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未来十年无人机发展方向无声离子推进器式无人机

2022年06月23日 孝感机械设备网

在麻省理工学院(massachusetts institute of technology)的一条室内跑道上,航天工程师史蒂芬•巴雷特(steven barrett)用一块薄薄的白色面纱将他的临时实验室与慢跑者隔开。巴雷特最近试飞了第一架使用离子风推进器(ionic wind thruster)的飞机,这种电子引擎产生并发射充电粒子。

根据巴雷特的说法,利用这一原理驾驶飞机一直是一个“很遥远的想法”,更多是在科幻小说中才会出现的东西。但他还是想试一试,“在《星际迷航》(star trek)中,你会看到航天飞机静静地滑过,”他说,“我想,‘我们也应该有那样的飞机才对。’”

他认为使用离子风推进可能会使这个想法成为现实,于是乎他花了8年时间来研究这项技术,然后决定尝试制造一架微型飞机原型——虽然他认为这架飞机原型有点丑。他说,“这是一种肮脏的黄色,”并补充道,黑色涂料通常含有碳元素,而碳元素可以导电,这已经使得先前的一个版本烧坏了它自己。巴雷特对最新的原型机期望稍高一些,他冷静地将其命名为版本2。他说:“在我们开始试飞之前,我认为成功的可能性是50%。我在麻省理工学院的同事认为它成功的可能性只有1%。”

来源:麻省理工学院

之前的版本最终都会撞毁在地面,但版本2不同,它在空中飞行了近200英尺,飞行速度约为每小时11英里(每小时17公里)。没有可见的排气,没有轰鸣的喷气机,也没有旋转的螺旋桨,事实上,整个飞行器上根本没有在移动的部件,整架飞机似乎被一种虚无缥缈的动力无声地驱动着。“这非常令人兴奋,”巴雷特说,“然后它撞上了墙,这就不是很理想了。”

尽管如此,版本2还是成功了,巴雷特和他的同事们在周三的《自然》杂志上发表了他们的研究结果。乔治亚理工学院(georgia institute of technology)的航天工程师米切尔·沃克(mitchell walker)没有参与这项研究,但他说,其他人也曾尝试过这一壮举,不过都失败了。“巴雷特展示了一些非常独特的东西,”他说。离子推进器并不是一项特别新颖的技术;它们已经非常有效地推动了航天器,并通常推动航天器进入轨道,离子推进器还将“黎明号”等深空探测器送到了小行星带执行任务,但在火箭或喷气机应用上还有很远距离。在近乎真空的太空中,离子推进器必须携带一种气体,这些气体被电离并发射到相对空旷的太空中才能产生推力。然而,在穿越地球厚厚的大气层时,“每个人都看到(离子推进器的)速度不足以推动飞机,”沃克说,“没有人知道应该怎样继续这项研究。”

但是巴雷特和他的团队想出了使版本2起作用的三个主要因素。第一个是离子风推力器的设计。版本2的推进器由两排长长的金属线组成,悬挂在其天蓝色的机翼下。前排传导的电压约为40000伏特,是普通家庭电压的166倍,这些能量足够将空气中大量氮原子的电子剥离下来。

而当这种情况发生时,氮原子将会变成带正电的离子,由于金属细丝的后一排带有负电荷,离子就回像磁化的台球一样向它倾斜。“在这个过程中,这些离子和中性空气分子之间发生了数百万次碰撞,”巴雷特说。这就把空气分子推向了飞机的后部,形成一股风,推动飞机以足够快和足够大的力度向前飞行。沃克指出,巴雷特团队的另一项创新是设计了一种重量轻但功能强大的电子系统。他说,在这架飞机问世之前,还没有人能创造出这样的一种系统,这种系统能够有效地转换轻量电池中的电力去为推进器产生足够的电压。“而最大的挑战是离子推进器需要2万或3万伏特才能工作,而在飞机上的产生高压并不容易,”他说,“你想在飞机上产生40000伏特?当时还没有出现这种技术。然而史蒂夫·巴雷特(steve barrett)找到了一种聪明的方法来实现这种高效的转换。”

最后,巴雷特利用计算机模型充分利用了飞机上的每一个设计元素,从推进器和电气系统设计到贯穿飞机的电线。巴雷特说:“功率转换器、电池、机盖和机身——一切都经过了优化。模拟总是失败,所以我们不得不做出数百次改变。最终,他们获得了试验成功的版本2。”

密歇根大学(university of michigan)航天工程师亚历克•加里莫尔(alec gallimore)并没有参加这项研究,但是他表示,这一突破有力地证明了离子推进器同样可以在地球上使用。但任何此类用途都可能是有限的,螺旋桨和喷气机仍然比巴雷特演示的离子风推进器要高效得多,这使得客机不太可能在短时间内转换使用离子推进器。但推进器有一个关键优势:“它没有声音,所以用于建筑检查之类的(无人机)”将是这些推进器的理想应用,加里莫尔指出。

巴雷特补充说,或者这项技术也可以用于运输、拍摄或环境监测的无人机。他说:“想象一下,10年或20年后,无人机将无处不在。如果这些无处不在的无人机都会产生很多噪音的话,它们会降低我们的生活质量,但这个是无声的。”

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