自20世纪60年代以来，离子驱动器一直在航天器上使用，通过发射一股带电粒子来推动飞船前进。除了碳中性外，它们不像传统发动机那样出现问题，而且维护成本更低，因为它们没有可以拆卸的螺旋桨、涡轮机或燃油泵。唯一的问题是，到现在为止，驱动器产生的推力不足以克服地球引力下的供电电池的重量。
一个发表在《自然》杂志上的最新研究，让静音无人飞机在不久的将来成为可能。随着材料和动力转换的进步，无声载人飞机和最后的商业航班也有可能出现。事实上，这一突破可能是改变我们未来飞行生活的第一步。
所有飞机发动机都通过向后推动物质来向前移动。这种物质通常是空气，无论是由电动螺旋桨驱动的冷空气，还是由喷气式发动机喷出的热空气。相反，离子推进所用的带电粒子或离子在两个高电压电极之间的间隙中产生。离子与空气相互作用，产生向后的离子风，推动飞机前进。
与螺旋桨驱动的太阳能飞机一样，离子驱动技术以电能驱动，因此除了充满带电粒子的电池之外，不需要携带燃料。新研究表明，通过一些对电池设定和电源转换方式的巧妙修改，可以减少电池重量，使这项技术飞速发展。
折中的设计
具有离子驱动的飞行器还需要前部有足够的空间以正确的方式产生离子风。但这通常会使飞机变重，因此研究人员必须平衡这些相互冲突的限制因素。他们设计了一个足够小的翼展，以降低风险，使测试更经济、更可行，同时足够大，大到可以使用标准的遥控组件。
研究人员使用翼展5米、重量不到2.5千克的飞机进行了10次飞行。他们能够以每秒5米的速度在45米的距离上飞行长达9秒。该飞行器需要大约20秒来增强动力，然后使用机械弹力系统发射。
虽然这个飞行时间和距离可能看起来不是很长，但研究人员认为，它们实际上与第一批飞机发明者1903年莱特兄弟的情况相似。在材料和电力电子设备方面取得进一步进展以后，同时，优化机身，可以使飞机更快，飞行时间更长，距离更远。还可以用太阳能电池板产生电能，为离子驱动器供电。
离子动力飞行器的一大优势是，其噪音水平几乎为零。因此，该技术的第一次应用很可能会在静音无人机上。因为没有运动部件缩小系统规模应该是相对容易的，能更适应较小的飞行飞行器，同时也更容易扩大规模。但更大的飞行器也需要更大的电力驱动。要制造离子动力客机，我们需要相对于飞行器尺寸增加300倍的电力供应。
但回头看看，从莱特兄弟的第一次飞行到如今，我们已经走了很远了。天空才可能是这项新技术的极限。
作者简介：
Jason Knight朴茨茅斯大学流体力学高级讲师
翻译：崔格瑞
审校：马晓彤
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