航空技術突破：不用活動機件的飛機

（2018-12-04）飛機上的活動機件、渦輪、螺旋槳，讓飛機可以起飛前進，但MIT的航空專家突破了這一限制，讓一架重2.45公斤的小飛機，不加任何活動機件，成功飛了起來。

（2018-12-04）我們坐的飛機由很多活動的機件、旋轉的渦輪與螺旋槳製造的推進力，讓飛機起飛前進，沒有活動的機件就無法產生推進力，飛機就不能離地，滑翔機雖然沒有活動機件，卻靠別的力量牽引升空。但MIT的航空專家們卻突破了這一限制，讓一架重2.45公斤的小飛機，不加任何活動機件，飛了60米。

MIT航太研究人員設計重2.45公斤無活動機件飛機飛60米。（圖：MIT）

這架像玩具的單薄小飛機，不靠活動機件製造動力起飛，所用的技術稱為「電動空氣動力學」（Electroaerodynamics），是早在1960年代就出現的理論，但當時被認為落實困難。2009年，MIT航太教授Steven Barrett重新研究這一理論，認為或可做到類似科幻影劇的先進飛行器。

經過９年實驗，成功證實這個理論可行，且持續發展，可使航空業更安全、靜音、容易維護，更重要的是減少空污排放，因為所用的唯一能源是電池。

「離子風」（Ionic Wind）是讓小飛機起飛的動力，離子（Ion）是電子數量增加或減少的原子，一個原子的電子與質子數量通常相等，成為穩定不帶電的中性，一旦電場被「離子化」，電子的數量就會變動，增加電子的原子就成為帶負電的「負離子」，失去電子的原子就成為帶正電的「正離子」。

中性原子穩定，但離子則呈相互吸引狀態，離子風就是運用這一基本原理製造出來的。如果再仔細看一下飛機的構造，翅膀下方長水平方向，有一個長圓形機頭，連一根細長機身到機尾，機尾有個豎起來的小翅膀。

機頭是一個電極，機尾豎起來的小翅膀是另一個電極，機頭的電極經電池充到20,000伏，而機尾則充到－20,000伏，等於相差40,000伏，戲劇化的運作就此開始。

機頭20,000伏電極的電場，使周遭空氣中的分子離子化，產生負離子與正離子，而正離子受機尾負電極吸引，快速流向機尾，在流動途中使空氣中的分子顛簸，而離子撞擊到空氣分子也會有能量傳遞，這樣周而復始的加速運作，就在機頭與機尾間「颳起」非常小的風，又是在翅膀之下，飛機就飛起來了。

事實上電極不只一個，是很多個，如此才能產生離子風，下圖是《Nature》期刊的進一步解說。

左圖ａ是高壓電極（Emitter）製造的電暈放電，離子化空氣中的分子，產生負離子與正離子，正離子受到遠端負電極（Collector）吸引，衝出電暈範圍；右圖ｂ是正離子流向負電極（紅箭頭），產生的離子風也吹向負電極（黑箭頭），也就是機尾。

a. 高壓電極製造電暈放電；b. 正離子流向負電極產生離子風。（圖：《Nature》）

離子風力雖然以電池為能源，卻不同於電動飛機。電動飛機是用電動發動機替代內燃機，所用的電力可從多種來源，包括電池、地面連線、太陽能電池、超大電容器、燃料電池、遠端無線傳遞能源，多年來各種實驗仍不斷進行，2016年瑞士Solar Impulse 2電動飛機，以完全太陽能環繞地球一周，可說是目前成功的電動飛機。

不用活動機件的飛機，是另一個領域，MIT的簡單雛形機發展空間還很大，Steven Barrett教授說，下一步是暗藏電極，融入飛機表面，同時利用離子的動力控制方向，飛機上傳統的起降舵與方向舵也不再需要，飛機的表面就更光滑了。

至於離子動力的實用，Steven Barrett教授表示可以用在小型無人機，以及一些類似仍在發展的雛形機，也希望朝向大型飛機發展，甚至可以搭乘旅客。以下為MIT實驗重2.45公斤離子風動力小飛機影片。

本文取材自2018年12月２日「那福忠西海岸數位隨筆（77）」：航空技術突破：不用活動機件的飛機
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