堪比莱特兄弟发明飞机？工坊与湖南大学高电压与绝缘技术团队合作，各自构建模型、独立计算验证了离子风推进问题，共同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。 ...
---摘要--- 堪比莱特兄弟发明飞机？工坊与湖南大学高电压与绝缘技术团队合作，各自构建模型、独立计算验证了离子风推进问题，共同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。 前段日子，工坊君的朋友圈被有关Nature一篇文章的报道刷了一波存在感： 《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》…… 这引起了工坊君的思考：“离子风”并不是什么新事物，飞机也是家喻户晓。“离子风飞机”的基本原理，从名称上也能猜出一二。那么这样一个并不神秘甚至一直并未被学界看好的概念，为什么会登上一直被我国学术评价机构奉为圭臬的《Nature》，甚至让作者敢于自比“堪比莱特兄弟发明飞机”呢？ 怀着疑问，等离子体计算工坊团队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（以下简称《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。 一：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：
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。工坊君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——这些富有科幻风味的名称很可能是一些科普媒体的发明创造。
事实上，无论如何，“离子推进飞行器”都算不上第一次在真实世界上演。在大气层外，离子推进技术早已在航天领域得到大量研究并已投入使用（如上图）；而在大气层内，现在和可见的未来，直接依靠喷射离子来推动飞机都不现实。“离子风飞机”虽未在原文出现，但是也包含了该演示飞机的基本特征，因此下文中将继续使用这一名称。 二：性能分析：离子风速、飞机速度与载荷极限 《Nature文》相关报道中，最吸睛的内容，就是一部“2.45kg重的飞机以平均17km/h的速度飞行了60米”的视频，这也是原文取得的主要成就。
固态推进飞机：平稳飞行40-45m。图片摘自《Nature》 事实上相关报道的描述很不严谨。工坊君根据原文内容，将主要成就转化为可供研究的科学语言：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（如下图所示），故电极总展宽应大于3m×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。图片摘自《Nature》 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，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。各团队的模型细节请查看本期另外两条推送和文末参考文献。 （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。 计算：等离子体计算工坊。 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。 为了计算诱导气体速度，需要耦合求解泊松方程、电荷平衡方程和NS方程组。计算结果如下图所示：
40kV实验条件下单个电极-机翼组合诱导气流速度。 计算：湖南大学高电压与绝缘技术团队。
40kV实验条件下单个电极-机翼组合诱导气流速度。 计算：等离子体计算工坊。 两组的计算结果均显示，在40kV实验电压条件下，电晕诱导流向机翼的空气速度为3.0-3.6m/s。 利用计算模型可以估算电晕风的极限速度。考虑空气的电离场强为32kV/cm，取极端情况：导线与机翼之间全区间电场大于32kV/cm，则对应电压应为32kV/cm×6cm=180kV。此时，计算诱导电晕风速度分布如下图所示：
180kV极限条件下单个电极-机翼组合诱导气流速度。 计算：湖南大学高电压与绝缘技术团队。 经过计算发现，在《Nature文》构型下，电晕风的最高速度为15-18m/s，事实上，在180kV直流高压下，导线和电极之间早就击穿形成了电弧，这一极限速度是不可能达到的。 综上，在物理本质的限制下，离子风的速度（即“离子风飞机"的最大飞行速度）无法达到螺旋桨/涡轮推进飞机的巡航速度，其应用必定限制在小/微型飞机上——这与作者的研究方向是相一致的。 （2）飞机速度 根据《Nature文》，飞机是在设备辅助下直接加速到5.5m/s后开启离子风辅助飞行的。该初始速度（5.5m/s）大于前文计算得到的离子风速度（3.5m/s），飞机平飞后速度将不断下降，由文中的速度监测图也验证了这一点：
固态推进飞机飞行速度曲线。图片摘自《Nature》 根据上图趋势，可以预计，如果电源能量足够且场地开阔，飞机还可以继续飞行约40m并缓慢减速至与离子风速相近或略小。由于飞机总体上在不断减速，看起来离子风在本次飞行过程中没有产生净推力，更多是扮演抵消阻力、延缓速度衰减的作用。 如果飞机初始速度较低，则风阻较小，此时离子风可能产生净推力并带动飞机起飞，但是需要保证机翼升力大于载荷。NACA0010翼型在实验条件下升力系数Cl为0.23（实验攻角）~0.88（最大攻角），根据翼型升力计算公式f=0.5ρ*u*u*Cl*S=飞机总重力24N，计算得到飞机起飞的最小速度应当为2.6m/s（最大攻角）~5.08m/s（实验攻角）。这说明在实验机翼攻角下，如果研究团队不进一步减轻载荷，在没有辅助加速措施情况下，飞机可能仅能刚刚好或者无法单纯依靠离子风（3.5m/s）实现起飞。 （3）飞机载荷 飞机需要带着载荷完成各项任务，载荷大小决定了“离子风飞机”的应用和研究意义。为此，我们结合NACA0010翼型特征和前文得到的飞行速度极限范围，寻找该“离子风飞机”的载荷极限。
上图为NACA0010翼型低雷诺数下升力系数和升力/阻力与机翼攻角的关系曲线。《Nature文》中给出升阻比为8，查右图知对应的攻角约为2.3°，此时的升力系数约为0.23；在最大攻角8.0°下，升力系数约为0.88。根据机翼展长5m，展弦比17.9计算得到弦长约为0.28m。根据机翼升力公式：
空气密度约为1.2kg/m3，产生升力的机翼面积S=0.28L，L为电极总展长。取实验离子风速u=3.5m/s和极限电离风速17m/s，计算得到飞机载荷范围：
结合实验电极展宽30m，得到实验离子风速下，载荷范围大约在1.44kg~5.4kg，原文2.45kg重量恰在范围之中；极限离子风速下，载荷范围大约在33.5kg~128.2kg。需要注意的是，极限离子风速下的载荷非常可观，但是极限离子风速伴随的是电晕放电条件的破坏，以及巨大的能量消耗，不可能实现。 三：能量分析：机载电池功率与持续运行时间 除了实现了飞机的短距飞行，《Nature文》的另一个亮点是通过组合使用逆变器、变压器和整流器，将54个串联的3.7V锂电池电压升高至40kV并维持一段时间，从而确保了实验的进行。 文中指出，该电池组总重0.23kg，能够以600W的功率持续运行90s。结合前文推导，若不计飞机加速时间和滑行降落时间，该实验飞机应能够飞行4.7m/s×20s+3.5m/s×70s=340m。机载电池的能量决定了“离子风飞机”的飞行时间——于是，离子风飞机可靠、长距离飞行问题，最终转化成了如何提高一定质量电池的能量密度这一基础科学问题……事实上，这一问题不仅困扰着“离子风飞机”，同样困扰着手机、电动车和其他所有需要长时间使用电池的应用上。 在当前基础科学水平限制下，“离子风飞机"的飞行时间和距离仍受到很大限制，在可见的未来，其研究也将长期限制在短距离飞机模型上。 四：优缺点与一些想法 《Nature文》认为固态推进飞行器的优点主要是安静和无燃气排放： （1）“离子风飞机”确实相比螺旋桨飞机具有安静飞行的特点，但是其应用范围必将限制在小型、微型、轻型和短距飞行器上，能否替代燃气飞机尚有较大争议，无燃气排放这一优点暂时无法体现； （2）离子风飞机的原理简单，可操作改动余地不大，因而能量效率提高空间很小。相同重量的锂电池，可以驱动一台便于控制的螺旋桨/旋翼飞机飞行更远距离、更长时间。在众多成熟飞行手段的压缩下，离子风飞机的生存空间极为有限； ---工坊君comments--- 工坊君对被这篇文章相关报道刷屏感到困惑。《Nature文》工作本身体现了MIT强悍的工程整合能力，但是科学高度一般；而我们的不少媒体却强行加戏，又是“星际迷航”，又是“飞机革命”，乐此不疲。我们，真的要唯IF和《Nature》马首是瞻吗？——19世纪以来，改变人类生产生活的重大创新和突破，产生于务实低调的《Physics Rivews Letters》系列杂志的，要远远多于《Nature》，《Science》这些影响因子极高，却更偏重“流行和吸引眼球”的科学（普）类杂志——至少，没有人会在PRL里自比莱特兄弟或者爱因斯坦啥的。 *感谢湖南大学高电压与绝缘技术团队陈赦老师在电晕风计算方面提供的数据和指导。
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