科幻照進現實：離子推進飛機重新定義了飛行！

人類從來不滿足於行走在二維的地球表面上，而是想要像鳥兒一樣在空中飛翔。在古希臘神話中，我們看到了伊卡洛斯披戴著用蠟和羽毛製作的翅膀飛向太陽的畫面。而真正嘗試為人類插上翅膀的研究則始於幾百年前。

1502年，達芬奇研究鳥類的翅膀，嘗試製作機械飛行器。

1799年，喬治·凱利爵士（Sir George Cayley）提出現代飛機的概念，這種飛行器有著固定的機翼，獨立的上升、推進、控制系統。

1856年，勒·布里斯（Jean-Marie Le Bris）讓一匹馬在沙灘上拉著他的滑翔機」人造信天翁「進行了第一次動力飛行。

1867到1896年，「蝙蝠俠」 李林塔爾（Otto Lilienthal）發展了比空氣重的飛行器。

1903年12月17日，萊特兄弟發明了第一架飛機，並進行了」第一次重於空氣的航空器進行的受控的持續動力飛行「。

1939年，出現第一架渦輪噴氣式飛機。

2018年11月，MIT的工程師成功地用離子風推動飛機，不用螺旋槳，不用渦輪機，沒有任何動的部件。

MIT科學家研發的飛機類似於一架巨大的、質量很輕的滑翔機。在機翼下方有著柵欄一樣排列的電線陣列（藍/白色水平橫杆），這些電線作為帶電荷的電極，產生離子風，推動飛機前進。| 圖片來源：Christine Y. He

離子風到底是什麼？竟然可以讓飛機不用扇動翅膀，不用轉動螺旋槳，也不用渦輪機噴射燃料氣體，就能飛翔？下面一幅圖會告訴你其中的奧秘。

離子風如何讓飛機飛翔？ | 圖片來源：Guardian graphic. Source: Steven Barrett, MIT

正如同噴氣式飛機能夠飛行是因為牛頓第三定律——燃料的推力會產生反衝力，離子風驅動飛機的原理也很簡單：正電極的高壓電場會吸引自由電子，這些電子與周圍的空氣分子碰撞，釋放出更多自由電子，這個過程被稱為電子級聯。而電離的正離子會沿著電場向負電極移動，與周圍的數百萬的空氣分子碰撞，形成離子風。

離子風。| 圖片來源：MIT

事實上，離子風也被稱為電空氣動力推力，它的物理學原理在上世紀20年代的時候就已經被提出：如果在兩個電極（一薄一厚）之間通上電流，就會產生離子風；如果電壓足夠強，那麼，電極之間的空氣將能夠驅動一架小型飛機。

但是，從理論到現實的道路卻無比漫長。很多年以來，擺弄一個小小的飛行器，用巨大的電壓產生一點點離子風，恰好足夠讓它在桌面上空盤旋片刻，人們就心滿意足了。要產生足夠強的離子風來驅動一架大型飛機持續飛行，那簡直是遙不可及的事情。

然而，MIT的航空學與航天學專家Steven Barrett想要實現自己兒時的想法：未來的飛機應該像《星際迷航》中的飛行器一樣，沒有螺旋槳，也沒有渦輪機，可以悄無聲息地從空中掠過，不用動一下任何部件。

上世紀60年代，許多研究都為離子風推進器敲響著喪鐘，當時的結果表明，只有大約1%的輸入電能最終會被用於驅動。但是，至少有三個因素讓離子風依然吸引著飛行器研究者的注意：首先，當飛機的速度提高時，能量轉換率會顯著提高，例如，當飛行速度達到300米每秒時，能量轉換率可以高達50%。其次，許多研究表明，離子風能夠增強機翼的空氣動力。第三，該技術可以促進所謂的分散式推進的發展，這被認為是飛行術需要改進的一個主要方向。

在一個被時差攪擾的不眠之夜，Barrett開始在信封背面進行計算，結果發現，或許離子風會是一種可行的驅動系統。

然而，一個更為具體的問題接踵而至——離子風推進器的設計如何實現？這需要電子學研究小組的幫助。離子飛機團隊的另一位成員David Perreault設計了一種鋰聚合物電池，可以通過一個輕質的電源轉換器將電池的能量有效地轉化為高壓電，通過這種方式，電池能夠為電極提供4萬伏電壓，產生足夠強的離子風，推動飛機飛行。

終於，經過九年的努力，以及無數次的失敗，他們設計的飛機試飛成功——在一個無風的體育館裡飛行了60米，持續時間12秒！

離子風飛機重2.45千克，機翼展開的寬度約為5米。不用渦輪機，不用化石燃料，不用任何動的部件，而是直接用電，電離的空氣分子形成離子風，推動飛機「靜悄悄」飛行了60米。重複10次，每次都能夠平穩飛行。| 視頻來源：MIT

從基本的物理學原理到構想出一件真正可以飛行的物件是一段漫漫長路，然後還要設計、製造。目前的離子飛機不過是最簡單的設計，但是，它證明離子飛機——它更安全、沒有噪音、不消耗化石燃料也不排放燃燒廢氣——是能夠飛行的，這為飛機設計和製造開創了一種嶄新的、未經探索的可能性。

離子風飛機或許可以用來驅動小型無人機，甚至是輕型飛機。| 圖片來源：MIT Electric Aircraft Initiative

從人類想要像鳥兒一樣飛翔，到1799年提出具有固定機翼的現代飛機的概念，再到1903年萊特兄弟製造出第一架飛機，人類一直在努力前行。離子飛機技術還需要很多改進，才能經得起風雨，才能穿越大洲大洋，但是Barrett說：」我相信我們可以做到。」

參考來源：

http://news.mit.edu/2018/first-ionic-wind-plane-no-moving-parts-1121

https://www.theguardian.com/science/2018/nov/21/first-ever-plane-with-no-moving-parts-takes-flight

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