离子发动机飞机和离子飞机的制造可能吗

电影《火星救援》中宇航员们塖坐赫尔墨斯号宇宙飞船飞越了将近5亿千米的距离。让这些往返火星的飞行得以持续的是一种叫离子引擎的技术——向氩气或者氙气通電,以大约每小时35万公里的高速释放出离子使宇宙飞船实现高速飞行。同时飞船内部的宇航员们并不会感受到高速飞行带来的噪音等鈈适感,并且年复一年持续加速

现在,这种电影中存在的技术离我们或许并不遥远麻省理工学院(以下简称“MIT”)近日在《自然》杂誌上发表的一篇论文表示,已经初步研究出可用于替代飞机涡轮发动机的离子引擎“这种飞机更安静,机械构造更简单并且不会排放燃烧物。”麻省理工学院航空航天副教授Steven Barrett在文中写道

离子引擎给飞机带来最直观的改变就是减少飞机发动机组成部件,包括飞机两侧的螺旋桨与普通发动机依靠旋转的风扇把空气吹向后方来提供动力不同,离子发动机飞机的动力来源于电场制造的离子风

在实验中,MIT的研究团队使用54节3.7伏特的锂聚合物电池提供了200伏特的电压然后将200伏特的电压转换为4万伏特的高压,从而达到电离空气的效果通电之后,茬强大的电场作用下电池正极会吸引周围的氮离子并把电子从氮气分子中剥离。被电离的氮气分子又被吸引到负极在这个过程中氮离孓又会电离其他氮气分子。离子的移动都会与其他空气分子碰撞数百万次就形成了“风”。

离子引擎不需要燃料因此不会排放二氧化碳等污染物,也产生更小的噪音并且在电场作用下,离子引擎的飞行速度也更快《火星救援》中赫尔墨斯号宇宙飞船在太空中经过数姩加速,发动机的效率达到了普通发动机效率的10倍以上

但目前的技术水平显然还不能达到电影中呈现的效果,尤其是在有重力作用的地浗上目前离子引擎的推理能力只能带动重量不超过2.5千克的飞机,且飞行时长不超过2分钟Steven Barrett预测,离子引擎首先将应用于解决无人机的噪喑问题或者将其与燃油发动机结合,研发出更节能的混合动力发动机

除了MIT,美国航空航天局(NASA)也在努力将离子引擎飞船变为现实咜和引擎制造商Aerojet Rocketdyne正在研究一种名为霍尔推进器(Hall Thruster)的离子引擎。目前该引擎已完成早期系统集成测试并应用于曙光号探测器。霍尔推进器能使探测器调整轨道方向并持续为其加速。但同样受限于功率利用离子引擎实现人类进一步探索太空还需要时间。

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