自100多年前第一架飞机起飞以来，天空中几乎所有飞机都依靠螺旋桨、涡轮叶片和风扇等活动部件飞行；这些部件由化石燃料燃烧或电池组驱动，并会发出持续、尖锐的嗡嗡声。
如今，麻省理工学院工程师造出并试飞了首架没有活动部件的飞机。这架轻型飞机不使用螺旋桨或涡轮，而是由“离子风”驱动——这种无声却强劲的离子流在飞机上产生，提供足够推力，使飞机能够持续、平稳地飞行。
与涡轮驱动的飞机不同，这架飞机飞行时不依赖化石燃料。与螺旋桨驱动的无人机不同，这种新设计完全无声。
“这是有史以来首架推进系统没有活动部件的飞机实现持续飞行，”麻省理工学院航空航天学副教授Steven Barrett说。“这或许为更安静、机械结构更简单且不会排放燃烧产物的飞机开辟了新的、尚未探索的可能性。”
他预计，近期此类离子风推进系统可用于制造噪声更小的无人机。长远来看，他设想将离子推进与更传统的燃烧系统结合，制造燃油效率更高的混合动力客机和其他大型飞机。
Barrett及其麻省理工学院团队今天在期刊《Nature》上发表了研究结果。
爱好者的尝试
Barrett说，团队研发离子飞机的灵感部分来自电影和电视剧《星际迷航》。他小时候非常喜欢这部作品，尤其被其中未来感十足的穿梭机吸引：它们似乎没有活动部件，几乎不产生噪声或废气，能轻松掠过空中。
“这让我想到，遥远的未来，飞机不该有螺旋桨和涡轮，”Barrett说。“它们应该更像《星际迷航》里的穿梭机，只有一道蓝色光芒，悄然滑行。”
大约九年前，Barrett开始寻找为飞机设计无活动部件推进系统的方法。最终，他接触到了“离子风”，也称电气空气动力推力——这一物理原理最早于20世纪20年代得到确认，指电流通过薄电极和厚电极之间时产生的风或推力。只要施加足够高的电压，电极间的空气就能产生足够推力，推动小型飞机。
多年来，电气空气动力推力主要是爱好者的项目，相关设计大多局限于小型桌面“升空器”：它们连接着大型电压电源，只能产生刚好足以让小型飞行器短暂悬停的风。人们普遍认为，离子风不可能产生足够推力，让较大的飞机持续飞行。
“那是一个时差让我失眠的夜晚，我住在酒店里，想着这个问题，开始寻找实现方法，”他回忆道。“我做了一些粗略估算，发现这确实可能成为一种可行的推进系统，”Barrett说。“后来发现，从这个想法到首次试飞，需要多年努力。”
离子升空
团队的最终设计类似一架大型轻型滑翔机。这架飞机重约5磅，翼展为5米，机翼前缘及其下方布置了一排排细导线，像水平栅栏一样排列。这些导线充当正电极；机翼后缘则布置了排列方式相似的较粗导线，充当负电极。
飞机机身内装有一组锂聚合物电池。Barrett的离子飞机团队包括电子学研究实验室中David Perreault教授电力电子研究组的成员，他们设计了电源，将电池输出转换为足以推动飞机的高电压。通过轻型电源转换器，电池以40,000伏电压供电，为导线充上正电。
导线通电后，会吸引并剥离周围空气分子中带负电的电子，就像巨型磁铁吸引铁屑一样。失去电子的空气分子因此电离，随后被飞机后部带负电的电极吸引。
新形成的离子云流向带负电的导线时，每个离子都会与其他空气分子碰撞数百万次，从而产生推动飞机前进的推力。
团队还包括林肯实验室员工Thomas Sebastian和Mark Woolston。他们在麻省理工学院duPont体育中心的体育馆内进行了多次试飞——这是他们能找到的最大室内空间。飞机飞行了60米（体育馆内的最大距离），团队发现离子推力足以让飞机在整个过程中持续飞行。他们重复试飞了10次，表现相近。
“这是我们能设计出的最简单的飞机，足以证明离子飞机能够飞行，”Barrett说。“要成为能执行实用任务的飞机，它还差得很远。它需要提高效率、飞得更久，还要能在室外飞行。”
法国图卢兹流体力学研究所高级研究员Franck Plouraboue认为，这一新设计朝着证明离子风推进可行性迈出了“一大步”。他指出，此前研究人员还无法让重量超过几克的飞行器飞起来。
“这些有力的结果直接证明，离子风无人机能够持续稳定飞行，”未参与这项研究的Plouraboue说。“[在无人机应用之外，]很难推断它未来会对飞机推进产生多大影响。尽管如此，这并非真正的弱点，而是未来进步的契机；这个领域如今即将蓬勃发展。”
Barrett的团队正在提高设计效率，以更低电压产生更多离子风。研究人员还希望提高设计的推力密度，即单位面积产生的推力。目前，让团队的轻型飞机飞起来需要大面积电极，而这些电极实际上构成了飞机的推进系统。理想情况下，Barrett希望设计出没有可见推进系统，也不设方向舵和升降舵等独立操纵面的飞机。
“走到今天花了很长时间，”Barrett说。“从基本原理到真正能飞起来，经历了漫长过程：先研究并描述物理特性，再提出设计并让它运转起来。如今，这类推进系统的应用前景已经可行。”
这项研究部分得到了麻省理工学院林肯实验室自主系统项目、Amar G. Bose教授研究基金，以及新加坡-麻省理工学院科研与技术联盟（SMART）的支持。研究还通过麻省理工学院Charles Stark Draper和Leonardo职业发展讲席基金获得资助。
