是為了使飛機儘可能的輕」，巴雷特說。到最後，這架飛機的總重量只有2.45千克，而且其中近一半的重量都來自電池和其他用于飛行的電子器件。
飛機機身內裝有鋰聚合物電池。這些電池會對輕薄的正電極線路充電，這些線路就像柵欄一樣沿著機翼的前緣排列在機翼下表面，作為產生離子風的發射極。而較厚的負電極線路則沿機翼的後緣排列在其下方，作為離子風的收集極。
在試飛中，操縱者通過無線電信號來遙控飛機。飛機由富有彈力的蹦極繩索來發射，之後，所需的推進力則完全由離子風來提供。
在研究中，並非每次試飛都能順利進行。有時飛機會直接撞到牆上；還有幾次，「我們把健身房作為測試場地時，飛機直接撞到了地板上，然後用4萬伏特的高電壓轟擊了地板」，巴雷特說。
圖註：「電氣動」飛機由「離子風」推動飛行
儘管如此，科學家們通過反覆測試表明，這架飛機每次可以飛行約55米，速度約為每小時17.3公里。法國圖盧茲大學的流體力學研究員弗朗克.普拉布埃(Franck Plouraboué)表示：「這是一個很大的進步，因為之前所有用離子風飛起來的東西都只有幾克重」，他沒有參與這項研究。
提高效率、消除所有「可動」部件
目前，這種新型飛機將儲能轉化為推力的效率只有2.5%左右；相比之下，採用常規推進原理的飛機經過多年的優化，能量轉化效率已接近50%。巴雷特說：「這裡有一部分原因是，我們並沒有為了效率而優化設計，而只是盡量減小飛機的尺寸、降低技術風險。」對於將要製作的第二架原型機，研究人員的目標是通過更低的電壓來產生更強的離子風，從而使能量轉化效率達到15%，他補充說。
科學家們指出，電空氣動力飛機會比常規飛機更安靜，機械結構更簡單，並且不會排放對環境有害的燃燒廢氣。他們補充說，由於這種飛機無需可動部件，還可能實現傳統推進技術無法做到的飛機體型的極小化。不過巴雷特表示，當前的研究目標仍然是造出更有效率的飛機，讓它們在執行實際任務之前，可以飛得更久，距離更遠。
圖註：科幻場景中的電空氣動力飛行器
雖然這種飛機不需要可動部件來實現推進，但目前它仍然需要其他可動部件——比如方向舵——來控制飛行轉向。科學家們希望在未來能夠將這些可動部件也一併消除，「並通過改變電場（的強度和方向）來控制飛行」，巴雷特說。他們還想用與機身集成的電極來代替外掛式電極，「這樣飛機的外殼就能直接變成推力發生器」，巴雷特表示。
總之，研究人員們認為，他們的原型機比萊特兄弟的第一次試飛要順利得多。 「關於這項技術的未來發展，我們還有很多想法想要去嘗試」，巴雷特補充說。
該研究的詳細內容發表在11月22日的《自然》雜誌上。
作者 | Charles Q. Choi
翻譯 | 孟慶宇
責編 | 高佩雯
美國物理聯合會（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience專欄獨家供稿
https://www.insidescience.org/news/no-propellers-no-problem-new-kind-aircraft-takes-flight
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