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晓查 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI
这不是科幻小说，
离子引擎
飞机真的被造出来了！
“曲率引擎”、“离子引擎”等等激动人心的科幻名词，正在走进现实。
最近MIT又重新发明了飞机，实验成果登上了
《自然》
杂志封面。
这架飞机翼展5米，总重量仅2.5公斤，甚至连一个行李箱的重量都不到，飞行高度也只有1米左右。但它却是人类历史上第一架由离子引擎推动的飞机。
麻省理工学院航空航天副教授Steven Barrett说：“这是有史以来第一个推进系统没有活动部件的飞机。”
“这种飞机更安静，机械构造更简单，并且不会排放燃烧物。”
这架飞机究竟有何过人之处？它是一台
纯固态发动机
飞机：没有旋转部件，全靠一个叫“离子引擎”的东西驱动。
没有风扇，全靠电池
离子引擎和涡轮风扇发动机有何不同？
普通飞机的发动机看起来就像是一个大号的吹风机，旋转的风扇不断把空气吹向后方，为机翼提供升力。
离子发动机也是靠吹风，不过它没有“风扇”，而是靠电场造出的
“离子风”
。
这种现象在生活中很常见，我们插电时冒出的电火花就是空气被电离造成的。
电压越高，离子被加速得越快。 Barrett教授的团队使用了
54节3.7伏锂聚合物电池
，大约能提供200伏特的电压。但这点电压对于离子引擎来说还是太低了。
为此，他们设计了一种能够将电池输出转换为高压电来推动飞机的电源。 通过这种方式，电池最终将输出
4万伏
的高压。
把200伏直流电变成4万伏高压电，需要几步？
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逆变器：把直流电转换成500~700千赫兹的交流电；
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变压器：把低压交流电转化为高压交流电，实验中使用的是1:15倍升压，将电压升至7千伏；
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电压倍增器：把交流电转变成更高电压的直流电，从7千伏交流电变成4万伏直流电。
经过这三步产生的电压可以放出巨大的电火花，
你甚至可以用它治疗网瘾
（大误）。
也许你会问，为什么要把直流变成交流，然后再转换成直流呢？这是一个很有趣问题，100年前的特斯拉和爱迪生也为这件事争执过，后来特斯拉赢了。
有了4万伏高压，我们就可以用它来电离空气了。
一旦给导线通上电，强大的电场就会让正极吸引周围的氮气分子，把电子从氮气分子上剥离出来，就像巨大的磁铁吸引铁屑一样。本来中性的氮气分子在失去电子后，变成了带正电的离子。
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一个分子撞击多个分子，dai'odaida导致雪崩式电离
被电离的氮气气分子又被吸引到带负电的电极，在赶去负极的路上，氮离子又会撞上其他氮气分子，把它们变成正离子，就好像
“雪崩”
一样。
正离子在高电压作用下飞向飞机尾部，形成一种离子组成的“风”。
在这个过程中，每个离子与其他空气分子碰撞数百万次，产生推动飞机前进的推力。
现代版莱特兄弟
在MIT的一座室内体育馆，Barrett教授的团队开展了他的实验。
飞机以大约
5米/秒
速度平稳飞行了
60米
，直至撞上墙壁。研究者共进行了10次测试，飞机在每次测试中都有稳定的表现。期间没有动力耗尽的迹象，也没有噪音。
发动机提供了
3.2牛顿
的力，大约相当于提起6个鸡蛋的重量。
经过推算，离子引擎大约让飞机上升了
0.47米
。
感觉就像是莱特兄弟第一次成功试飞的实验。
但这项技术不该被嘲笑，就像当初莱特兄弟的实验一样。
高效无污染的离子引擎
“想象一下，10年或20年后，无人机将无处不在，这意味着我们耳边将全是无人机的噪音。而我们，能让它们变安静。”Barrett教授说。
在这样的飞机上，你不再需要降噪耳机。
现在每天在空中飞行的客机都会排放大量温室气体。一般的国内航班一次飞行需要添加数吨燃油，最终这些燃油将变成二氧二碳被排放到空气中。
而离子引擎不需要燃料，不会排放污染物，是一种清洁能源。简直可以说是“飞机中的特斯拉”。
此外，离子引擎的
“比冲”
极高。比冲就是发动机的效率，可以理解为单位重量“燃料”让飞船获得的速度。
燃料从发动机尾部喷出的速度越快，比冲越大，飞机消耗的燃料就越少。
离子虽然没有燃烧，但是在强大电场的作用下，“燃料”却会以
每秒1万米
的速度喷出。
