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科技報導

中國科研團隊開發的電磁等離子體推進器可與傳統噴氣式發動機相媲美



據外媒New Atlas報導,一個中國科研團隊展示了一種微波等離子體推進器的原型,在實驗室條件下,能夠在地球大氣層中工作,並產生推力,其效率可與現代客機上的噴氣式發動機相媲美。等離子推進器已經在航天器上使用氙氣等離子體作為太陽電運動的一種手段,但這種東西在地球大氣層中沒有用處,因為加速的氙氣離子會因與空氣摩擦而失去大部分推力。更不用說,它們首先只能產生少量的推力。

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這種新設計由武漢大學工業科學研究院的一個團隊構思並製造,只使用空氣和電力,似乎能產生令人印象深刻的推力,可能會被用於於電動飛機等相關領域。該裝置的工作原理是通過電離空氣產生低溫等離子體,通過空氣壓縮機將其吹到管子上。等離子體在管子上升的過程中,會被強大的微波擊中,使等離子體中的離子劇烈搖晃,使其與其他非離子化的原子相撞,並使等離子體的溫度和壓力大大增加。這種溫度和壓力在管子上產生了巨大的推力。

秘密的一部分是在扁平化的波導上,微波是通過它發射的。由一個1kW、2.45Gh的磁控管產生的微波,在接近等離子體管時,微波被送入波導,被壓縮到一半的高度。這樣做是為了增強其電場強度,並儘可能多地給等離子體傳遞熱量和壓力。

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研究人員注意到,在保持壓縮機的氣流穩定的情況下,當微波功率增加時,管內的火焰射流似乎會延長。他們開始嘗試測量產生了多少推力,但事實證明這很困難,因為千度的等離子體射流會破壞普通的氣壓計。

相反,他們決定將一個空心鋼球放在管子的頂部,在管子的頂部裝入較小的鋼珠以改變其重量。在一定的重量下,推力會抵消拉著鋼珠的引力,並開始將其從管子上抬起,使其移動和跳躍,研究人員利用這些測量結果,減去空氣壓縮機的推力,計算出他們的新的等離子體推進器的推力有多大。

他們在一定的功率和空氣流量範圍內進行了測試,儘管測量技術有些笨拙,但他們發現推進推力與微波功率和空氣流量之間存在線性關係。從能效層面來看,其推力為11N(400W、每小時空氣流量1.45 立方米),這意味著其推力效率為28 N / kW 。假設其性能是線性增長的,那團隊預估特斯拉 Model S 的電池可輸出 310 kW 的功率(換算成推力就是 8500 N)。

通過比較,空客E-Fan電動飛機使用了一對30千瓦的電動管道式風扇,合起來能產生1500N的推力。這意味著推力效率為25N/kW,與該實驗室組裝的第一架原型機相比,推力效率並不高。研究人員說,這個推力效率已經 “可以與商業飛機噴氣式發動機的推力效率相媲美。”

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研究人員表示,他們正在努力拋棄鋼球測試方法,換上更可靠、更準確的東西,同時也在努力提高設計的效率。不過,在電動飛機推進中,這種新的等離子體推進器的想法看起來確實很有希望,但有幾個重要的注意事項。

首先,作為電動垂直起降飛機上的螺旋槳或涵道式風扇的替代品,無論它有多安靜,如果等離子體在千度的溫度下出現,它都不會有太大的影響。其次,正如Ars Technica的一篇分析文章所指出的,”空氣流量是全尺寸發動機的1/15000左右。推力也必須擴大約四個數量級(意味著功率也會擴大)。用四個數量級以上的線性趨勢來推斷推力的線性趨勢,是讓人對生活失望的好辦法。”

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另外,不管出於什麼原因,數據點並沒有顯示出測試平台似乎允許的最高空速下的最高微波功率水平,這表明實驗室裡的事情可能已經開始變得很奇怪了。最後,即使在給定的能量輸入量下,它比普通的老式空客發動機更高效,但事實是,在給定的重量下,航空燃料所攜帶的能量比電池的能量要多得多,電機效率的提高幾乎是杯水車薪。

儘管如此,這是一個有趣而新穎的等離子推進器設計。如果事實證明它的可擴展性和效率能達到對飛機友好的水平,它將為零排放電動航空的新興領域做出真正的貢獻。