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不算迟来的实验:关于“离子风飞机”的一些真相

2021-06-08 20:36:10

前些日子,《Nature》上一篇有关MIT的“离子风飞机”的文章报道引起很多关注,诸如《世界首架“离子推进”飞机试飞成功!电压40千伏飞了60米,麻省理工学院重新发明飞机》《飞机革命!告别引擎:离子推进飞机试飞成功,将开创航空新时代?》《电影“星际迷航”中的离子推进飞行器第一次在真实世界中上演》等等。

上述报道引起了我们“等离子体计算工坊”的思考:“离子风”并不是什么新事物,飞机也是家喻户晓,而“离子风飞机”的基本原理从名称上也能猜出一二。那么,这一概念究竟是不是先进,MIT究竟做出了一个什么东西?

怀着疑问,“等离子体计算工坊”咨询了部分相关领域内专家学者,并从这篇实验报告性质的文章(“Nature文”)中深度提取关键信息,与湖南大学高电压与绝缘技术团队陈赦老师合作,整合双方在电气、等离子体和航空方面的思维方式,各自编写模型、独立进行了计算验证,试图从物理机理的角度揭示“离子风飞机”的真相和极限,并勘误一些相关报道。

概念:“离子风飞机”或“离子推进飞行器”表述勘误

“Nature文”原文标题为:

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“Nature文”原文

直译过来应该是《一种采用固态推进的飞机飞行试验》,固态推进原理是指以固态电源为能源,在高压导线周边形成电场并推动电晕中的离子(仅占空气分子数的0.000001%),离子高速运动与空气分子动量交换,被加速的空气流过机翼形成升力,飞行原理并未跳出航空动力学基本框架。下图左为离子风(也称电晕风)基本原理,右为“Nature文”中类似的离子风产生结构。

如题目所说,“Nature文”的重点是提出一种基于固态储能和无机械旋转设备的飞行装置概念并加以验证。笔者在原文中并没有发现任何关于“离子风飞机”“离子推进飞行器”的相关名词,不过本文中还将采用“离子风飞机”来描述这架飞机。

事实上,所谓采用“离子推进技术的”飞行器并不是第一次出现,在航天领域离子推进技术早已得到大量研究并在空间飞行器上投入使用。而由于离子推进的特性(持续时间长但推力很小),在现在和可见的未来,在大气层内单纯依靠离子推进技术来推动飞机都不现实。

空间飞行器上应用的离子推进器

空间飞行器上应用的离子推进器

性能分析:离子风速、飞机速度与载荷极限

“Nature文”相关报道中,最核心的内容,就是这架“2.45kg重的飞机以平均17km/h的速度飞行了60m”,这也是原文作者团队取得的主要成就。

飞机平稳飞行40-45m,这是9次试飞所取得的最好成绩

飞机平稳飞行40-45m,这是9次试飞所取得的最好成绩

事实上,国内转述相关报道的描述很不严谨,很可能是国内媒体翻译的国外媒体的报道,而不是《Nature》文章本身。因此,等离子计算工坊团队根据原文内容,将他们主要成就转化为可供研究的科学语言:这架飞机采用NACA0010型机翼展宽5m,单组电极展宽3m,总重2.45kg的飞机,以5.5m/s的初始速度,在开启电晕风的情况下,飞行了40~45m,高度上升了0.5m,速度降至4.5m/s。

需要注意的是,根据文中飞机模型图像,研究人员设置了8组电极-机翼组合,且机翼呈折叠状,故电极总展宽应大于3×8=24m,下文将取电极展宽30m进行估算。

采用折叠型机翼增加电晕风作用面积,增加升力

采用折叠型机翼增加电晕风作用面积,增加升力

考虑到文中仅报道了一组成功飞行的案例参数,为了全面评估该“离子风飞机”概念的性能和潜力,等离子计算工坊与湖大团队从与文献相同的实验条件出发,各自独立对电晕风基本特性进行了建模计算,在实验验证和交叉验证的基础上,对离子风速、飞机速度和载荷极限特性进行了综合分析。

(1)离子速度与诱导风速

“Nature文”中电极-机翼构型下,计算电场分布如下图所示,在电极和机翼之间60mm的离子驱动区域的电场E为2.8kV/cm,考虑空气中离子的迁移率μ为1.6E-4 m²/(V·s),则离子在电极和机翼间的运动速度应为μE=44.8m/s。

40kV实验条件下电场的峰值和通道分布。

40kV实验条件下电场的峰值和通道分布。

由于在大气压低温等离子体中,离子仅占空气分子总数的百万-千万分之一,所以实际诱导气流速度远无法达到离子44.8m/s。


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