等離子體附身：未來飛機將插上“隱形的翅膀”

 等離子體附身：未來飛機將插上“隱形的翅膀”

在黑暗中，等離子機翼會顯現(xiàn)出獨特的紫色電離場

      等離子機翼有著結(jié)構(gòu)簡單、無機械部件、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，比傳統(tǒng)的機翼舵面更輕便和高效。來自曼徹斯特城市大學(xué)(Manchester Metropolitan University)和格拉斯哥大學(xué)(University of Glasgow)的研究者們在這方面上取得了新的進展，讓該技術(shù)離走出實驗室、裝備到大型飛機上更近一步。

等離子體與飛行器有什么關(guān)系？

　　出于對等離子隱身技術(shù)的探索，美國和俄羅斯軍方在等離子與飛行器的研究已有數(shù)十年的歷史，并在本世紀(jì)初將研究專向了其它空氣動力方面的應(yīng)用。中國首個等離子體動力學(xué)國家級重點實驗室在2011年成立，專注于使用等離子改進飛行器發(fā)動機設(shè)計，但研究內(nèi)容也包括減阻增升，提高戰(zhàn)機的失速攻角和機動性。各國非軍方機構(gòu)也陸續(xù)將等離子體作動器(plasma actuator)技術(shù)應(yīng)用在小型無人機上：

2009年，德國達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的無人機首次將等離子體作動器用于控制邊界層氣流分離

2010年，斯坦福大學(xué)學(xué)生首次實現(xiàn)用等離子體作動器代替舵面

2014年，中國南京航空航天大學(xué)的“紫電”無人機獲得10萬元獎金

等離子機翼好在哪里？

Dr. Rasool Erfani向媒體介紹道，等離子體機翼是最近10年才出現(xiàn)明顯進步的新技術(shù)，前景光明。這種機翼有著等離子體作動器，使用的是單介質(zhì)阻擋放電(single dielectric barrier discharge, SDBD)技術(shù)。絕緣的機翼表面上下方布置上位置不同的電極，電極之間的高壓交流電將在空氣中生成不斷運動著的低溫等離子。啟用時，翼面上方覆蓋上一層散發(fā)著紫色光芒的電離場，帶動臨近空氣分子的移動。此時，飛機像是有了一雙持續(xù)扇動著的隱形翅膀，產(chǎn)生看不見的微風(fēng)，改善了空氣動力結(jié)構(gòu)。

　　相比普通機翼，在同樣攻角和速度的情況下，施加了等離子體激勵的機翼上方的氣流將被加速，導(dǎo)致壓強減小、升力增加。讓飛行器能以更低的速度與更短的距離起飛與著陸。這種機翼省去了活動的機械部件，能將電能直接轉(zhuǎn)化為動能。是壓電作動器、零質(zhì)量射流和渦流發(fā)生器之外，又一種理想的主動流動控制(active flow control)技術(shù)。

施加等離子體激勵前(左)與施加后的比較

　　這樣的作動器通過改變電流強度來控制升力大小，達(dá)到代替液壓舵面、控制飛行姿態(tài)的目的。可以安裝在機翼上的不同部位。安裝在機翼尾部時則起出眾的整流作用，大大減少亂流帶來的阻力。美國的一家公司正在計劃把等離子體作動器安裝在貨車車廂尾部，聲稱能將油耗降低12%。

普通貨車(左)車尾有明顯的亂流

將來的等離子飛機是什么樣的？

　　Dr. Erfani等人使用的是一種新型的等離子體，叫做標(biāo)準(zhǔn)大氣壓均勻輝光放電等離子體(OAUGDP)。這種技術(shù)可用于大面積的機翼，能改變阻力大小和調(diào)節(jié)推力方向。在常溫常壓下使用，并且噪音和功耗極低。在小型無人機上只需要消耗幾瓦的能量。很快他們就能在更大的飛行器和更高的速度上進行測試。

等離子體作動器十分輕薄。按照需求，裝置厚度可從幾微米到幾厘米不等，可應(yīng)用到現(xiàn)有的機翼上，提升飛機的機動性和燃油效率。傳統(tǒng)飛機機翼上的舵面需要沉重的機械進行操控。這份累贅在輕量化的新型飛機上被徹底去掉后，帶來的效率提升會更加明顯。在機翼前緣的等離子裝置還能改善超音速飛行。待等離子推進技術(shù)成熟之后，未來的飛機或許會像法國工程師與無人機專家Jean-Louis Naudin設(shè)計的那樣，使用覆蓋機身的等離子層提供升力與推力，以至于不需要化石燃料，完全代替噴氣式發(fā)動機。