16小时前78评论「科技最前线」旗下「科技最前线」原创出品 作者：北行三
11月21日，麻省理工（MIT）团队打造的世界首驾“离子推进”飞机在学校的体育馆内完成了第一次飞行。
这是继莱特兄弟115年后，又一次伟大的“首飞”。
这架飞机翼展5米，重2.45公斤，以平均高度0.47米持续飞行了60米。
试验中，MIT工程师将飞机安装在弹射器上，首先在不使用离子引擎的情况下弹射，飞机飞行了10米：
打开离子引擎以后，飞行距离达到了60米。
时间回溯到1903年12月17日上午10点30分，美国北卡罗莱纳州小鹰镇海滩刮着秒速10~12米的寒风。
弟弟奥维尔 · 莱特爬上“飞行者一号”，哥哥担心会倾斜，还扶着机翼助跑了一阵。最终人类第一架飞机顶着强风滑行13米，脱离了台车，飞向空中。
这个过程持续了12秒，飞行36米后安全着陆。
（人类航空史上最有纪念价值的照片，却是一名海岸警卫队队员拍摄的）
这无疑是20世纪最伟大的12秒，从草图到第一架飞机出世，莱特兄弟用了4年。但最终让人们相信可以靠机器飞上天空，却花了整整6年...
这一次，我们不用等6年。
次日MIT就在《自然》杂志发表了研究论文，并公布了12秒的试飞视频，证明了研究的真实性。
据论文数据显示：在当天的10次试验中，飞机每次都能稳定飞行，滞空时间在8至9秒之间。
虽然这架飞机看上去有些简陋，但它却是人类发明的第一架不配备任何旋转部件，没有螺旋桨，不用涡轮机，全靠离子引擎推进的飞机。
这不是科幻片里的构想吗？
其实，这项技术的原理并不复杂。
普通飞机的引擎就像一个大号的吹风机，通过扇叶旋转不断把空气吹向后方，为机翼提供升力。
而离子引擎也是往后面吹风，但它没有风扇，是靠强大的电场制造出“离子风”。制造过程大致分为两步：
第一步，“瓦解”：
在离子推进飞机上，机翼的前端装了正电极，通40000伏的高压电后，强大的电场会让正电极吸引空气中的氮气分子，电子被从氮气分子上剥离，本来中性的氮气分子在失去电子后，变成了带正电的离子。
第二步，“碰撞”：
这时，机翼末端还有个负电极，被瓦解后的正电离子被负电极吸引，飞行的途中与其他氮气分子碰撞，吸走电子，撞出更多的正离子。
同时，所有的正离子都会与路上的其他空气分子碰撞，产生推动飞机的推力。
两个过程同时作用，就产生了所谓的“离子风”。
举个例子：
如果正极拿着一把冲锋枪向负极疯狂扫射，这时产生的后坐力就是“离子风”的推力。
这项技术其实早在20世纪20年代就已经被提出，它的另一个名字是：电动力学推力（EAD）。
到了20世纪60年代，科学家在多次试验后得出了一个结论：该技术无法创造维持飞行所需的推力水平，且能量转换率极低，仅1%的电能最终被用于驱动。
但科学家对这项技术的狂热研究并没有终止。
2009年，麻省理工学院航空航天学教授史蒂文 · 巴雷特（这次离子推进飞机的主要设计师）开启了一个关于“无动力装置供飞机推进系统设计”的项目。
（史蒂文 · 巴雷特）
凭借对“EAD”的蜜汁信念，还有整个团队9年的时间，最终设计出了这个仅有“一只鸡重量”的飞机，以及机翼下的两排八列电线离子引擎。
据测算，这个引擎最终产生了每千瓦5牛顿的推力，让飞机上升了0.47米。
不要小看这47厘米，要知道每1厘米的滞空飞行背后，都是基础物理学、空气动力学、能源科学以及航空器设计等复杂的多学科理论在支撑。
这8秒钟的飞行最大的科学意义在于：MIT成功验证了这类飞行器的构造，已具备离子推进的可能性。
细看这个画面，像极了“飞行者一号”第一次上天的样子。
对于这次成功试飞，巴雷特还说：“我们做的这些改变，都是物理学可以允许的东西”。
所以，除了上天，或许我们对未来的飞机还可以憧憬更多：没有引擎噪音、能源来自空气、完全没有污染物排放等等。
但目前来看，这项近百年的强大技术还有两个需要突破的瓶颈：
1、能量转换率还远远不够。
这次试验的离子引擎输入功率600瓦，输出功率只有15瓦，54节锂电池大约只能供电90秒。真正的“充电10小时，飞行1分钟”。
但相比60年前，1%的转换率已经提高到了2.5%，还是有了不小的突破。
2、推力不够。
前文说过，这次它只能带起5斤重的飞机，顶多就是一个乘客背包的重量，也是因此，这项技术目前只被应用在了微重力和无阻力的太空。
（NASA的离子推进器）
（中国自主研发离子电推进系统：霍尔电推力器，目前搭载于实践十三号卫星。）
但值得庆幸的是，离子推进系统还具备3个极其诱人的科研潜力：
首先，当飞机的速度提高时，能量转换率会显著提高。例如，当飞行速度达到300米每秒时，能量转换率可以高达50%。
其次，许多研究表明离子风相比空气，能够增强机翼的动力。也就是说离子风推进的飞行器，机翼活动所消耗的能量会更小。
（新加坡HES公司的分布式电动飞机）
第三，该技术可以促进分布式推进的发展。这是现有飞行技术中亟待改进的一个方向，巴雷特的构想是：
即使离子风产生的推力不足以满足商用飞机的需求，它仍可与喷气发动机一起组合使用。将电力推进系统嵌入飞机的外层壳体中，为沿着飞机流动的空气重新注入动力，从而消除气动阻力并提高燃油效率。
这也目前离子引擎最具商业潜力的地方，从这个角度看，克服离子推进技术瓶颈的时间，该不会超出你我的有生之年。
人类向来不满足于行走在二维的地球表面，而人类真正“插上翅膀”的研究仅仅几百年：
1502年达芬奇研究翅膀尝试制作机械飞行器；1903年莱特兄弟第一驾重于空气的航空器...再到2018年11月21日，MIT工程师用离子风推动飞机，不用螺旋桨，不用涡轮机，没有任何活动的部件。
科技的进步不断带来惊喜，我们有理由相信：今天这只坚持8秒的小飞“鸡”，日后终能经住风雨，穿越大洲大洋。
