人类历史上第一架由离子引擎推动的飞机（这架飞机究竟有何过人之处）

这不是科幻，离子发动机飞机真的造出来了！

“曲率引擎”、“离子引擎”等激动人心的科幻术语正在走进现实。

最近麻省理工学院重新发明了飞机，实验结果登上了《自然》杂志的封面。

飞机翼展5米，总重只有2.5公斤，还不到一个行李箱的重量，飞行高度只有1米左右。但它是人类历史上第一架由离子发动机推进的飞机。

麻省理工学院航空航天副教授史蒂文巴雷特(Steven Barrett)说，“这是第一架推进系统中没有移动部件的飞机。”

“这种飞机更安静，机械结构更简单，不排放可燃物。”

这架飞机有什么特别之处？这是一架纯固态发动机飞机：它没有旋转部件，由一种叫做“离子发动机”的东西驱动。

没有风扇，全靠电池。

离子发动机和涡扇发动机有什么区别？

普通飞机的发动机看起来就像一个大型吹风机，旋转的风扇不停地向后方吹风，为机翼提供升力。

离子发动机也是靠吹风，但它没有“风扇”，而是电场制造的“离子风”。

这种现象在生活中很常见。当我们插上电源时，电火花是由空气电离引起的。

电压越高，离子加速越快。巴雷特教授的团队使用了54个3.7伏的锂聚合物电池，可以提供大约200伏的电压。但是这个电压对于离子发动机来说还是太低了。

为此，他们设计了一种电源，可以将电池输出转化为高压电来推进飞机。这样电池最终会输出40000伏的高电压。

200伏直流电变成4万伏高压需要几个步骤？

逆变器：将DC转换成500~700 kHz交流电；

变压器：将低压交流电转换成高压交流电。在实验中，电压增加了1:15倍，达到7 kV。

电压倍增器：将交流电转换成更高电压的DC，从7千伏交流电到40，000千伏DC。

这三步产生的电压可以发出巨大的电火花，你甚至可以用来治疗网瘾(大错特错)。

也许你会问，为什么要把DC变成AC，再转换成DC呢？这是一个很有意思的问题。100年前特斯拉和爱迪生也为此争论过，后来特斯拉赢了。

有了40000伏的高压，我们可以用它来脱离空气。

电线一旦通电，强大的电场会使阳极吸引周围的氮分子，将氮分子中的电子剥离，就像一块巨大的磁铁吸引铁屑一样。原本中性的氮分子失去电子后变成了带正电荷的离子。

一个分子冲击多个分子，戴奥代达导致雪崩电离。

离子化的氮气分子被吸引到带负电的电极上。氮离子在去负极的路上，会撞上其他氮分子，变成正离子，就像雪崩一样。

正离子在高电压的作用下飞到飞机尾部，形成由离子组成的“风”。

在这个过程中，每个离子与其他空气分子碰撞数百万次，产生推力推动飞机前进。

现代莱特兄弟

在麻省理工学院的室内体育馆里，巴雷特教授的团队进行了他的实验。

飞机以每秒5米左右的速度平稳飞行了60米，直到撞墙。研究人员进行了10次测试，飞机在每次测试中都表现出稳定的性能。没有耗尽电力的迹象，也没有噪音。

发动机提供3.2牛顿的力，大约相当于举起六个鸡蛋的重量。

经过计算，离子发动机使飞机上升了约0.47米。

感觉就像莱特兄弟第一次成功试飞。

但这项技术不应该被嘲笑，就像莱特兄弟的实验一样。

高效无污染的离子发动机

“想象一下，10年或20年后，无人机将无处不在，这意味着我们的耳朵将充满无人机噪音。我们可以让他们安静下来。”巴雷特教授说。

在这架飞机上，你不再需要降噪耳机了。

现在每天在空中飞行的客机都会排放大量的温室气体。一般的国内航班需要添加几吨燃油，最终这些燃油会变成二氧化碳，被排放到空气中。离子发动机不需要燃料，不会排放污染物，是一种清洁能源。可以说是“飞机里的特斯拉”。

此外，离子发动机的“比冲”极高。比冲是发动机的效率，可以理解为单位重量的“燃料”允许航天器获得的速度。

燃油从发动机尾部喷出越快，比冲越大，飞机耗油越少。

虽然离子不燃烧，但在强电场的作用下，“燃料”会以每秒一万米的速度喷射出来。

在《火星救援》年，马特达蒙的一组宇航员使用了离子发动机。起初，发动机的功率很小，但在没有空气阻力的太空中，经过多年的加速，飞船会达到非常惊人的速度。而且它的效率是普通火箭发动机的10倍以上！

实际问题

这项技术如此强大，以至于在20世纪20年代之前就开始研究了。为什么不能商业化？

有几个主要原因：

离子发动机的推力太低了。如前所述，它只能承载2.5kg的飞机，甚至小于一名乘客免费托运行李的重量。所以NASA只能先在微重力和无空气空间使用。

航天器用离子推进器

充电2小时，飞行1分钟。这种飞机发动机的输入功率是600瓦，54块锂电池只能供电90秒左右。

效率太低。输入功率600瓦，输出功率只有15瓦。MIT飞机最终实测效率只有2.5%左右。效率问题不解决，就很难实际。

巴雷特教授对“离子发动机”飞机将很快投入使用不抱幻想。

他预测，在短期内，这种离子风推进系统可以用于飞行时间短的无人机，以避免恼人的螺旋桨噪音问题。

他还设想离子发动机可以与燃料发动机合作，创造出更省油的混合动力客机和其他大型飞机。

或许就像115年前的莱特兄弟一样，这次飞行可能会颠覆未来的航空业。

这篇自然论文在这里：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0707-9

还有一点

有朋友问：没有风扇的发动机可以当无风扇吹风机用，顺便颠覆戴森吗？

风力是足够了，但是也有4万伏的高电压