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等離子體附身：未來(lái)飛機(jī)將插上“隱形的翅膀”
等離子體附身：未來(lái)飛機(jī)將插上“隱形的翅膀”
在黑暗中，等離子機(jī)翼會(huì)顯現(xiàn)出獨(dú)特的紫色電離場(chǎng)
等離子機(jī)翼有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)機(jī)械部件、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，比傳統(tǒng)的機(jī)翼舵面更輕便和高效。來(lái)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?cè)谶@方面上取得了新的進(jìn)展，讓該技術(shù)離走出實(shí)驗(yàn)室、裝備到大型飛機(jī)上更近一步。
等離子體與飛行器有什么關(guān)系？
出于對(duì)等離子隱身技術(shù)的探索，美國(guó)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(dòng)力方面的應(yīng)用。中國(guó)首個(gè)等離子體動(dòng)力學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在2011年成立，專注于使用等離子改進(jìn)飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，但研究?jī)?nèi)容也包括減阻增升，提高戰(zhàn)機(jī)的失速攻角和機(jī)動(dòng)性。各國(guó)非軍方機(jī)構(gòu)也陸續(xù)將等離子體作動(dòng)器(plasma actuator)技術(shù)應(yīng)用在小型無(wú)人機(jī)上：
2009年，德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的無(wú)人機(jī)首次將等離子體作動(dòng)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(shí)現(xiàn)用等離子體作動(dòng)器代替舵面
2014年，中國(guó)南京航空航天大學(xué)的“紫電”無(wú)人機(jī)獲得10萬(wàn)元獎(jiǎng)金
等離子機(jī)翼好在哪里？
Dr. Rasool Erfani向媒體介紹道，等離子體機(jī)翼是最近10年才出現(xiàn)明顯進(jìn)步的新技術(shù)，前景光明。這種機(jī)翼有著等離子體作動(dòng)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(jī)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(yùn)動(dòng)著的低溫等離子。啟用時(shí)，翼面上方覆蓋上一層散發(fā)著紫色光芒的電離場(chǎng)，帶動(dòng)臨近空氣分子的移動(dòng)。此時(shí)，飛機(jī)像是有了一雙持續(xù)扇動(dòng)著的隱形翅膀，產(chǎn)生看不見(jiàn)的微風(fēng)，改善了空氣動(dòng)力結(jié)構(gòu)。
相比普通機(jī)翼，在同樣攻角和速度的情況下，施加了等離子體激勵(lì)的機(jī)翼上方的氣流將被加速，導(dǎo)致壓強(qiáng)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(jī)翼省去了活動(dòng)的機(jī)械部件，能將電能直接轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。是壓電作動(dòng)器、零質(zhì)量射流和渦流發(fā)生器之外，又一種理想的主動(dòng)流動(dòng)控制(active flow control)技術(shù)。
施加等離子體激勵(lì)前(左)與施加后的比較
這樣的作動(dòng)器通過(guò)改變電流強(qiáng)度來(lái)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(jī)翼上的不同部位。安裝在機(jī)翼尾部時(shí)則起出眾的整流作用，大大減少亂流帶來(lái)的阻力。美國(guó)的一家公司正在計(jì)劃把等離子體作動(dòng)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(lái)的等離子飛機(jī)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(jī)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(wú)人機(jī)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(jìn)行測(cè)試。
等離子體作動(dòng)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(jī)翼上，提升飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性和燃油效率。傳統(tǒng)飛機(jī)機(jī)翼上的舵面需要沉重的機(jī)械進(jìn)行操控。這份累贅在輕量化的新型飛機(jī)上被徹底去掉后，帶來(lái)的效率提升會(huì)更加明顯。在機(jī)翼前緣的等離子裝置還能改善超音速飛行。待等離子推進(jìn)技術(shù)成熟之后，未來(lái)的飛機(jī)或許會(huì)像法國(guó)工程師與無(wú)人機(jī)專家Jean-Louis Naudin設(shè)計(jì)的那樣，使用覆蓋機(jī)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(dòng)機(jī)。
