異軍突起

蔡汝鴻

XC-142傾轉(zhuǎn)機(jī)翼貨運(yùn)飛機(jī)

談電動(dòng)垂直起落飛機(jī)的發(fā)展

20年前，即1997年，垂直起落飛機(jī)著名專(zhuān)家、現(xiàn)美國(guó)直升機(jī)學(xué)會(huì)（AHS）執(zhí)行理事邁克· 赫希伯格（Mike Hirschberg）在該學(xué)會(huì)刊物《垂直飛行》3/4月號(hào)上發(fā)表了名為“垂直與短距起落飛行頭半個(gè)世紀(jì)”的文章。該文最突出的貢獻(xiàn)就是將直升機(jī)的垂直起落能力與固定翼飛機(jī)的高速前飛能力相結(jié)合的飛行器進(jìn)行了清楚詳細(xì)的分類(lèi)。在文章選用的45種已制造和試驗(yàn)的垂直與短距起落（V/STOL）飛行器中，那時(shí)只有3種被認(rèn)為是成功的。它們是：英國(guó)航空航天公司的“鷂”式戰(zhàn)斗機(jī)、原蘇聯(lián)雅克夫列夫設(shè)計(jì)局的雅克-38和美國(guó)貝爾-波音聯(lián)合研制小組的V-22“魚(yú)鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。從那時(shí)起經(jīng)過(guò)10年，V-22“魚(yú)鷹”飛機(jī)才投入部隊(duì)使用，經(jīng)過(guò)20年才只有另一種V/STOL飛機(jī)進(jìn)入服役，它就是F-35B。

1995年，邁克·赫希伯格開(kāi)始參與F-35B垂直起落戰(zhàn)斗機(jī)初期計(jì)劃的“聯(lián)合打擊戰(zhàn)斗機(jī)計(jì)劃”（JSF）辦公室推進(jìn)系統(tǒng)研制小組的工作。該計(jì)劃的目標(biāo)是研制世界上第一種作戰(zhàn)超音速V/STOL噴氣式飛機(jī)。當(dāng)時(shí)，“先進(jìn)短距起飛與垂直降落”（ASTOVL）計(jì)劃已并入了JSF計(jì)劃。

比較粗短的亞音速“鷂”式戰(zhàn)斗機(jī)是在20世紀(jì)50年代末設(shè)計(jì)的，它采用單發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量的推進(jìn)系統(tǒng)。由于相對(duì)簡(jiǎn)單，因而取得了成功。然而，20世紀(jì)80年代和90年代初進(jìn)行的ASTOVL研究探索表明，對(duì)于獲得能短距起飛和垂直降落（STOVL）超音速戰(zhàn)斗/攻擊機(jī)所需的細(xì)長(zhǎng)機(jī)體來(lái)說(shuō)最有希望的方法是采用升力風(fēng)扇，后來(lái)在洛克希德X-35B和現(xiàn)在的F-35B飛機(jī)上就是這樣做的。升力風(fēng)扇增大STOVL和懸停飛行時(shí)的推力，并且通過(guò)前后分布推力而使發(fā)動(dòng)機(jī)的位置可以偏離飛機(jī)重心。

V/STOL發(fā)展緩慢的原因

上述研制成功的V/STOL飛機(jī)動(dòng)力傳輸都是采用機(jī)械傳動(dòng)軸的。邁克·赫希伯格的研究指出，已研制成功的機(jī)械傳動(dòng)V/STOL飛機(jī)存在一些問(wèn)題。首先，垂直飛行與巡航飛行所需的推力相差很大。這意味著裝機(jī)功率要遠(yuǎn)大于飛機(jī)巡航所需功率，或者需要采用專(zhuān)門(mén)用于垂直飛行的獨(dú)立推力裝置；其次，懸停時(shí)推力要在飛機(jī)重心周?chē)夥植?，包括縱向和橫向；其三，要達(dá)到推力的均衡分布會(huì)帶來(lái)機(jī)械的復(fù)雜性，例如需要許多多余的獨(dú)立發(fā)動(dòng)機(jī)或者多發(fā)動(dòng)機(jī)之間的交聯(lián)轉(zhuǎn)動(dòng)軸；還有燃油效率低，直接動(dòng)力升力飛行本身就比氣動(dòng)升力飛行效率低。

另外，V/STOL飛機(jī)在懸停、低速飛行、過(guò)渡飛行和巡航時(shí)必須在所有6個(gè)軸上保持控制。旋翼機(jī)上周期變距操縱的旋翼不僅能產(chǎn)生升力還能產(chǎn)生操縱力矩，而螺旋槳和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)只能產(chǎn)生推力。因此，對(duì)于非旋翼機(jī)的V/STOL來(lái)說(shuō)，低速操縱常常需要附加的操縱推進(jìn)器或者各種推力矢量裝置（如使用高壓涵道燃?xì)猓?，這增加了飛機(jī)的復(fù)雜性。由于V/STOL飛機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)復(fù)雜性高，其機(jī)械傳動(dòng)軸、減速器或發(fā)動(dòng)機(jī)的故障常常引起飛機(jī)墜毀和人員傷亡。

20世紀(jì)期間，V/STOL飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障率非常高，以至于20世紀(jì)60年代的貝爾飛機(jī)公司X-22四傾轉(zhuǎn)涵道驗(yàn)證機(jī)為了安全采用4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)和11臺(tái)減速器，裝機(jī)功率還大于所需功率的25%。德國(guó)多尼爾公司的Do31 V/STOL貨運(yùn)飛機(jī)其總重與今天V-22“魚(yú)鷹”的差不多，但有效載荷和航程較小，卻采用2臺(tái)“鷂”式戰(zhàn)斗機(jī)所用的“飛馬”發(fā)動(dòng)機(jī)和8臺(tái)垂直安裝的升力發(fā)動(dòng)機(jī)。這樣做的目的是為了在一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)提高生存機(jī)會(huì)。但多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并不一定能保證安全，采用4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)與4副螺旋槳的XC-142傾轉(zhuǎn)機(jī)翼貨運(yùn)飛機(jī)的所有5架原型機(jī)還是都?jí)嫐Я嘶驌p壞了。

21世紀(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)械的可靠性較半個(gè)世紀(jì)前相比，已經(jīng)有了很大的提高。兩種最新的V/STOL飛機(jī)，F(xiàn)-35B和V-22可以采用最少量的發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)軸。盡管如此，由于關(guān)鍵飛行升力系統(tǒng)自身缺陷，V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)從研制階段到投入使用期間一直事故。

由于機(jī)械傳動(dòng)V/STOL存在上述缺陷，其發(fā)展始終非常緩慢，沒(méi)有取得突破性進(jìn)展，產(chǎn)量較少，使用不廣泛。電動(dòng)垂直飛行推進(jìn)技術(shù)的新進(jìn)展有望解決以前V/STOL設(shè)計(jì)方案中的許多問(wèn)題。當(dāng)電動(dòng)機(jī)和儲(chǔ)能技術(shù)得到提高后，以前被認(rèn)為過(guò)分復(fù)雜的多推力與多臺(tái)減速器的V/STOL構(gòu)型現(xiàn)在變得簡(jiǎn)單易行了，至少在小比例模型V/STOL機(jī)的情況是這樣。

電動(dòng)VTOL飛機(jī)異軍突起

在過(guò)去幾年中，出現(xiàn)了一股對(duì)用于個(gè)人飛行器、城市空中出租飛機(jī)和軍事任務(wù)的純電動(dòng)和混合電動(dòng)VTOL飛機(jī)感興趣的熱潮。2014年，美國(guó)直升機(jī)學(xué)會(huì)（AHS）、美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)（AIAA）以及美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)（SAE）等技術(shù)學(xué)會(huì)聯(lián)合舉辦了一系列創(chuàng)新垂直起落飛行器研討會(huì)以支持這些技術(shù)和有關(guān)技術(shù)，并取得顯著效果。

電動(dòng)VTOL不需要機(jī)械動(dòng)力傳動(dòng)裝置，允許設(shè)計(jì)者采用容易在飛機(jī)橫軸與縱軸線附近布置的簡(jiǎn)單而無(wú)周期變距的螺旋槳，特別是由NASA“油脂之光”（Greased Lightning）項(xiàng)目已驗(yàn)證的分布式電動(dòng)螺旋槳。另外，與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)不同，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是連續(xù)可調(diào)的，便于在起飛和巡航之間的大轉(zhuǎn)速變化調(diào)節(jié)。這部分解決了VTOL飛機(jī)在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上研制的致命問(wèn)題：垂直與懸停飛行比機(jī)翼承載飛行所需推力大得多。

對(duì)于電動(dòng)VTOL飛機(jī)感興趣的熱潮正在不斷高漲，因?yàn)榕c飛機(jī)電推進(jìn)有關(guān)的技術(shù)也匯集起來(lái)，產(chǎn)生了非常激動(dòng)人心的機(jī)遇。這對(duì)于VTOL設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)更是如此，因?yàn)榕c內(nèi)燃機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)相比，分布式電推進(jìn)的動(dòng)力傳輸相對(duì)靈活而且重量較輕。使用電線或其他導(dǎo)體代替?zhèn)鲃?dòng)軸和減速器向推進(jìn)器傳輸動(dòng)力意味著設(shè)計(jì)者可以把旋翼、螺旋槳或涵道風(fēng)扇安置在機(jī)體的任何地方并且數(shù)量遠(yuǎn)多于常規(guī)飛機(jī)。endprint

對(duì)于VTOL飛機(jī)來(lái)說(shuō)，必須在任何飛行速度、懸停和任何轉(zhuǎn)換過(guò)渡的情況下能夠控制飛機(jī)。電動(dòng)VTOL技術(shù)使設(shè)計(jì)者能把任何大小的推進(jìn)裝置放在機(jī)體上任何位置也沒(méi)有問(wèn)題，從操縱功效和氣動(dòng)效率來(lái)說(shuō)反而能獲得利益。這在以前是不可能的，因?yàn)闀?huì)造成難以想象的交叉軸與減速器的復(fù)雜性。

NASA蘭利研究中心的馬克·摩爾（Mark Moore）計(jì)算結(jié)果表明，分布式電推進(jìn)飛機(jī)的優(yōu)良升阻比與推進(jìn)效率比直升機(jī)高一個(gè)數(shù)量級(jí)。由于分布式電推進(jìn)采用多個(gè)小電動(dòng)機(jī)和螺旋槳代替直升機(jī)笨重的減速器、傳動(dòng)軸以及復(fù)雜的旋翼槳轂，消除了對(duì)直升機(jī)飛行時(shí)關(guān)鍵部件的影響并減少了使用維護(hù)費(fèi)用。分布式電推進(jìn)飛機(jī)不僅使用費(fèi)用低而且無(wú)熱燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音與燃燒污染。

馬克·摩爾把電力和航空汽油的能量當(dāng)量費(fèi)用進(jìn)行比較后指出，電力當(dāng)量費(fèi)用約是航空燃油的一半。電動(dòng)VTOL飛行平臺(tái)飛行效率是直升機(jī)的11.8倍，加上燃料費(fèi)用僅50%，轉(zhuǎn)換成能源成本為直升機(jī)的4.2%。

考慮到發(fā)電、儲(chǔ)能和控制技術(shù)的進(jìn)展，分布式電推進(jìn)方案為垂直飛行打開(kāi)了新思路設(shè)計(jì)。分布式電推進(jìn)通過(guò)電線向旋翼、涵道風(fēng)扇和其他升力裝置提供動(dòng)力，能夠改變各種尺寸大小的垂直起落飛機(jī)的外形和性能。美國(guó)先進(jìn)飛機(jī)公司（AAC）16.3千克重的“大力神”（Hercules）無(wú)人駕駛飛機(jī)系統(tǒng)（UAS），由混合動(dòng)力的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組向懸臂梁安裝的帶有螺旋槳的8臺(tái)電動(dòng)機(jī)供電，用于懸停和前飛。AAC的28.1千克“油脂之光”UAS（電池供電），在其傾轉(zhuǎn)機(jī)翼和尾翼上有10副電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺旋槳，使飛機(jī)可由旋翼承載方式的VTOL飛行過(guò)渡到效率高的機(jī)翼承載的巡航飛行。e-Volo股份有限公司的VC200 Volocopter多旋翼直升機(jī)（電池供電）重450千克，它在格環(huán)上安裝8臺(tái)電動(dòng)機(jī)和相配的旋翼螺槳，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)可只利用其中4臺(tái)電機(jī)與旋翼螺槳就能安全降落，該機(jī)于2015年4月由1人駕駛進(jìn)行了首飛。

美國(guó)高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）資助的5443千克“雷擊”（Lightning Strike）無(wú)人駕駛實(shí)驗(yàn)性VTOL飛機(jī)采用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)混合動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)在傾轉(zhuǎn)機(jī)翼和鴨式前翼中的24臺(tái)涵道風(fēng)扇，其飛行速度可達(dá)740.8千米/時(shí)。NASA蘭利研究中心的馬克·摩爾把創(chuàng)新的分布式電推進(jìn)設(shè)計(jì)與直升機(jī)進(jìn)行了比較，認(rèn)為分布式電推進(jìn)使設(shè)計(jì)者能把推進(jìn)器布置在飛機(jī)上想要的任何位置。這就意味著能利用直接推進(jìn)力進(jìn)行俯仰、橫滾和偏航操縱并有精確操縱力臂，完全不需要直升機(jī)那樣復(fù)雜的周期變距操縱系統(tǒng)以及復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)，也就消除了振動(dòng)。

加利福尼亞州圣克魯茲喬比飛機(jī)制造公司計(jì)劃利用參與NASA前緣異步推進(jìn)技術(shù)（LEAPTech）驗(yàn)證項(xiàng)目獲得的經(jīng)驗(yàn)，在2017年飛行其S4有人駕駛VTOL飛機(jī)。LEAPTech項(xiàng)目在地面試驗(yàn)了安裝在機(jī)翼前緣的18具電動(dòng)螺旋槳，機(jī)翼安裝在行駛的卡車(chē)上。喬比公司正在設(shè)計(jì)和制造最佳化機(jī)翼、電動(dòng)機(jī)和螺旋槳，準(zhǔn)備于2018年在X-57飛機(jī)上試飛，該機(jī)在NASA“大小可變電推進(jìn)技術(shù)運(yùn)行研究”項(xiàng)目下制造。通過(guò)更換Techman P2006T飛機(jī)機(jī)翼而來(lái)的X-57飛機(jī)，使用14臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)翼前緣各自的螺旋槳。在X-57第一階段將試驗(yàn)的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)比先前Techman P2006T飛機(jī)上Rotax內(nèi)燃機(jī)的功率重量比高許多。

S4飛機(jī)由私人出資開(kāi)發(fā)，采用6具電動(dòng)傾轉(zhuǎn)螺旋槳用于VTOL和機(jī)翼承載飛行。如果出現(xiàn)鳥(niǎo)撞擊、電氣故障或者機(jī)械故障仍然有許多剩下的螺旋槳可用。

從2015年8月以來(lái)，安柏瑞德航空大學(xué)的鷹飛研究中心和佛羅里達(dá)州代托納比奇的UAS制造商Heurobotics開(kāi)發(fā)的全電動(dòng)力直立式垂直起落飛機(jī)累計(jì)飛行了約35個(gè)垂直飛行小時(shí)，該機(jī)在失去動(dòng)力時(shí)能像直升機(jī)一樣自轉(zhuǎn)安全著陸。

德國(guó)Lilium股份有限公司正在努力研制電動(dòng)VTOL飛機(jī)，這家公司由4名年青的慕尼黑工業(yè)大學(xué)畢業(yè)生創(chuàng)立。他們于2017年4月首次成功試飛了名為L(zhǎng)ilium Jet的雙座純電動(dòng)VTOL原型機(jī)。該機(jī)起飛總重約600千克，有效載荷200千克，最高速度可達(dá)300千米/時(shí)，航程約300千米。飛行時(shí)其噪音小于一輛摩托車(chē)。在此之前，該公司已飛行了3種構(gòu)型稍有不同的小比例驗(yàn)證機(jī)。

雙座Lilium Jet由36具小涵道風(fēng)扇提供推進(jìn)力。24具風(fēng)扇裝在后機(jī)翼中，12具裝在鴨式前翼中。涵道風(fēng)扇由各自的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，風(fēng)扇推力矢量可朝下或朝后。鴨式前翼通過(guò)整體轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇推力轉(zhuǎn)向。而機(jī)翼中的風(fēng)扇推力方向由4塊獨(dú)立的可傾轉(zhuǎn)襟翼控制，垂直飛行時(shí)朝下，水平飛行時(shí)朝后。在方案上這與極光飛行科學(xué)公司“雷擊” 飛機(jī)相似，但其差別在于它不傾轉(zhuǎn)整個(gè)機(jī)翼，而只是4塊獨(dú)立的襟翼偏轉(zhuǎn)。這樣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠。

Lilium Jet由垂直飛行過(guò)渡到水平飛行時(shí)由電傳操縱系統(tǒng)自動(dòng)控制進(jìn)行。飛行員只要向前推駕駛桿，計(jì)算機(jī)就可控制各臺(tái)風(fēng)扇推力大小和方向。在飛行員要求的各種速度或加速度下各臺(tái)風(fēng)扇有最佳調(diào)定值，即最佳的風(fēng)扇推力大小和方向。原型機(jī)起落架是玻璃纖維固定式的，生產(chǎn)型上將采用可收放式。出于安全考慮，Lilium Jet的所有關(guān)鍵系統(tǒng)都是多余度的，該機(jī)還裝有降落傘以在必要時(shí)安全降落到地面?，F(xiàn)在原型機(jī)上有一名飛行員，將來(lái)會(huì)取消飛行員實(shí)現(xiàn)全自主飛行。

電推進(jìn)飛行技術(shù)的潛力己招來(lái)美國(guó)硅谷億萬(wàn)富豪們的投資，其中有谷歌共同創(chuàng)始人拉里·佩奇出資Zee.Aero公司和小鷹（Kitty Hawk）公司。法國(guó)空中客車(chē)公司于2016年8月宣布，已經(jīng)研制Vahana“城市空中巴士”電動(dòng)VTOL飛機(jī)。同年9月末，優(yōu)步公司透露它在調(diào)查電動(dòng)VTOL用于自動(dòng)客運(yùn)的前景。

電動(dòng)VTOL的短板

電動(dòng)垂直起落飛行既要求電池有高能量密度，又要求電動(dòng)機(jī)具有大功率密度。鑒于汽車(chē)工業(yè)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的大量投資，電池能量的密度已經(jīng)每年增加了2%～3%，速度驚人。而航空汽油每千克所包含的能量約是電池所含能量的100倍。盡管如此，但航空汽油的能量效率一直沒(méi)有提高，將來(lái)也提高不了多少。因此，至少在理論上來(lái)說(shuō)電池能夠趕上航空汽油。目前，有一項(xiàng)研究正在進(jìn)行，努力使電池能量密度在2045年或2050年趕上航空燃料。endprint

喬比飛機(jī)制造公司的專(zhuān)家指出，一般情況下在尺寸不斷縮小時(shí)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)失去效率，而像S4飛機(jī)上的小型重量輕的電動(dòng)機(jī)仍然會(huì)保持高功重比和功率效率。雖然依賴(lài)跑道飛機(jī)所用的分布式電推進(jìn)電機(jī)也需要高功重比和能量效率，但垂直起落飛機(jī)對(duì)所用電機(jī)具有特殊要求。像具有長(zhǎng)時(shí)間懸停能力的飛機(jī)，對(duì)電動(dòng)機(jī)就有特別的冷卻要求。所以一般不設(shè)計(jì)能長(zhǎng)時(shí)間懸停的電動(dòng)VTOL飛機(jī)。

全電推進(jìn)飛機(jī)設(shè)計(jì)由于電池技術(shù)的原因而受到限制。法國(guó)圖魯茲國(guó)立民航大學(xué)的研究人員正在飛行試驗(yàn)“伏打”（Volta）電動(dòng)直升機(jī)，其旋翼與反扭尾槳采用不同的電機(jī)。因電池充電量限制，該雙座驗(yàn)證機(jī)的續(xù)航時(shí)間為10～20分鐘。德國(guó)e-Volo公司想研制一種速度達(dá)100千米/時(shí)的多旋翼直升機(jī)，在其電池電量下至多飛行30分鐘。美國(guó)賓夕法尼亞州威徹斯特的鷹技術(shù)公司改進(jìn)的“螢火蟲(chóng)”（Firefly）驗(yàn)證機(jī)，用有數(shù)字控制器和駕駛艙監(jiān)視器的美國(guó)混合動(dòng)力公司電動(dòng)機(jī)換掉了190馬力（142千瓦）萊康明HLO-360DIA內(nèi)燃機(jī)。2個(gè)鋰離子電池組重約500千克，使“螢火蟲(chóng)”接近其最大總重，預(yù)計(jì)續(xù)航時(shí)間5～10分鐘。因飛行時(shí)間太短而不能獲取有意義的數(shù)據(jù)，“螢火蟲(chóng)”計(jì)劃被暫停，但仍在進(jìn)行地面試驗(yàn)。

對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)，人們一般關(guān)注電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大小以滿(mǎn)足汽車(chē)加速性；而對(duì)于垂直飛行，人們必須關(guān)注電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速增加時(shí)保持轉(zhuǎn)矩增加。電動(dòng)VTOL飛機(jī)又強(qiáng)調(diào)解決重量和連續(xù)功率的問(wèn)題，同時(shí)提出了冷卻與振動(dòng)問(wèn)題。

分布式電推進(jìn)VTOL飛機(jī)的主要缺點(diǎn)是由于電池電量的原因而導(dǎo)致航程較短。采用油電混合推進(jìn)裝置雖然能增大航程，不過(guò)其效費(fèi)比不令人滿(mǎn)意。據(jù)估計(jì)，全電推進(jìn)飛行用電池需要的能量密度應(yīng)大于400瓦時(shí)/千克，這比現(xiàn)在最好的可充電鋰電池（265瓦時(shí)/千克）大得多。電池費(fèi)用也需要減少到低于目前450美元/千瓦時(shí)的一半。此外還需要能給較大電池快速充電的大型高電壓充電站。特斯拉汽車(chē)用高壓充電額定值約100千瓦，約在40分鐘之內(nèi)恢復(fù)80%的電量。電動(dòng)飛機(jī)需要350千瓦充電器。

美國(guó)安柏瑞德鷹飛研究開(kāi)發(fā)中心正在把一架鉆石飛機(jī)公司HK36“超級(jí)迪莫納”輕型飛機(jī)改裝成電池供電的E-Spirit驗(yàn)證飛機(jī)，并預(yù)計(jì)在2017年內(nèi)飛行。這架全電動(dòng)驗(yàn)證機(jī)的YASA750電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生100馬力（75千瓦）連續(xù)功率和130馬力（97千瓦）最大功率。其鋰離子電池在3.7伏/3400毫安時(shí)能提供90分鐘的續(xù)航時(shí)間，但起飛時(shí)需要高功率意味著實(shí)際飛行時(shí)間和在整個(gè)飛行時(shí)間內(nèi)的可用功率將較少。一旦電池電量不足，將達(dá)不到最大功率。動(dòng)力系統(tǒng)控制裝置必須監(jiān)控鋰離子電池組中各個(gè)電池的電量和溫度以便安全高效地工作。

安柏瑞德研究人員與美國(guó)伊利諾斯州萊蒙特的阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在共同研究改進(jìn)電池技術(shù)，但是預(yù)計(jì)在今后10年中電池比能量只能凈增約3%。專(zhuān)家指出，許多人認(rèn)為電池比能量將取得迅速增加，其實(shí)并非如此。對(duì)于全電池純垂直升力飛行來(lái)說(shuō)，飛行時(shí)間要超過(guò)15分鐘是困難的。這迫使人們不得不采用混合空氣動(dòng)力方案或混合推進(jìn)方案來(lái)增加航程和續(xù)航時(shí)間。

混合推進(jìn)增加航程

NASA把用于生物燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研究用的GL-10飛行平臺(tái)命名為“油脂之光”，這種生物燃料發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃用于混合（發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)）推進(jìn)系統(tǒng)。NASA蘭利研究中心的研究人員制造了10多架不同大小的“油脂之光”模型，采用10臺(tái)“蝎子”Sll-4020-360KV電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)機(jī)翼和尾部上的螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，最大的飛機(jī)模型翼展為3.2米，由垂直飛行過(guò)渡到65千米/時(shí)的高效巡航飛行。從2015年首次飛行以來(lái)，電池供電的試驗(yàn)機(jī)在41次飛行中進(jìn)行了20次過(guò)渡轉(zhuǎn)換。4個(gè)4400毫安時(shí)電池供電量使飛機(jī)懸停約5分鐘或機(jī)翼承載巡航飛行20分鐘。NASA工程師與“油脂之光”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人威廉·弗雷德里克斯，于2015年10月在弗吉尼亞州漢普頓創(chuàng)辦了先進(jìn)飛機(jī)公司（AAC），并得到NASA特許銷(xiāo)售“油脂之光”。為了達(dá)到真正的遠(yuǎn)航程，“油脂之光”飛機(jī)需要采用混合電推進(jìn)系統(tǒng)。

威廉·弗雷德里克斯正在設(shè)計(jì)“大力神”多旋翼螺槳無(wú)人駕駛VTOL飛機(jī)，其目的是以此研制可在“油脂之光”上使用的混合動(dòng)力系統(tǒng)并研制一種能為“油脂之光”傾轉(zhuǎn)機(jī)翼機(jī)籌集資金的民用產(chǎn)品?！按罅ι瘛庇?016年開(kāi)始低速試生產(chǎn)，它裝一臺(tái)汽油或重油發(fā)動(dòng)機(jī)與一臺(tái)發(fā)電機(jī)組。這種混合動(dòng)力多旋翼螺槳VTOL飛機(jī)在前后梁裝有8臺(tái)電動(dòng)機(jī)，每根梁都用可轉(zhuǎn)動(dòng)的整流罩包覆以減小阻力。

第一代“大力神”有一臺(tái)驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)的兩沖程汽油機(jī)。整流器向電動(dòng)機(jī)供應(yīng)直流電，推進(jìn)系統(tǒng)控制器調(diào)節(jié)汽油機(jī)以保持總線電壓穩(wěn)定。值得注意的是，混合動(dòng)力多旋翼螺槳也有補(bǔ)償功率瞬變和允許應(yīng)急軟著陸的小電池組。小型內(nèi)燃機(jī)問(wèn)題較多，可靠性非常差。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)失效時(shí)，電池儲(chǔ)存有足夠的能量再飛行2分鐘，這樣不會(huì)失去昂貴的飛機(jī)和昂貴的有效載荷。

加利福尼亞州戈利塔的始點(diǎn)技術(shù)公司在繼續(xù)研制“油脂之光”用的1.5千瓦混合動(dòng)力系統(tǒng)，并供應(yīng)其他的UAV制造者。該公司正在研制VTOL飛機(jī)用的一系列動(dòng)力系統(tǒng)，從1.5千瓦一直到40千瓦，專(zhuān)注于低端產(chǎn)品。薄餅形雙Halbach磁陣列電動(dòng)機(jī)比普通徑向構(gòu)型有較高的效率，用碳纖維替換鑄鐵能消除電流損失和減輕重量。在航空應(yīng)用中，重量和效率是關(guān)鍵因素，總是希望采取沒(méi)有齒輪的直接驅(qū)動(dòng)。但電動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)效率較高，而大直徑螺旋槳在低轉(zhuǎn)速時(shí)效率較高，兩者相互矛盾，迫使設(shè)計(jì)者必須權(quán)衡并最佳化整個(gè)系統(tǒng)，不可能只是單純地采用最輕的電動(dòng)機(jī)和最好的螺旋槳。

弗吉尼亞州馬納薩斯的極光飛行科學(xué)公司正在為DARPA研制“雷擊”混合動(dòng)力VTOL X-Plane機(jī)。這種較大的無(wú)人駕駛飛機(jī)在其可傾轉(zhuǎn)鴨式前翼和機(jī)翼裝有涵道風(fēng)扇，由輕型風(fēng)冷無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)。定制的永磁風(fēng)扇電機(jī)有復(fù)合材料定子，定子嵌入電磁導(dǎo)體以獲得最佳功率重量比。原V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)用的一臺(tái)羅·羅AE1107C渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)為安裝在減速器上的3臺(tái)霍尼韋爾公司1兆瓦發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)極光公司設(shè)計(jì)的輸電網(wǎng)輸送電力。印第安納州印第安納波利斯的羅·羅“自由”工廠設(shè)計(jì)和研制了“雷擊”飛機(jī)用發(fā)電系統(tǒng)和電力分布控制系統(tǒng)。電力分布系統(tǒng)在整個(gè)飛行包線內(nèi)同步協(xié)調(diào)24臺(tái)機(jī)翼和鴨式翼上的風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)，由于不需要傳統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)和控制硬件而減少了重量?；裟犴f爾公司在普通繞組磁場(chǎng)航空發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上研制兆瓦級(jí)發(fā)電機(jī)，這種重127千克的發(fā)電機(jī)具有機(jī)械和電轉(zhuǎn)換特點(diǎn)，效率達(dá)98%。endprint

“雷擊”飛機(jī)的“銅鳥(niǎo)”試驗(yàn)臺(tái)將對(duì)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)和全機(jī)三分之一的推進(jìn)系統(tǒng)的分布控制裝置進(jìn)行地面試驗(yàn)。如果驗(yàn)證的技術(shù)將來(lái)轉(zhuǎn)移到另一種飛機(jī)平臺(tái)，則可以得到附加的功率。額外的功率儲(chǔ)備能使發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生3兆瓦電力，飛機(jī)飛行高度可達(dá)4600米。這種電力分布系統(tǒng)不需要減速器和復(fù)雜的傳動(dòng)軸。由于多風(fēng)扇整合能自由安排各個(gè)螺旋槳的位置和對(duì)機(jī)翼附面層的吹除效應(yīng)，可以提高飛機(jī)的氣動(dòng)效率，因而能提高飛機(jī)的懸停效率和高速巡航能力。

前景廣闊

科技型企業(yè)家正在推進(jìn)電動(dòng)飛機(jī)設(shè)想，這可能導(dǎo)致VTOL飛機(jī)新時(shí)代的到來(lái)。最新的參與者是優(yōu)步技術(shù)公司，它宣布將投資和推進(jìn)“隨意航空”（On-demand aviation）設(shè)想。優(yōu)步的設(shè)想也是越來(lái)越多航空專(zhuān)家們的想法，即利用電動(dòng)VTOL飛機(jī)作為出租飛機(jī)徹底改變大城市及周?chē)貐^(qū)的交通擁擠情況。

2016年10月27日，優(yōu)步公司發(fā)表了97頁(yè)題目為“優(yōu)步提升：快速推進(jìn)城市隨意空中運(yùn)輸?shù)奈磥?lái)”白皮書(shū)，這給予出租電動(dòng)VTOL飛機(jī)研制熱潮很大的促進(jìn)。白皮書(shū)解釋了優(yōu)步公司為什么和如何建立一個(gè)小型垂直起落飛機(jī)網(wǎng)絡(luò)，使城市與郊區(qū)間、最后在城市內(nèi)的快速可靠運(yùn)輸成為可能?，F(xiàn)在，特別是隨著電推進(jìn)、電池技術(shù)與電動(dòng)機(jī)技術(shù)以及控制這種系統(tǒng)所需的計(jì)算機(jī)與電傳操縱能力的發(fā)展，使這種方案很可能成為現(xiàn)實(shí)。優(yōu)步公司希望營(yíng)運(yùn)能載運(yùn)2～4名乘客的有人駕駛或無(wú)人駕駛電動(dòng)VTOL飛機(jī)機(jī)隊(duì)。

致力于VTOL電動(dòng)推進(jìn)方案用于隨意空中機(jī)動(dòng)市場(chǎng)的公司有法國(guó)空中客車(chē)集團(tuán)公司 “硅谷前哨”A3子公司、谷歌創(chuàng)立者拉里·佩奇的Zee.Aero公司和小鷹公司，與NASA合作研究分布電推進(jìn)方案的加利福尼亞州喬比飛機(jī)制造公司和在美國(guó)與其他地區(qū)的公司。

傳統(tǒng)的垂直起落飛行公司諸如法國(guó)空中客車(chē)公司、美國(guó)極光飛行科學(xué)公司和萊昂納多公司已制造了或正在研制全尺寸電動(dòng)或油電混合動(dòng)力VTOL驗(yàn)證機(jī)。而且，至少有十幾家非傳統(tǒng)的航空工業(yè)新公司也正在積極地探索這個(gè)新興市場(chǎng)空間，如谷歌、優(yōu)步和網(wǎng)絡(luò)電話等公司。它們財(cái)大氣粗，把部分財(cái)力投入電動(dòng)VTOL飛機(jī)項(xiàng)目之中，來(lái)勢(shì)洶洶。這使傳統(tǒng)航空企業(yè)感受到不小的壓力和危機(jī)。

空中客車(chē)集團(tuán)公司執(zhí)行總裁托馬斯·恩德斯在2017年1月的一次討論會(huì)上警告說(shuō)：“如果我們忽視了這些研制工作，我們將被排擠出業(yè)務(wù)的重要部分。”空客公司除了硅谷的A3子公司外，在2016年還成立了城市空中機(jī)動(dòng)分部，專(zhuān)門(mén)研究電動(dòng)VTOL飛機(jī)的發(fā)展。

2016年3月，麥道直升機(jī)公司執(zhí)行總裁林恩·蒂爾頓向旋翼機(jī)業(yè)界發(fā)出警告說(shuō)：“我們生活在一個(gè)變化的世界之中，我們需要改變作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)的我們的工作。我們不能舒服地躺在讓我們比其他行業(yè)能行動(dòng)遲緩和以較慢的步伐創(chuàng)新的高進(jìn)入壁壘上?！?/p>

至今，電動(dòng)VTOL飛機(jī)取得的進(jìn)展確實(shí)令人印象深刻。垂直飛行工業(yè)界的命運(yùn)將在今后10年中真正發(fā)生變化。技術(shù)團(tuán)體必須歡迎這種改變，并充分利用這種改變所提供的機(jī)會(huì)?？赡苡幸惶?，電動(dòng)VTOL飛機(jī)由于通過(guò)采用新型推進(jìn)與能源結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)的創(chuàng)新與革新的飛行方案使其普遍使用起來(lái)。

（編輯/梔子）endprint