沒有螺旋槳，也沒有渦輪葉片;無需化石能源，也不需要太陽能驅(qū)動——經(jīng)典科幻影視劇《星際迷航》中的離子風飛行器有望變成現(xiàn)實。最近，美國麻省理工學(xué)院研究人員研制出了一架顛覆傳統(tǒng)動力系統(tǒng)的飛機，即用正負電極產(chǎn)生的“離子風”作為驅(qū)動力。這一成果發(fā)表在近期的《自然》雜志上，旋即引發(fā)強烈關(guān)注。
離子風推進的原理可以直觀地理解為：動力系統(tǒng)中包含前后兩個施以強電壓的正負電極，前部電極附近的氣體被電離成帶正電的陽離子，從而與后部的負電極相互吸引，并撞擊空氣中的中性分子，形成“離子風”驅(qū)動飛機前進。據(jù)此原理，研究人員制造出了一架小型驗證機。該機重2.45千克，翼展5米，采用彈射起飛，在飛行試驗中，以每秒4.8米的速度實現(xiàn)了45米左右的穩(wěn)定飛行，實現(xiàn)了人類航空史上首次固態(tài)動力裝置飛行器驗證飛行。
實際上，離子推進技術(shù)在人造衛(wèi)星、深空探測等航天領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用。早在1964年，裝有離子推進技術(shù)的火箭就進行了首次太空試驗，1998—2001年，首個由離子推進作為主要動力的航天器“深空1號”成功探測到波瑞利彗星和布雷爾行星。這種離子推進裝置通常重約百千克以上，推力往往不到一牛——大致等同于在地球上舉起一個雞蛋的力氣。盡管這點推力十分有限，但在太空環(huán)境下幾乎不受結(jié)構(gòu)重量的限制和空氣阻力的影響，這一微小的推力即可滿足姿態(tài)控制和軌道變動等需求。而且，由于其工質(zhì)消耗遠遠小于基于化學(xué)燃燒的火箭發(fā)動機，使它往往更能夠勝任航天器對推進力細水長流的需求。
也正是由于重量太大推力太小，離子推進裝置長久以來并沒有被大氣層內(nèi)運行的飛機所接受。舉例來說，一架載客160人、起飛重量在80噸級的噴氣客機，其單臺發(fā)動機重約2.4噸，能夠產(chǎn)生最大120千牛的推力。如果換成推力相同的離子推進器，則單臺發(fā)動機重量可能將增至1.2萬噸——比整架飛機的重量都大上好幾個數(shù)量級。
通過采用鋰聚合物電池并引入更加輕便高效的電氣系統(tǒng)，上述研究人員為驗證機配備的離子風驅(qū)動裝置單位質(zhì)量輸出功率高出傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換裝置5至10倍，使其最終能夠作為大氣層內(nèi)飛機的動力裝置。然而該套裝置的推進效率目前仍然無法滿足載人飛機的推進需求，且機身表面存在大面積的外露電極。
如同最早的軌道機車跑不過馬車，新技術(shù)的起始往往并不完善。盡管今天的離子驅(qū)動飛行器還未超過航模的重量和速度，但該機的試驗成功無疑為航空飛行器的動力發(fā)展開辟了一條新的道路，為今后開發(fā)出更安靜、更環(huán)保、機械結(jié)構(gòu)更簡單的飛機提供了可能性，這項成果堪稱人類航空史上的又一座里程碑。
(作者單位為北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院)
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