離子風無人機(圖:Nature)

麻省理工學院(MIT)研究團隊設計出第一台以離子風(ionic wind)驅動的飛機,不需使用任何機械移動部件就能讓飛機推進。雖然這台飛機目前只是小型無人機,研究人員的計算指出,只要建造出一台更大的飛機,其設計的效率就會加倍。

離子風

傳統飛機是靠著噴射引擎中的螺旋槳或渦輪等移動部件推動空氣而飛行。但其實也可以利用電場來推動空氣,如此一來就不需要移動部件。挑戰在於,空氣通常是由不帶電的分子所組成,因此不會與電場反應。

不過,若提供高電壓,就有機會將空氣中的氮氣及氧氣離子化;而離子化後所釋放的電子會加速脫離,碰撞上其他分子,並再度將其離子化。如果這些現象發生於電場中,這些離子就會開始往對應的電極移動,而在過程中,離子會撞上其他中性分子並推動它們前進,這種大氣分子運動被稱作離子風,形成推動無人機飛行的動力。

然而,根據多年前科學家的計算,要利用離子風來產生足夠讓飛機飛行的推力是不可能的。不過,隨著電池、電子設備及材料科技的進步,MIT 團隊決定重新研究這個議題。

設計過程與挑戰

要達到只利用離子風推動飛機,需要一系列設計上的協調。例如,產生離子風的電場強度越低時,在同一能量下就能得到越多的推力。當然,如果電場強度降得太多,就根本不會產生離子風。此外,由於每單位面積的推力很小,自然需要一個更密集的推力系統,不過這也會造成阻力,並減慢飛機的飛行速度。

在嘗試多種不同的推進設計後,研究人員使用一條正極細導線作為離子化氮氣及氧氣的機翼前緣,機翼後方則是一個覆蓋著負極的薄翼。這種設計可以提供一些額外的升力,並生成可加速離子化分子從正極流動到負極的電場,進而產生離子風。但是這種設計必須要與電池及電子設備整合,此外還要搭配輕量的機翼及機身。

研究人員提到:「重量的限制,使得必須設計及建造特製的電池組及高電壓能量轉換器,將電池電壓提高到 4 萬伏特。」研究人員將飛機設計的所有限制條件交給電腦演算法處理,並計算出機翼尺寸的限制下,達到穩定飛行的最佳化條件。

最後成型的飛機重量為 2.45 公斤,有一個 5 公尺長的機翼,一個裡頭包含電池的細長機身,以及懸掛於機身下的電子設備。而在機身的兩側,機翼前緣及下側配備一系列的導線/翼型離子化設施。

實驗結果與後續發展

研究人員於實驗中發現,若使用裝有彈力繩的彈射發射器,這台飛機能在沒有動力下飛行約 10 公尺。當打開離子風之後,可以飛行約 60 公尺,且在持續提供能量下會不斷增加高度。測量發現,該推進系統能產生每千瓦 5 牛頓的推力,輸出功率已相當接近噴射引擎。但由於該系統有許多低轉換效率的構件,使其總轉換效率只有 2.5%,遠低於傳統飛機。研究人員表示:「現階段的表現指出,讓一台機翼固定的無人機平穩的飛行是可行的。但以目前的材料及電力電子技術而言,很可能只限於研究階段,還無法實際應用。」

儘管如此,研究人員仍有許多改善目標,例如目前僅限於讓這台飛機在 MIT 內部的實驗跑道上飛行;若使用較大的機翼及較快的速度,效率將提升 5% ,而不需對現有架構進行任何變更。研究人員也計畫探討其他問題,例如其他產生離子的方式、設計能減少阻力的電極,以及能量轉換效率較好的電子裝置,希望提升飛機性能。

若這項技術發展成熟,將可讓飛機減少噪音及降低溫室氣體的排放,並可以應用於永不降落的環境偵測機。但這項技術究竟未來有何發展潛力,還是得看後續的研究成果。

 

參考資料:

  1. Timmer, J., (2018, November 22). Ion drive meets drone, as small plane flies with no moving parts. Ars Technica
  2. Xu, H., et al., (2018, November 21). Flight of an aeroplane with solid-state propulsion. Nature DOI:10.1038/s41586-018-0707-9
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