配备离子推进器的固态推进飞机将在地球上实现静音飞行

众所周知，离子推进器是航天器执行长期任务的最佳动力技术。但是它们也存在一些缺点，尤其不适合在强大的重力条件下发射航天器。与传统助推火箭相比，它们需要的推进剂最少，而且它们能在更长的时间内推动航天器达到更高的速度。同时，离子推进器还有一个优点，就是安静，它们的安静特性也让一些科学家想知道，离子推进器是否可以在地球上投入到不需要噪音的应用中。

传统的动力飞行往往会产生很大的噪音。直升机的轰鸣、喷气客机的啸叫，甚至是螺旋桨驱动的小型飞机也会发出高分贝的噪音。但是，如果离子发动机可以取代这些声音更大的推进系统，是否能改善一些噪音严重的场景和环境呢？

麻省理工学院的史蒂文·巴雷特认为这个想法是有价值的。巴雷特是麻省理工学院的航空航天教授。他也是麻省理工学院航空与环境实验室的主任，他的研究的目致力于帮助航空实现零环境影响（这包括为飞机、飞行器开发低排放和噪音推进技术）。这就是史蒂文·巴雷特关于离子推进的研究工作的用武之地。

巴雷特对离子推进系统感兴趣很多年了。2018年，巴雷特就和他的同事在《自然》杂志上发表了一篇题为《固态推进飞机的飞行》的文章。固态推进系统没有运动部件，因此非常安静。飞行的动力来自电气动力，在电气动力学中，电流移动离子并提供推动力。巴雷特和他的同事称这种离子流为“离子风”。他们已经用它来推动一架小型试验机进行了稳定的飞行。

当年，史蒂文·巴雷特表示：“这是首个推进系统中没有移动部件的飞机的持续飞行。这可能为更安静、机械更简单、没有燃烧排放的飞机开辟了新的、尚未开发的可能性。”

到目前为止，巴雷特和他的团队已经成功地用一架2.26公斤（5磅）、翼展5米（16.4英尺）的滑翔机演示了这一概念。机翼是用类似水平栅栏的电线串起来的。机身中的锂电池为电线提供电流。电池为机翼前缘和底部的电线提供正电荷，而机翼后缘的电线则充当负极。

这种独特的电池系统为正极电线提供40000伏特的电力。正电荷从空气分子中带走电子，使其电离。新电离的分子被吸引到机翼后缘的负极上。这种极性会产生离子风，迫使空气环绕机翼，产生升力和推力。当被电离的分子到达负极时，它们与数以百万计的其他空气分子相撞，推动飞机前进。

自2018年发表这篇论文以来，史蒂文·巴雷特一直在进一步发展固态电动空气动力飞机的想法。现在，他在美国宇航局创新先进概念（NIAC）项目工作。在2022年2月7日的一篇文章中，巴雷特解释了这个想法的现状。

上图：这些概念图说明了VTOL EAD推进器后面的一些思考。 在每个图中，箱形部件产生推力。 A和B类似于测试飞行中使用的模型，而另外两个图展示出了其他设计概念。

他表示：“先进空中机动性（AAM）是一个航空生态系统，它设想在城市地区进行小型、电动、垂直起降（VTOL）飞机操作。” 但是，这种情况的问题就是噪音：城市社区不会欢迎扰民的噪音。而离子电动空气动力学（EAD）可以缓解这一问题。

EAD系统没有活动部件，所以它们几乎是静音的。这种沉默有利于几个潜在的任务。无声EAD推进实现的任务包括那些对噪声近乎敏感的城市社区，或在社区反对噪声最严重的夜间执行时间紧迫的交付任务（例如，关键医疗用品）。

离子推进的优点是静音，但也有缺点。它只能产生一个低的初始推力。在太空旅行中，这不是问题。例如，NASA使用强大的常规火箭从地球发射DART任务，因为常规火箭有足够的推力来达到逃逸速度。但一旦DART离开地球，脱离重力，它就使用离子驱动来推进。

史蒂文·巴雷特和他的团队演示了EAD飞机可以持续飞行。但是可以进行垂直起降飞行吗？

巴雷特认为可以。巴雷特在最近表示：“新型的多级管道（MSD） EAD推进器，将多级EAD推进器封闭在一个管道内，用于增加足够的推力，以实现垂直起降操作。在这一努力下，我们将设计一种可以垂直起降、几乎静音的飞机，由MSD推进器提供动力。”

实际上，就算他们能将这种想法变为现实，那么在短期内它也不会搭载乘客。但垂直起降EAD飞机可能会填补其他细分市场。

比如，这种飞机可以在噪音敏感的地区或夜间执行包裹递送任务，基本上，它们会是更安静的无人机。

不过巴雷特的想法很远大。虽然EAD推进系统一开始限制了飞机的尺寸，但随后的迭代可能会使飞机更大、更强，并增加包括乘客在内的有效载荷。巴雷特认为：“这项工作将支持以下长期目标：1、建造和驾驶一架MSD动力飞机，2、评估MSD推进器技术对其他AAM使用情况的适用性，包括城市内部和城际客运。”

客运是这项技术可能发挥作用的地方。世界上有大量的航空旅行。2018年，航空旅行总共排放了10.4亿吨二氧化碳，包括客运和货运。这约占全球二氧化碳排放量的2.5%。EAD推进等新技术可以帮助解决这一问题。

上图：离子驱动发出的赏心悦目的蓝光。

有这样的想法，巴雷特是《星际迷航》的粉丝也就不足为奇了。他对电影中的航天器以及它们如何在没有移动部件或排气的情况下安静飞行很感兴趣。巴雷特曾经说：“这让我想到，从长远来看，飞机不应该有螺旋桨和涡轮机。它们应该更像‘星际迷航’中的飞船，只发出蓝色的光芒，静静地滑行。”

除了更安静的无人机，EAD推进系统要成为现实还有很长的路要走。但巴雷特表示，从概念到有限的飞行原型，作为概念的证明，也是一条漫长的道路。我们花了很长时间才走到这一步。从基本原理到真正能飞的东西，这是一个漫长的旅程，需要先描述物理特性，然后再进行设计，让它工作。

现在，这种推进系统的可能性是可行的。

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