这年头,都想放个大新闻,飘升机都上Nature了

本周《自然》发表的一篇论文Flight of an aeroplane with solid-state propulsion描述了一架采用固态推进系统的小型飞机的飞行,而一般飞机采用带有活动部件的发动机。这使得制造更安静、机械更简单且不产生燃烧排放的飞机成为可能。


飞机的设计

一直以来,飞行器的动力来自带有活动部件的发动机,例如推进器或涡轮机,并且通常依靠化石燃料燃烧。有人提出采用电空气动力学装置——通过电力加速流体中的离子以形成离子风来产生推力,作为推进飞行器的一种替代方法。但是,之前没有这样的飞机飞行过。

美国麻省理工学院的Steven Barrett及其同事设计了一架带有电空气动力推进系统的小型固定翼飞机,并进行了试飞。该飞机重2.45千克,翼展5米,依靠定制系统提供动力。定制动力系统包含一个电池组和高压电源转换器,输出功率约500瓦。在10次试飞中,飞机在室内空间成功飞行了60米,平均飞行高度为0.47米。尽管整体效率较低,但是其推功比与传统推进系统(如喷气发动机)相当。作者报告说,这种特殊的飞机设计优先考虑的是小机型而不是高效率,但未来的设计可以提高效率。

本项研究表明利用离子风的空气动力,可以推进飞机稳定水平的飞行

作者总结表示,该电空气动力学推进飞机的初始试飞与活动部件推进飞机的早期飞行相比,可谓略胜一筹。

Nature|doi:10.1038/s41586-018-0729-3

“未来,飞行应该摆脱推进器和涡轮——像《星际迷航》中看到的那样,伴随一道蓝光,飞机一掠而过。” Steven Barrett说。

Barrett是麻省理工学院的一位航空航天学家,最近他的团队开发出了一架由近乎无声、没有活动部件的发动机驱动的飞机。

100多年来,飞机飞行依靠的是基于发动机的推进器和涡轮,并主要由化石燃料驱动。但Barrett想要寻求另一种选择。“当我得到一份教职工作后,我就想我终于有机会好好探索一番了。”

Barrett发现了一种有效机制:电离空气。“利用电场加速空气,我们成功获得了第一架依靠电空气动力推进的飞机,并完成了首次持续飞行。从很多方面来看 它也是首架固态系统推进的飞机,即没有活动部件。”

这种设计理念至少可以追溯至上世纪20年代。当时,一位古怪的发明家开始利用高压电极做实验,自认为发现了反重力。当然事实并非如此,但是这些初步工作为后来在大气中制造离子风奠定了基础:通过高压电极电离空气,然后对电离空气进行加速。

Barrett的团队在设计中尝试采用与传统飞行器相仿的外形,但是机翼下面并没有传统的发动机,而是一系列电极,前端由极细的电线阵列组成,后端是翼型阵列。将前端的细电线电压设置到非常高——超过2万伏——就构成了离子源。

“后端的空气电压设置为-2万伏,由此形成一个电场。离子从正极流向负极,途中不断与中性空气分子发生碰撞,由此形成的风流向飞机尾部,这基本就是这架飞机的飞行方式。”

体育馆首飞

在一次演示中,飞行持续了10秒左右,一共飞了约60米——非常短。

“这受限于我们所能找到的体育馆的大小。我们缺资金缺时间,只想尽快把事情做出来,这是我们手头仅有的资源,所以我们直接问负责人能不能使用体育馆。他们要求我们制定一个非常长且详细的安全管理计划,之后我们才得以展开实验。”

实验过程并非一帆风顺,研究团队经历了不少失败的尝试,遭遇了诸如结构性故障、动力电子设备故障等等问题。第一次成功约借助了一半的动力,所以是一次动力滑翔。

“直到这时我们仍不能百分百确定是否真的能成功,但是在那之后我们知道,距离成功飞行只有咫尺之遥——之后不久就实现了首次持续飞行——可能是比空气重的固态推进系统飞机的首次飞行。”

当然,这一技术也存在自己的局限,其中之一是空气的击穿电压,它会随高度变化。Barrett说,“我们从理论上弄清楚了推力密度的范围——推力密度指单位面积可产生的推力——由此可知,在不远的将来,制造无人机等小型交通工具将变得更简单。”

实验室之外

这一电空气动力推进的飞机飞行中近乎无声,从近期来看, Barrett认为这将是一大优势:“试想在十年内,城市地区可能充满各种无人机,监测交通流量、空气污染,或执行其它我们尚无法想象的任务。目前的无人机非常嘈杂烦人,因此开发一种可以无声或近乎无声地推进无人机的方法将非常有益。”

当谈到这一技术的开发和应用,Barrett感叹现时“造飞机”远比过去安全可控。“如果你看一下我们身后这架令人惊叹的飞机——它在1919年完成了首次跨大西洋飞行——当时的人冒着生命危险换取了这种进步。今天的我们不用冒着生命危险就能通过远程遥控进行测试,不需要飞行员参与试飞。这意味着飞机体积可以大幅缩小,让它们的制造和测试成本都更低。”

“至于它的实际应用……我不知道是否很快会出现能载人的大飞机。如果能够成真,我一定会非常兴奋。”

(Nature自然科研)

[修改于 10 个月前 - 2018-11-22 22:01:47]

+1  科创币    SPARK   2018-11-23   鼓励鼓励
+1  科创币    SPARK   2018-11-23   再次鼓励
来自 科创茶话
4
2018-11-22 22:06:45
1楼

感觉电离空气会产生氮氧化物污染?

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2楼
该飞机重2.45千克,翼展5米

即使不计电池这种高密度物体的重量,一个如图中所示宽5m的强度能承受一定加速的结构做到2.45kg也是非常惊人的

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2018-11-23 00:20:03
3楼

在低轨维持轨道高度的应用上应该会更有价值

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4楼

我准备开始做离子推进飞机了,我有信心超过麻省理工的,让他们看看中国的离子推进技术。

我打算申请个风行动资金资助,和制作离子推进飞机同时进行。


+1  科创币    虎哥   2018-11-23   试一试
+1  科创币    虎哥   2018-11-23   再试一试
+1  科创币    虎哥   2018-11-23   再再试一下。
+5  科创币    radio   2018-11-23   我缩滋磁
+1  科创币    154454496   2018-11-25   支持老前辈,顺便测试加分2333。
+2  科创币    苦难成人   2018-12-01   加油💪
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4
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5楼

ETH Zurich的AtlantikSolar 2翼展5.6米,也就6.84KG,人家可是自带整套太阳能电池,可以无限续航的哦,而且声音也没多大嘛,基本飞出10米远你就啥都听不到了,何必整这些幺蛾子。

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虎哥(作者)
6楼

在大气中工作的纯固态发动机,是多少人的梦想。不过呢,现有方法都只有在带电离子上面做文章,所以。。。怕水。不光怕水,湿度不一样效果都不一样。

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2018-11-24 04:51:38
7楼

其实这东西 完全符合nature。。。。

再看看上次激光诱导特斯拉,APL还是PRL,好多民间玩具能放新闻。。。在线请一批学术顾问,办个大学

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2018-11-26 13:23:42
2018-11-26 13:23:42
8楼

@虎哥,我的身份认证2麻烦帮我审核通过一下,我想申请个风行动资金

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2018-11-30 16:52:52
2018-11-30 16:52:52
9楼

@虎哥,我关于离子推进器飞机的风行动资金申请已提交,如有需要补充和修改请告知,谢谢

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虎哥(作者)
10楼
引用:wangrui555 发表于9 楼的内容:
@虎哥,我关于离子推进器飞机的风行动资金申请已提交,如有需要补充和修改请告知,谢谢

您申报将近1万元的经费,就算是本科生做个校内小项目,如果经费1万的话,好歹也要有初步的计算仿真和实验设计。您的申报书,实在不知从何说起。

对于新的应用,建立设计框架是重要的,风行动会优先支撑理论模型研究。就算设计一个实验装置测定不同形式的电荧丝的离子转换效率,不同形状和强度加速电场的推进效率,出两张后人可以用的量化图表,根本不做飞机,其学术贡献也比看到人家发了nature然后自己也搞一架飞机边做边看好。

不是说不能搞飞机,科技发展到现在这个年代,就研究而言,真没有多少低垂果实了。所以要注意选题,去掉不必要的东西,直击要害。比如在空气中工作的,实用推重比的全固态推进器,就是一个挑战。可以从与之相关的某个小小的问题开始研究。

当然,根据您的情况,也可以申报雨行动,最高可报2000元,这个资助行动对学术性要求较低,可以做一架规模小些的飞机体验一下。

[修改于 9 个月前 - 2018-12-01 04:05:36]

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2018-12-1 08:07:29
11楼

感谢虎哥的指正和建议。


我还是等我离子推进飞机成功之后,再申请风行动或雨行动资金吧,我觉得根据成功的实物,测量总结出的理论和图表比较准一些。


对于新的应用,我还是习惯摸着石头过河,等我到了对岸,有机会再回过头绘制正确路线给后人吧。

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