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飞机：没有翅膀也能飞 |
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11/16/2006 10:32:00 AM
佳工机电网
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空客公司A380的推出，将不可避免地导致许多机场的跑道和停机坪必须进行扩建以适应这个庞然大物。然而如果飞机不再需要机翼和轮胎，一切将变得轻而易举，随便一条马路就能起降。英国高级航空工程师罗杰•肖耶的研究有望使这一梦想变为现实。而且这一技术还将大大减少能耗和污染。
根据相对论原理，肖耶发明的这种没有活动部件的引擎，利用微波产生的辐射压作为推动力。他相信这种新式引擎可以取代火箭，用做飞机以及汽车的发动机。肖耶已经建造了引擎原型，它不需要使用燃料，不会排放出废气。也许有一天它能够驱动航天飞机和太空探测器，甚至还能够让汽车在空中盘旋飞行。
肖耶曾经为军事和商业卫星设计过导航和通信设备，并担任过欧洲的卫星导航系统“伽利略”计划的顾问。他研制微波推进引擎的目的，是想改进传统轨道卫星所使用的小型推进器。传统卫星携带的燃料装置占发射重量的一半，一旦燃料耗尽，卫星也就完成了自己的使命。相比之下，肖耶的引擎依靠太阳能光电池产生的微波来推动，既节省了燃料，也减轻了重量，同时还降低了发射成本。
事实上，肖耶这项技术的理论早在1个多世纪前就诞生了。1871年，物理学家麦克斯韦尔发现光照射到任何表面都会产生一个推力，就像风在帆上产生推力一样。去年，国际行星协会同俄罗斯合作研制的“宇宙1号”太阳帆，就是采用特殊材料制成的薄膜来捕获太阳发出的光子，光子从薄膜上反射，产生的反作用力推动“宇宙1号”在太空中飞行，这与肖耶的引擎工作原理大致相同。不过，这张面积为600平方米的太阳帆获得的作用力只有千分之三牛顿，虽然能够推动飞行器在太空中前进，但是在地球上却仅能承受一根羽毛的重量。
而肖耶的目标，就是要研制一台动力十足的电磁发动机。
在工作室里，肖耶展示了电磁发动机的原型，主要由一个微波产生器（磁控管）、一个密闭的铜制大圆筒、装有冷却剂的导管以及电源线构成，没有任何移动的零部件，也不需要燃料。磁控管发出的微波被导进铜制圆筒内，在传播过程中会对圆筒的内壁产生微弱的辐射压。根据微波的波长制造容积合适的圆筒，形成共鸣腔，这时候的圆筒就变成了一个巨大的“能量箱”。肖耶表示，圆筒的Q值（品质因数）非常关键，它决定了整个系统中的能量有多少将转变为热能散发，Q值越高，能量损失就越小，形成的辐射压也就越大。另外，圆筒的直径也很重要，圆筒越大，微波的传播速度越快，而在较小的圆筒内，微波会因为不断“碰壁”而减慢速度。因此，肖耶将圆筒的形状设计为一头粗一头细，两端辐射压的差值就是推力的来源。
实验结果显示，这种推进系统消耗1千瓦电能，可以产生0.016牛顿的推动力。肖耶研制的第一个电磁发动机原型Q值为5900。他计划将第二个原型的Q值提高到50000，以保证其产生的推动力能够达到0.3牛顿，这是“宇宙1号”太阳帆所获得动力的100倍。对于地面移动装置比如汽车来说，这样的作用力虽然远远不够，但是对于航天器而言，这种推进系统却具有革命性的突破意义。
英国贸易与工业部为此项研究投资25万英镑，同时委托空间工程师约翰•斯皮勒对肖耶的研究成果进行独立审核。斯皮勒表示，这款电磁发动机的设计非常实用，经过进一步改进和可靠的飞行测试后，将很容易应用于空间探测器的推进系统。
带着他的发动机原型、实验所取得的测量数据以及审核结论，肖耶正在同航空业接洽。美国空军已经参观了他的实验室，一家中国公司也在同他协商购买推进器的知识产权事宜。
在下一阶段的改进工作中，肖耶希望能够进一步增强推进系统的功能，使其成为一个独立装置，这就意味着要解决微波的能量泄漏问题。由于微波在铜制圆筒内遇到电阻时会转化为热能，产生的推进力也将随之减弱，因此，通过提高圆筒的超导性能，消除电阻，就可以阻止能量以热能的形式散发。目前，德国的物理学家已经在利用超导金属筒研制Q值达到几十亿的粒子加速器，如果肖耶的圆筒也具有同样的性能，那么由此产生的推动力可以达到3万牛/千瓦———这足以抬升起一辆大型车了。
但是，制造粒子加速器的金属铌的超导临界温度接近绝对零度（-273.15℃），对于发动机引擎来说，保持这样的低温条件很不现实。因此，肖耶试图找到超导俳缥露冉细叩牟牧现圃煸餐玻⒗梅械阄?0K（-252.8℃）的液态氢作为冷却剂。同时，他也在尝试使用沸点为77K（－196℃）、更易于控制的液态氮取代液态氢来制冷。
除了需要具备良好的超导性能外，材料的可塑性也重要。微波产生的巨大作用力很容易导致圆筒变形，肖耶考虑将在材料设计中添加陶瓷，并确保陶瓷能够牢固地贴合在圆筒内壁，同时在低温环境下不会碎裂或者剥落。
不过，最关键的还是整个引擎的加速问题。肖耶的测算结果显示，一旦推进器开始发动，能量损耗的速度快于能量补给的速度，它将很快耗尽圆筒内储存的所有能量。也就是说，当静止的引擎产生巨大的推动力时，随着速度加快，推力将逐渐减弱。肖耶表示，这种微波发动机更适合于使飞行器在空中保持盘旋状态，如果在飞行器的尾部加上一个大风扇或者一个涡轮机，就能够在没有摩擦力的情况下帮助飞行器加速前进。涡轮机可以使用氢燃料电池，生成的电能还能为微波产生器提供能量。
肖耶希望能够在两年内推出首个微波推进系统。他计划通过技术授权的方式与航空业合作，如果进展顺利，他相信两年内就可以发射飞行器进行测试实验，以验证技术的可行性。他预计，在未来10年间，采用微波推进引擎将帮助航空业节省150亿美元。当然，这种新式引擎能否成为车轮和机翼的终结者，还有待时间的验证。
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