广告
科学新闻
来自研究机构

工程师驾驶第一架没有活动部件的飞机

这种静音的轻型飞机不依赖螺旋桨或涡轮机

日期:
2018年11月23日
来源:
麻省理工学院
简介:
工程师们制造并试飞了第一架没有活动部件的飞机。这架轻型飞机没有螺旋桨或涡轮机,而是由一种“离子风”提供动力——一种在飞机上产生的无声但强大的离子流,它产生的推力足以推动飞机持续、稳定地飞行。
分享:
广告

完整的故事

自从100多年前第一架飞机起飞以来,几乎所有飞机都是在螺旋桨、涡轮叶片和风扇等活动部件的帮助下飞行的,这些部件由化石燃料燃烧或电池组提供动力,产生持续的嗡嗡声。

现在,麻省理工学院的工程师们已经制造并试飞了第一架没有活动部件的飞机。这架轻型飞机的动力来源不是螺旋桨或涡轮机,而是“离子风”——一种在飞机上产生的无声但强大的离子流,它产生的推力足以推动飞机持续、稳定地飞行。

与涡轮动力飞机不同,这架飞机不依赖化石燃料飞行。与螺旋桨驱动的无人机不同,这种新设计是完全无声的。

麻省理工学院航空航天副教授史蒂文·巴雷特说:“这是有史以来第一次在推进系统中没有运动部件的飞机持续飞行。”“这有可能为更安静、机械更简单、不排放燃烧排放的飞机开辟新的、未开发的可能性。”

他预计,在短期内,这种离子风推进系统可以用于飞行噪音较小的无人机。更进一步,他设想离子推进与更传统的燃烧系统相结合,创造出更省油的混合动力客机和其他大型飞机。

巴雷特和他在麻省理工学院的团队在杂志上发表了他们的研究结果自然

爱好工艺品

巴雷特说,该团队离子飞机的灵感部分来自电影和电视剧《星际迷航》,他小时候非常喜欢看这部电影。他对未来派的航天飞机特别感兴趣,这些飞机可以毫不费力地在空中掠过,似乎没有活动部件,几乎没有噪音或废气。

“这让我想到,在长远的未来,飞机不应该有螺旋桨和涡轮机,”巴雷特说。“它们应该更像《星际迷航》(Star Trek)中的航天飞机,只有蓝色的光芒,悄无声息地滑行。”

大约九年前,巴雷特开始寻找设计一种没有活动部件的飞机推进系统的方法。他最终发现了“离子风”,也被称为电气动推力——这是一个在20世纪20年代首次被确定的物理原理,描述了当电流在薄电极和厚电极之间通过时可以产生的风或推力。如果施加足够的电压,电极之间的空气可以产生足够的推力来推动一架小型飞机。

多年来,电空气动力推进主要是一个业余爱好者的项目,其设计在很大程度上仅限于小型的台式“升降机”,这些升降机与大电压电源相连,产生足够的风,让小型飞行器在空中短暂盘旋。在很大程度上,人们认为不可能产生足够的离子风来推动更大的飞机进行持续飞行。

他回忆道:“那是我在一家酒店度过的一个不眠之夜,当时我还在倒时差,我一直在思考这个问题,并开始寻找可行的方法。”巴雷特说:“我做了一些粗略的计算,发现它可能成为一种可行的推进系统。”“事实证明,从那到首次试飞需要多年的工作。”

离子飞扬

该团队的最终设计类似于一个大型的轻型滑翔机。这架飞机重约5磅,翼展5米,上面有一排细电线,像水平栅栏一样在飞机机翼前端的两侧和下方串起来。这些金属线充当带正电的电极,而沿着飞机机翼后端排列的类似的较粗的金属线充当负电电极。

飞机的机身上有一堆锂聚合物电池。巴雷特的离子飞机小组包括电子研究实验室戴维·佩罗教授的电力电子研究小组的成员,他们设计了一种电源,可以将电池的输出转换为足够高的电压来推动飞机。以这种方式,电池提供4万伏特的电力,通过一个轻量级的电源转换器给电线充电。

一旦电线通电,它们就会从周围的空气分子中吸引并带走带负电荷的电子,就像一块巨大的磁铁吸引铁屑一样。留下的空气分子被新电离,然后被吸引到飞机背面带负电的电极上。

当新形成的离子云流向带负电荷的导线时,每个离子与其他空气分子发生数百万次碰撞,产生推动飞机前进的推力。

该团队还包括林肯实验室的工作人员托马斯·塞巴斯蒂安和马克·伍尔斯顿,他们在麻省理工学院杜邦体育中心的体育馆进行了多次试飞,这是他们能找到的最大的室内空间。研究小组让飞机飞行了60米(在健身房里的最大距离),发现飞机产生了足够的离子推力来维持整个飞行时间。他们重复飞行了10次,表现相似。

巴雷特说:“这是我们可以设计的最简单的飞机,可以证明离子飞机可以飞行的概念。”“它离一架可以执行有用任务的飞机还有一段距离。它需要更有效率,飞得更久,飞到外面去。”

巴雷特的团队正致力于提高他们设计的效率,以更低的电压产生更多的离子风。研究人员还希望增加设计的推力密度——单位面积产生的推力量。目前,驾驶该团队的轻型飞机需要大面积的电极,这基本上构成了飞机的推进系统。理想情况下,巴雷特希望设计一种没有可见推进系统或单独控制表面(如方向舵和升降机)的飞机。

巴雷特说:“我们花了很长时间才走到这一步。“从基本原理到实际飞行的东西是一个漫长的过程,包括描述物理特性,然后提出设计并使其发挥作用。现在这种推进系统的可能性是可行的。”

这项研究得到了麻省理工学院林肯实验室自主系统线、Amar G. Bose教授研究基金和新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟(SMART)的部分支持。这项工作也得到了麻省理工学院查尔斯·斯塔克·德雷珀和莱昂纳多职业发展主席的资助。

视频:https://www.youtube.com/watch?v=boB6qu5dcCw

广告

故事来源:

材料所提供的麻省理工学院.Jennifer Chu原创。注:内容可能会根据风格和长度进行编辑。


引用此页

麻省理工学院。“工程师们驾驶了有史以来第一架没有活动部件的飞机:这种安静、轻便的飞机不依赖螺旋桨或涡轮机。”《科学日报》。科学日报,2018年11月23日。< www.koonmotors.com/releases/2018/11/181123135137.htm >。
麻省理工学院。(2018年11月23日)。工程师首次驾驶无活动部件的飞机:这种安静、轻便的飞机不依赖螺旋桨或涡轮机。《科学日报》.2023年6月22日检索自www.koonmotors.com/releases/2018/11/181123135137.htm
麻省理工学院。“工程师们驾驶了有史以来第一架没有活动部件的飞机:这种安静、轻便的飞机不依赖螺旋桨或涡轮机。”《科学日报》。www.koonmotors.com/releases/2018/11/181123135137.htm(2023年6月22日访问)。

探索更多的
从科学日报

有关的故事

广告