不算迟来的实验:关于“离子风飞机”的一些真相(2)

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:

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

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--这也与原文作者的研究方向一致。

(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

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(实验迎角)~0.88(最大迎角)，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(最大迎角)~5.08m/s(实验迎角)。这说明,在实验机翼迎角下，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。

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，查右图知对应的迎角约为2.3°，此时的升力系数约为0.23;在最大迎角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。

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:

·实验迎角2.3°和实验离子风速3.5m/s下，f≈0.048kg/m

·极限迎角8.0°和实验离子风速3.5m/s下，f≈0.180kg/m

·实验迎角2.3°和极限离子风速17m/s下，f≈1.167kg/m

·极限迎角8.0°和极限离子风速17m/s下，f≈4.273kg/m

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。

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，最终仍然转化为提高电池能量密度的问题，与目前电动飞机所存在的挑战相同。因此，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。

文章来源：《高电压技术》 网址: http://www.gdyjszzs.cn/zonghexinwen/2020/1110/472.html