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人类历史上首架“离子推进”飞机成功进行了试飞，这一里程碑式的事件标志着航空科技迈出了重要一步。与传统飞机不同的是，这架飞机没有发动机，而是利用离子推进技术来产生推力。这项技术利用电场加速离子并产生推力，相比传统喷气发动机，这种推进系统更加节能环保。在试飞中，飞机成功完成了起飞、巡航和降落等多个阶段，展示了离子推进技术的潜力和可靠性。专家认为，这一突破将推动航空领域的创新发展，为未来的飞行器带来更加高效和环保的动力解决方案。
-12-07 11:08
1903 年，莱特兄弟发明了“飞行者一号”，首次飞行成功时，引起了轰动。100多年来，飞机的外形、燃料、动力装置等都发生了翻天覆地的变化。如今，人类还想发明通过离子风驱动的飞机，既没有涡轮机、螺旋桨，也没有像飞船尾部那样的大喷口，更告别了引擎，简直是颠覆了飞机现有的原型。
麻省理工学院的副教授Steven Barrett领导的团队，就研发出了这样一架飞机，并在室内试飞成功了。在 10 多次的试飞中，这架飞机在 10 秒内飞行了 60 米，而且飞行时像幽灵一样安静。据Steven称，离子风飞机的灵感来源于《星际迷航》，电影中飞机和宇宙飞船的酷炫外形，使他联想到可以利用物理学知识，创造新的飞行器。而他设计的这架飞机是由“离子”推进的，简单来说，就是高压下空气被电离，产生的离子从较小的电极向较大的电极移动，行进时离子与其他空气分子不断碰撞，不需要燃料，就能产生推力了，而且由于离子可以固定在两个电极之间移动，因此也不需要其他活动部件。
Steven认为，这项技术还可能为无人机带来变革。如今，无人机在运输、环境监控、拍摄等领域的应用与日俱增。想象一下，或后，无人机将无处不在，那时我们耳边将全是无人机的噪音。而这项技术，能让它们变安静。
但离子风飞机仍面临着巨大挑战，因为启动离子驱动器需要很高电压，最低为2万伏。如果给更大飞机制造动力，可能需要4万伏电压。但Steven的团队还是对未来充满信心，毕竟他们实现了离子推进技术的首次飞天，还被美国媒体誉为“可以载入史册的壮举”！
不知道，这会不会掀起飞机行业的新革命呢？说不定我们在有生之年，还能坐上这种无污染、无噪音的飞机呢，你们说呢？
离子风推进
巴雷特的灵感来源于《星际迷航》（Star Trek）。他在小时候看到《星际迷航》中梦幻般的飞行器时，就在想，这正是他梦想中未来飞机的飞行方式。
星际迷航中的企业号（来源：onceuponageek）
9年前，巴雷特开始带领MIT航空航天系的团队，探索打造新型飞机的可能性。他采用的推进方案是电空气动力学，也就是“离子风”。当气流经过两个电极（一薄一厚）之间时，一旦施加足够的电压，电极间的空气分子就会电离、被电极另一端吸引，在移动过程中与周围空气分子碰撞从而产生推力。巴雷特猜想，如果电压够高，离子风或许能推动小型飞行器。
事实上，早在上世纪50年代，就有科学家提出，离子风不可能成为飞机的动力。而在很长一段时间内，不信邪的巴雷特团队研发进展也并不顺利。他们只能让小型飞行器短暂滑行几秒钟，距离产生足以维持更大型飞机飞行的离子风还很远。因此，他们在设计新的飞机原型时，也不敢抱有太高的期望——他们甚至都没有起一个响亮的名字，以至于这架飞机最终顶着“第二版”（Version 2）这个平淡的名字，完成创造历史的飞行。“我想的是，我们只有50%的成功几率，”巴雷特说，“我在MIT的同事更悲观，认为成功的概率只有1%。”
直到某天夜里，出差在外的巴雷特因为时差而失眠，“我干脆起床来思考，离子风飞机究竟是否可信，”巴雷特讲述道，“我做了一些初步的计算，这时我知道：没错，我找到了可行的推进系统。”
飞行60米
十年磨一剑，巴雷特团队在论文中展示了名为“第二版”的飞机原型。飞机翼长5米，质量只有5磅（2.45千克）。在机翼前端下方，研究团队固定了一排与机翼平行的细金属线；而在机翼后侧下方，是一排较粗的金属线。这些看似简单的导线，就是驱动离子风飞机的核心部件。
飞机结构图。可以明显看到电极和电线的位置（来源：研究论文）
试验时，飞机上的电池向前端的金属（正极）施加2万伏电压。高压将空气中氮气的电子剥离，氮原子变为带正电荷的离子。而后侧的金属带负电荷（负极），这些氮正离子就像被磁铁吸引的铁屑，迅速向后排移动。“沿途它们会与数百万的中性空气分子碰撞。”巴雷特说，这些空气分子如同被撞击的台球，被推向飞机后方，从而产生足够的推力。
在MIT的一座室内体育馆，巴雷特的愿望迈出了第一步。研究团队测试了“第二版”的飞行性能。与那些坚持不过几秒的前任相比，“第二版”以每小时17千米的速度平稳飞行了60米，直至撞上墙壁。研究者共进行了10次测试，飞机在每次测试中都有稳定的表现。期间没有动力耗尽的迹象，也没有恼人的噪音。
飞行测试现场
在巴雷特看来，除了离子风推进器的设计，取得成功的另一项关键因素，是设计出很轻，但足够强大的电气系统。在此之前，没有人能用轻质的电池产生如此高的电压。“想要在飞机上施加4万伏的电压？这样的技术根本不存在。而巴雷特找到了一条新颖的解决途径。”佐治亚理工大学的航天工程师米切尔·沃克（Mitchell Walker）说。
MIT电子学研究实验室的戴维·佩罗（David Perreault）团队设计了飞行器的电气系统。他们为机身安装了一排聚合物锂电池，电池通过轻便的转换器，提供了所需的高压。
此外，研究团队通过计算机模拟，让飞机上的所有元件都发挥最大功效。从推进器到电池，从机身到飞机上的每一条电线，所有配件的设计都得到最优化。巴雷特说，经过数百次的调整，他们最终得到了“第二版”飞机。
从无人机起步
离子推进器的概念并不是首次出现。在航天领域，离子推进器不仅用于将航天器送往既定轨道，还将“黎明”号小行星探测器送至小行星带。在近乎真空的太空，离子推进器需要携带用于电离的气体，从而获得推动力。但在拥有致密大气层的地球上，故事又不一样了。“所有人都清楚，离子推进器产生的速度不足以推动一架飞机，”沃克说，“之前没有人知道该怎样让它前行。”
密歇根大学的航天工程师亚历克·加利莫尔（Alec Gallimore）说，这项工作证明了，离子推进器同样可以用在地球上。但“第二版”的效率仍然很低，与推动真正的飞机相距甚远。因此，通过离子推动的载人飞机在短期内也不会出现。
巴雷特同意这个观点。接下来，他正试图提升飞机的效率，用更低的电压制造出更大的离子风。研究者还希望提升推力密度，即单位面积产生的推力。目前，为了确保“第二版”飞行，机身上安置了大面积的电极。而巴雷特的最终目标，是让包括电极在内的飞机推进系统不可见。
“这需要长时间的研究，”巴雷特说，“从基本理论到真正在空中飞行的机器，是很漫长的一段旅途，需要解决物理、设计上的种种问题。现在，我看到的是，这样的推进系统具有理论上的可行性。”
这项研究登上本期《自然》封面
对于离子风飞机的未来，巴雷特认为，这项技术将可能首先为无人机带来变革。现在，无人机在运输、拍摄、环境监控等领域的应用与日俱增。“想象一下，或后，无人机将无处不在，这意味着我们耳边将全是无人机的噪音。而我们，能让它们变安静。”
而在展望更长远的目标时，巴雷特有着更大的野心。他希望离子风推进技术能与传统的燃烧系统结合，打造油耗更低的“混合型”客机，以及其他大型飞行器。或许，正如1前那次只持续了12秒的飞行，这次试飞也可能在未来改变甚至颠覆航空界的面貌。
原始论文：
/10.1038/s41586-018-0707-9
参考链接：
/article/silent-and-simple-ion-engine-powers-a-plane-with-no-moving-parts/
/pub_releases/-11/miot-mef111618.php
/science//nov/21/first-ever-plane-with-no-moving-parts-takes-flight
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