貝爾公司的無(wú)人駕駛飛行器設(shè)計(jì)特點(diǎn)

李 韻

在未來(lái)，無(wú)人駕駛載人無(wú)人機(jī)將會(huì)是常見的飛行器，也是21世紀(jì)城市基礎(chǔ)設(shè)施不可或缺的一部分。而貨運(yùn)無(wú)人機(jī)也是重塑航空未來(lái)的關(guān)鍵技術(shù)之一。無(wú)人駕駛載人航空器和貨運(yùn)無(wú)人機(jī)則是貝爾公司通往未來(lái)征程的開始。

無(wú)人駕駛載人航空器

貝爾公開“Nexus”空中出租車概念設(shè)計(jì)

在公開展示其極具未來(lái)感的空中出租車客艙實(shí)物模型、吸引業(yè)界眾多關(guān)注一年后，直升機(jī)巨頭貝爾公司首次公開了其“Nexus”城市空中出租車概念的配置詳情。

在本次的拉斯維加斯CES 2019消費(fèi)電子展上，貝爾展示了其“Nexus”城市空中出租車的概念設(shè)計(jì)。該機(jī)最大的外觀特征是6個(gè)可傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇，設(shè)計(jì)搭載4名乘客和1名飛行員。采用混合電推進(jìn)系統(tǒng)，動(dòng)力來(lái)自鋰電池組和一臺(tái)賽峰公司研發(fā)的具體型號(hào)不明的渦輪發(fā)電機(jī)?！癗exus”的設(shè)計(jì)目標(biāo)是“安全有效地重新定義航空旅行?！必悹柟痉止芗夹g(shù)與創(chuàng)新的執(zhí)行副總裁邁克爾·薩克爾表示。

圖1 貝爾公司的“Nexus”空中出租車概念設(shè)計(jì)

作為與優(yōu)步(Uber)合作開發(fā)的城市空中出租車驗(yàn)證機(jī)用于最早將于2020年在達(dá)拉斯和洛杉磯開展運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)的5家公司之一，貝爾推出“Nexus”的目的不限于空中出租車，也包括物流和軍用等用途。雖然空中出租車的概念很早就有了，但薩克爾表示：“創(chuàng)新之處是新技術(shù)的出現(xiàn)使我們可以用小型的、高度自主的純電和混動(dòng)垂直起降飛行器，去安靜、安全、高效和經(jīng)濟(jì)地開展城市空中交通(UAM)業(yè)務(wù)?！?/p>

“Nexus”是脫生于貝爾用于幫助定義城市空中交通模型的4個(gè)綜合框架的1個(gè)初步產(chǎn)品。邁克爾·薩克爾說(shuō)：“運(yùn)用運(yùn)營(yíng)、監(jiān)管、制造和技術(shù)框架，我們正在推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新，為獲取監(jiān)管支持制定路徑，為飛行器設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)需求提供信息?！?/p>

“雖然我們今天沒有公開正在進(jìn)行中的項(xiàng)目的細(xì)節(jié)，但我們相信到本世紀(jì)20年代中期進(jìn)行商業(yè)運(yùn)營(yíng)是可期的，”他說(shuō)?！俺鞘薪煌ㄎ磥?lái)面臨的挑戰(zhàn)不會(huì)消失，也不會(huì)通過(guò)傳統(tǒng)方式得到解決。要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)可行的城市空中交通網(wǎng)絡(luò)還有很多工作要做，但我們相信未來(lái)是真實(shí)和可行的，可能很快就會(huì)出現(xiàn)在你附近的某個(gè)城市?！?/p>

圖2 在6個(gè)涵道風(fēng)扇全部向前的固定翼模式下，貝爾公司預(yù)計(jì)“Nexus”的巡航時(shí)速可達(dá)240km。

圖3 前部和后部風(fēng)扇位于與機(jī)身相連的可轉(zhuǎn)動(dòng)支柱上，中部風(fēng)扇安裝在中置短翼末端。

貝爾分管創(chuàng)新的副總裁斯科特·德倫南說(shuō)：“‘Nexus’是一種‘很認(rèn)真的飛機(jī)’，我們從一開始就將它設(shè)計(jì)為一種可通過(guò)認(rèn)證、投入實(shí)用的飛行器?；旌想娡七M(jìn)是我們看好的技術(shù)發(fā)展方向。涵道風(fēng)扇不僅降低了噪聲而且提高了人員靠近飛機(jī)的安全性。我們希望它能服務(wù)于上下班通勤人群等各種出行場(chǎng)景?！?/p>

“Nexus”能在11.3m×11.3m的輕型直升機(jī)起降點(diǎn)起降，設(shè)計(jì)性能目標(biāo)是航程240km，巡航速度240km/h。最大起飛重量2700kg，最大搭載能力360～450kg。

飛行汽車內(nèi)飾風(fēng)格的客艙內(nèi)設(shè)有兩排4座的乘客座，外加一個(gè)飛行員單座?！拔覀冋J(rèn)為這是市場(chǎng)的需求。初期將由飛行員駕駛，讓人們更易于接受這一新事物，但我們認(rèn)為最終將使用自動(dòng)駕駛系統(tǒng)代替飛行員?！?斯科特·德倫南說(shuō)?！皩?duì)于這個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，有的人看好有的人看衰。我們是看好的，我們將把它變成現(xiàn)實(shí)并推向市場(chǎng)?！?/p>

貝爾公司的信心部分源自其在涵道風(fēng)扇和傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)領(lǐng)域深厚的技術(shù)積累，例如上世紀(jì)50年代的XV-3傾轉(zhuǎn)翼概念驗(yàn)證機(jī)，特別是60年代的X-22短距垂直起降研究機(jī)?！癗exus”的設(shè)計(jì)與X-22非常相似，也采用了成對(duì)高置的可傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇。

前部和后部風(fēng)扇位于與機(jī)身相連的可轉(zhuǎn)動(dòng)支柱上，中部風(fēng)扇安裝在中置短翼末端。每個(gè)涵道內(nèi)有一個(gè)直徑2.45m的螺旋槳，螺旋槳安裝在槳轂上，導(dǎo)向葉片同時(shí)也是轉(zhuǎn)動(dòng)組件的支撐結(jié)構(gòu)。在直升機(jī)模式下，涵道風(fēng)扇通過(guò)傾轉(zhuǎn)提供垂直方向的升力，在固定翼模式下，涵道風(fēng)扇只提供向前的推力，涵道外罩的外形會(huì)產(chǎn)生升力?！昂劳庹质秋w機(jī)的被動(dòng)升力系統(tǒng)，在固定翼模式下，涵道外罩和中央短翼提供了飛機(jī)的大部分升力?！钡聜惸险f(shuō)。

賽峰公司開發(fā)的渦輪發(fā)電機(jī)被安裝在機(jī)身的后上部，與電池組一起為飛機(jī)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)提供能量。發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣通過(guò)排氣管從雙垂T尾的兩個(gè)垂尾之間排出。

“Nexus”推進(jìn)系統(tǒng)首席工程師凱利·黑羅尼莫斯表示，混合電推進(jìn)系統(tǒng)提供了更高的任務(wù)靈活性?！斑@并不意味著我們對(duì)未來(lái)的技術(shù)關(guān)上了大門，”他指出，“我們始終在關(guān)注電池、燃料電池和未來(lái)其它儲(chǔ)能技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展，以及我們正在為混合電推進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)的許多技術(shù)，包括電致動(dòng)器、電機(jī)、發(fā)電機(jī)和電力電子設(shè)備?！?/p>

除提供渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)外，賽峰還將負(fù)責(zé)開發(fā)串聯(lián)混合電推進(jìn)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該公司于2018年中開始在其位于法國(guó)Pau-Pyrenees的試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)100千瓦級(jí)分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，最近還公開了其新開發(fā)的電機(jī)系列中的第一種，該系列電機(jī)最大型號(hào)的功率達(dá)500kW。該公司還在為波音投資的Zunum Aero公司的12座級(jí)“ZA10”混合電動(dòng)飛機(jī)提供其“Ardiden-3”渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)改裝的發(fā)電機(jī)。

在“Nexus”上，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生直流電，電力通過(guò)冗余的配電網(wǎng)絡(luò)傳輸給每個(gè)涵道中的電機(jī)。“除渦輪發(fā)電機(jī)外，機(jī)上還有一個(gè)高功率、高能量密度的電池組，作為推進(jìn)系統(tǒng)的備份和補(bǔ)充電源。” 凱利·黑羅尼莫斯說(shuō)。

這種架構(gòu)讓電池組可以“在飛機(jī)需要額外功率輸出的時(shí)候，比如垂直/水平切換和大幅度機(jī)動(dòng)時(shí)，提供額外的電力，補(bǔ)足發(fā)電機(jī)輸出功率不夠的部分?！彼f(shuō)?！霸诎l(fā)動(dòng)機(jī)空中停機(jī)的緊急情況下，電池組提供的功率也足夠飛機(jī)安全降落，甚至繼續(xù)完成飛行任務(wù)以后再降落。這意味著我們的飛機(jī)不需要額外配備整機(jī)降落傘，在任何時(shí)候都能依靠自身動(dòng)力安全降落?！?/p>

來(lái)自發(fā)電機(jī)和電池組的電力匯集到配電系統(tǒng)中，為飛機(jī)的6個(gè)涵道風(fēng)扇供電。風(fēng)扇由電機(jī)直驅(qū)。“這很重要，螺旋槳和電機(jī)是直連的，” 凱利·黑羅尼莫斯說(shuō)?！皼]有中間變速箱或潤(rùn)滑系統(tǒng)。我們力求讓系統(tǒng)盡可能簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單意味著可靠性、經(jīng)濟(jì)性和安全性?！?/p>

電力系統(tǒng)公司(EPS)總部位于猶他州洛根市(Logan)，曾牽頭研發(fā)了用于美國(guó)宇航局X-57“麥克斯韋”電推進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的鋰電池組。該公司將為“Nexus”提供能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括：電池組、電力電子設(shè)備、熱管理和電池管理系統(tǒng)。“對(duì)鋰電池來(lái)說(shuō)，高功率密度與高能量密度總是難以兼顧的，” 凱利·黑羅尼莫斯說(shuō)。“但垂直起降飛行器需要兼顧總功率和總能量，這意味著電池組必須很重。也就是在過(guò)去幾年里，電池技術(shù)的發(fā)展才達(dá)到電動(dòng)和混動(dòng)垂直起降技術(shù)所需的能量和功率密度?！?/p>

圖4 貝爾公司在調(diào)研公眾對(duì)為“Nexus”設(shè)計(jì)的單/雙桿操縱界面代替?zhèn)鹘y(tǒng)直升機(jī)操縱界面的看法。

圖5 “Nexus”可在11.3m見方的輕型直升機(jī)起降臺(tái)上起降，小于優(yōu)步要求的13.7m見方的尺寸限制。

EPS公司先進(jìn)的電池系統(tǒng)使混合電動(dòng)路線成為可能，并使貝爾公司能優(yōu)化發(fā)電機(jī)和渦輪機(jī)的尺寸?！坝娩囯姵貋?lái)滿足任務(wù)峰值的功率需求，這讓我們能選擇更小的渦輪發(fā)電機(jī)，這意味著更高的效率和更輕的重量，”凱利·黑羅尼莫斯說(shuō)。

飛行控制系統(tǒng)首席工程師杰夫·埃皮表示，“Nexus”將采用泰雷茲公司開發(fā)的電傳飛控系統(tǒng)，該系統(tǒng)將在許多方面與貝爾以前采用的同類系統(tǒng)不同。該系統(tǒng)將是分布式的，中心化的飛控計(jì)算機(jī)與遠(yuǎn)端的電子設(shè)備和電機(jī)控制器相連。這也將是貝爾公司的飛機(jī)首次使用全電驅(qū)動(dòng)的致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)主飛行控制面，以前用的都是液壓致動(dòng)器。電機(jī)械致動(dòng)器和電機(jī)控制器將由穆格公司(Moog)提供。

“這是我們首次將飛控系統(tǒng)與推進(jìn)系統(tǒng)相結(jié)合，”杰夫·埃皮說(shuō)。飛控計(jì)算機(jī)將控制電機(jī)、風(fēng)扇和涵道。“飛控計(jì)算機(jī)不僅控制這些電機(jī)產(chǎn)生推力，還通過(guò)控制推力分布來(lái)控制飛機(jī)姿態(tài)，這讓我們可以實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航控制，以及懸停和前飛?！痹谥鄙龣C(jī)模式下，飛機(jī)通過(guò)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和使用可動(dòng)導(dǎo)向葉片偏轉(zhuǎn)推力實(shí)現(xiàn)俯仰和偏航控制。在固定翼模式下，通過(guò)垂尾上的方向舵和中部短翼上的副翼進(jìn)行飛行控制。

飛控系統(tǒng)將與自動(dòng)駕駛管理計(jì)算機(jī)(VMC)密切配合，自動(dòng)駕駛管理計(jì)算機(jī)將由高明(Garmin)公司負(fù)責(zé)開發(fā)?！白詣?dòng)駕駛管理計(jì)算機(jī)是飛機(jī)的大腦，” “Nexus”航電系統(tǒng)負(fù)責(zé)人弗蘭基·馬澤伊說(shuō)。在動(dòng)力管理方面，自動(dòng)駕駛管理計(jì)算機(jī)監(jiān)控電池的信息，根據(jù)電池信息來(lái)控制發(fā)電機(jī)，在導(dǎo)航方面，該計(jì)算機(jī)將接受地面站指令，解讀之后將需要執(zhí)行的動(dòng)作發(fā)送給飛控系統(tǒng)?！爱?dāng)前，這些都是由飛行員完成的，自動(dòng)駕駛管理計(jì)算機(jī)的目標(biāo)是輔助飛行員，提高飛行員的態(tài)勢(shì)感知度，降低工作負(fù)荷和提升安全性。最終目標(biāo)是具備全自主飛行能力?！?/p>

貝爾公司不愿詳細(xì)透露開發(fā)時(shí)間表，但德倫南表示，該計(jì)劃目前“介于準(zhǔn)備階段和關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審階段之間。”目標(biāo)是到本世紀(jì)20年代中期投入使用，期間將完成技術(shù)驗(yàn)證機(jī)和原型機(jī)的制造和試飛。此外，第一架飛機(jī)將是全自動(dòng)駕駛的，以此加快研發(fā)進(jìn)度和盡早實(shí)現(xiàn)可選手動(dòng)駕駛版的開發(fā)。通過(guò)美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)認(rèn)證的具體計(jì)劃還未確定，但應(yīng)該是在第23部分規(guī)定下進(jìn)行認(rèn)證。

圖6 “Nexus”項(xiàng)目顯然從貝爾公司在涵道風(fēng)扇推進(jìn)技術(shù)上的深厚積累受益匪淺，包括貝爾公司在20世紀(jì)60年代研發(fā)的非常成功的X-22短距垂直起降研究機(jī)。 圖：AW＆ST 檔案

貝爾公司公布空中出租車客艙設(shè)計(jì)

在達(dá)拉斯/沃斯堡國(guó)際機(jī)場(chǎng)(DFW)的南北兩半之間，有一條沒有航線經(jīng)過(guò)、尚未開發(fā)的空中走廊。雖然DFW機(jī)場(chǎng)年客流量高達(dá)6000萬(wàn)人次，但通往機(jī)場(chǎng)的龐大、復(fù)雜的路網(wǎng)對(duì)任何不是去機(jī)場(chǎng)或從機(jī)場(chǎng)出發(fā)的人來(lái)說(shuō)都是一個(gè)障礙。

對(duì)需要經(jīng)過(guò)這片區(qū)域的人來(lái)說(shuō)，繞過(guò)地面交通擁堵的捷徑只有乘坐直升機(jī)，從聯(lián)邦航空局指定的直升機(jī)航線穿過(guò)機(jī)場(chǎng)空域。

但直升機(jī)，至少最近貝爾公司用于接送采訪記者的這種直升機(jī)，仍然是非常昂貴的日常交通工具，只有巨富階層能負(fù)擔(dān)得起。但貝爾公司從中看到了一個(gè)新的市場(chǎng)，對(duì)于財(cái)富量級(jí)低一些的消費(fèi)群體來(lái)說(shuō)，雖然可能負(fù)擔(dān)不起私人直升機(jī)，但每次100美元的市內(nèi)空中出行是完全可承受的。

貝爾公司正在與網(wǎng)約車巨頭優(yōu)步(Uber)合作開發(fā)一種城市空中出租車，這是一種小型的4座垂直起降飛行器，不需依賴跑道。

貝爾公司的空中出租車客艙設(shè)計(jì)極具現(xiàn)代風(fēng)格，例如平板電腦、亞光黑主色搭配有助于放松心情的藍(lán)色燈光、以及真皮質(zhì)感的座椅。為了向記者展示他們對(duì)空中出租車的愿景，貝爾公司邀請(qǐng)記者們通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔進(jìn)行了一番體驗(yàn)。虛擬客艙的門窗采用滑動(dòng)式設(shè)計(jì)，有著很好的全景視野。

在本屆拉斯維加斯CES消費(fèi)電子展上，9-12號(hào)之間參觀貝爾公司展區(qū)的參觀者將被邀請(qǐng)通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)體驗(yàn)同樣的虛擬場(chǎng)景，不過(guò)不是停在虛擬的機(jī)庫(kù)里，而是將包括虛擬的飛行，例如與朋友一起去交通不太方便的鄉(xiāng)村高爾夫俱樂(lè)部，或是與其它通勤旅客一起飛往市區(qū)。

與動(dòng)畫片《杰森一家》中那種形式不同，貝爾公司的空中出租車不會(huì)有閑置的時(shí)候。它在設(shè)計(jì)上就是要以持續(xù)按需提供服務(wù)的空中出租車模式運(yùn)營(yíng)，在這樣的未來(lái)世界，人們將不再需要擁有私人汽車。

貝爾公司還將在展會(huì)上展出空中出租車客艙的全尺寸模型。是單獨(dú)的一個(gè)客艙，沒有涵道風(fēng)扇等組件，目前這個(gè)客艙還在箱子里沒拆包裝。參觀者將可以進(jìn)入客艙模型參觀，或許還會(huì)展示行李放在哪里。雖然貝爾公司的空中出租車是設(shè)計(jì)為最終要實(shí)現(xiàn)全自主無(wú)人駕駛的，但至少在最初的幾年里將使用有人駕駛的方式運(yùn)行。

“我們認(rèn)為空中出租車飛行員的角色更接近‘任務(wù)管理員’，主要是處理各種情況。”貝爾公司總裁兼首席執(zhí)行官米奇·斯奈德說(shuō)。“任務(wù)管理員”的工作介于電梯駕駛員和飛行員之間：具備駕駛技能的飛行員隨時(shí)準(zhǔn)備處理突發(fā)情況，但大多數(shù)時(shí)候的工作是安全執(zhí)行基本指令。直至全自主駕駛系統(tǒng)能夠完全勝任。貝爾公司認(rèn)為前V-22傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)的飛行員會(huì)很適合這個(gè)工作，因?yàn)樗麄兪煜ご怪逼鸾迪到y(tǒng)和運(yùn)送人員。

從客艙設(shè)計(jì)開始的原因之一是貝爾公司試圖預(yù)測(cè)一個(gè)還不存在的市場(chǎng)和飛行器將會(huì)是什么樣的?，F(xiàn)有一些多軸飛行器類的載人飛行器，例如“Volocopter 2 X”、“億航-184”、“W o r k h o r s e SureFly”(將在本次CES展會(huì)上做飛行展示)等。這些飛行器都只能搭載1～2人。貝爾公司希望以更大型的客艙為切入點(diǎn)，探索此項(xiàng)技術(shù)的更成熟形態(tài)，具備和家用車同等搭載能力的飛行器。

圖7 貝爾公司的空中出租車客艙有4個(gè)座位，前排其中一個(gè)座位最初將是飛行員駕駛座。

圖8 貝爾公司表示，駕駛空中出租車將更像是駕駛無(wú)人機(jī)而非直升機(jī)。

首飛和實(shí)際運(yùn)營(yíng)在幾年內(nèi)將不會(huì)實(shí)現(xiàn)。樂(lè)觀估計(jì)，貝爾公司的目標(biāo)是在本世紀(jì)20年代初實(shí)現(xiàn)首飛，20年代中期投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。要達(dá)到共享出行巨頭優(yōu)步公司需要的規(guī)模，需要大量基礎(chǔ)設(shè)施。特別是需要許多“垂直起降場(chǎng)”。這些起降場(chǎng)需要提供充電等能源補(bǔ)充選項(xiàng)?？罩谐鲎廛噷⒉捎煤畏N推進(jìn)方式還需等貝爾公司敲定最終設(shè)計(jì)。

要滿足需求，貝爾公司預(yù)計(jì)將需要數(shù)千架空中出租車。該公司甚至可能從設(shè)備制造商的角色更進(jìn)一步，推出自己的出行軟件，自己運(yùn)營(yíng)空中出租車服務(wù)。初期的試運(yùn)營(yíng)將在人口眾多、面積廣大的城市進(jìn)行，例如達(dá)拉斯或迪拜。關(guān)鍵指標(biāo)是交通繁忙、擁堵嚴(yán)重，在這種地方，空中出行繞開地面擁堵才最有價(jià)值。

典型之一是從達(dá)拉斯/沃斯堡國(guó)際機(jī)場(chǎng)南北(＊東北-西南)兩部分中間穿過(guò)的直升機(jī)航線。這條空中通道可被用于空中出租車業(yè)務(wù)。找到這種已經(jīng)獲批的空中通道對(duì)于建立小規(guī)?？瓦\(yùn)業(yè)務(wù)是很好的選擇。

“我們要在不違反空中交通管制的情況下運(yùn)營(yíng)這些空中出租車，”米奇·斯奈德說(shuō)?！皩脮r(shí)將有數(shù)千架空中出租車，如何才能獲得聯(lián)邦航空局的許可？”

為確?？罩谐鲎廛嚨脑妇安粫?huì)被監(jiān)管障礙所阻礙，貝爾公司說(shuō)他們正在積極地與聯(lián)邦航空局溝通，在投入正式運(yùn)營(yíng)之前，讓監(jiān)管機(jī)構(gòu)了解這項(xiàng)技術(shù)和將其納入空管體系。從直升機(jī)航線開始運(yùn)營(yíng)，讓空管機(jī)構(gòu)適應(yīng)空中出租車的定期、日常飛行，是這項(xiàng)努力的一小部分。

另一部分是確保空中出租車可以在空中自主飛行。為此，貝爾公司計(jì)劃采用雷達(dá)、計(jì)算機(jī)視覺和激光雷達(dá)技術(shù)，確保任何時(shí)候至少有一種傳感手段可用。此外可能還會(huì)使用地面監(jiān)控站，甚至使用Wi-Fi節(jié)點(diǎn)和電信基站來(lái)檢測(cè)空中出租車的位置，并向其它飛行器發(fā)出注意避讓的警示。空中出租車彼此間是互聯(lián)的，能在任何時(shí)候全面、準(zhǔn)確地了解每輛空中出租車在空中的準(zhǔn)確位置。

圖9 截至目前，貝爾公司的空中出租車設(shè)計(jì)只公開了很少信息。

圖10 貝爾公司選擇以消費(fèi)電子展示案例的形式向外界展示其空中出租車計(jì)劃。

圖11 加拿大政府提供的研究資金將幫助推進(jìn)貝爾公司的城市空中出租車研發(fā)計(jì)劃。

在未來(lái)，空中出租車將會(huì)是常見的事物，是21世紀(jì)城市基礎(chǔ)設(shè)施不可或缺的一部分。在本次CES展會(huì)上展出客艙設(shè)計(jì)則是貝爾公司通往未來(lái)的征程的開始。

加拿大支持貝爾公司的空中出租車項(xiàng)目

加拿大政府將支持可選有人駕駛直升機(jī)、貨運(yùn)無(wú)人機(jī)、和城市空中出租車相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，該技術(shù)發(fā)展聯(lián)盟由德事隆集團(tuán)貝爾直升機(jī)加拿大公司(BHTC)領(lǐng)導(dǎo)。

加拿大創(chuàng)新、科學(xué)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展部在5年內(nèi)將向由貝爾加拿大公司領(lǐng)導(dǎo)的，包含18家加拿大企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的聯(lián)盟投資4950萬(wàn)加元。該技術(shù)發(fā)展聯(lián)盟的成員包括發(fā)動(dòng)機(jī)制造商加拿大普惠公司、航電制造商Esterline CMC等，將向該研發(fā)項(xiàng)目投資超1.25億加元。

貝爾公司負(fù)責(zé)技術(shù)與創(chuàng)新的執(zhí)行副總裁邁克爾·薩克爾說(shuō)，研究?jī)?nèi)容涵蓋5個(gè)領(lǐng)域：替代推進(jìn)技術(shù)、自動(dòng)駕駛和態(tài)勢(shì)感知、低成本電傳飛控系統(tǒng)、能量管理和先進(jìn)抗反扭系統(tǒng)。

渥太華戰(zhàn)略創(chuàng)新基金(SIF)提供的聯(lián)邦資金將“提供最先進(jìn)的飛機(jī)技術(shù)，” 加拿大創(chuàng)新、科學(xué)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展部部長(zhǎng)納維德普·貝恩斯(Navdeep Baines)表示?！颁滋A戰(zhàn)略創(chuàng)新基金設(shè)立的目的正是支持下一個(gè)重大創(chuàng)意，包括下一代直升機(jī)技術(shù)。”

“這些資金將幫助貝爾公司將城市空中出租車的愿景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，”德事隆集團(tuán)貝爾直升機(jī)加拿大公司總裁辛塞亞·伽牛表示。該分公司的業(yè)務(wù)是研發(fā)和生產(chǎn)貝爾的商用直升機(jī)，包括在魁北克省米拉貝爾生產(chǎn)的新的“貝爾-505”型。邁克爾·薩克爾說(shuō)，“這項(xiàng)研究將與在美國(guó)母公司進(jìn)行的研發(fā)工作協(xié)調(diào)進(jìn)行，”

研究?jī)?nèi)容將包括簡(jiǎn)化推進(jìn)系統(tǒng)、降低成本和滿足環(huán)境、噪聲、性能和安全要求的分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)。飛控系統(tǒng)的研究力求將成本降低到可用于各檔次目前尚未采用過(guò)電傳飛控系統(tǒng)的機(jī)型的水平。

圖12 吊艙運(yùn)輸無(wú)人機(jī)(“APT”)概念

圖13 “Hydra”無(wú)人機(jī)的分布式推進(jìn)系統(tǒng)由環(huán)形翼和輻條翼上的12個(gè)可折疊螺旋槳組成

Esterline CMC公司將重點(diǎn)研究全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，使用多個(gè)多家的采用不同頻段的多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，Esterline CMC公司分管工程和研發(fā)的副總裁帕特里克·香檳說(shuō)。

多頻衛(wèi)星導(dǎo)航接收器將提高可靠性和完整性，可實(shí)現(xiàn)在零能見度情況下和移動(dòng)平臺(tái)上的自動(dòng)降落，讓讓有人和無(wú)人駕駛飛行器安全、精確地飛行。

貨運(yùn)無(wú)人機(jī)

采用尾坐式垂直起降設(shè)計(jì)

飛行員一直是尾坐式垂直起降的主要問(wèn)題，雖然這種設(shè)計(jì)兼顧了直升機(jī)的垂直起降和固定翼的高效水平飛行能力。但起降時(shí)的豎立狀態(tài)對(duì)機(jī)上人員來(lái)說(shuō)是非常別扭的。

而無(wú)人機(jī)則沒有這一限制，因此只要設(shè)計(jì)得當(dāng)，此類設(shè)計(jì)是完全可行的。2017年12月4日，媒體記者們?cè)谪悹柟疚炙贡わw行研究中心參觀了兩種采用尾坐式垂直起降設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)的試飛。

“Hydra”(混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)研究機(jī))無(wú)人機(jī)給人的印象是一種介于現(xiàn)實(shí)與未來(lái)之間的存在。它有一個(gè)環(huán)形的機(jī)翼，在環(huán)形翼和將其與中央機(jī)身連接的輻條翼上安裝有多個(gè)螺旋槳推進(jìn)器。這些小螺旋槳構(gòu)成了一個(gè)分布式推進(jìn)系統(tǒng)，既提供起飛所需的升力，又可作為備份飛控機(jī)制在必要時(shí)控制飛行。機(jī)尾向下從地面垂直起飛后，“Hydra”無(wú)人機(jī)爬升到安全高度然后轉(zhuǎn)向90°進(jìn)入水平飛行?？雌饋?lái)如同科幻片中的外星飛行器一般。

吊艙運(yùn)輸無(wú)人機(jī)(“APT”)以多軸模式起飛，然后轉(zhuǎn)入固定翼模式水平飛行。有不同載重和航程的多個(gè)型別，從4.5～9kg/140～190km到180kg/550km以上?！癏ydra”無(wú)人機(jī)的分布式推進(jìn)系統(tǒng)不僅能產(chǎn)生更大的升力而且可作為備份飛控機(jī)制。貝爾公司正在“Hydra”無(wú)人機(jī)上開發(fā)驅(qū)動(dòng)分布式推進(jìn)器的混合動(dòng)力液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。

達(dá)拉斯/沃斯堡地區(qū)當(dāng)天有強(qiáng)陣風(fēng)?！癏ydra”無(wú)人機(jī)在起飛和爬升過(guò)程中沒遇到任何麻煩，但當(dāng)它轉(zhuǎn)入水平飛行后，強(qiáng)風(fēng)裹挾著這架小型無(wú)人機(jī)向比預(yù)期更高的高度爬升。試飛小組指揮無(wú)人機(jī)穩(wěn)定飛行姿態(tài)，轉(zhuǎn)入尾坐模式頂著強(qiáng)風(fēng)返回了飛點(diǎn)。

貝爾公司分管創(chuàng)新項(xiàng)目的副總裁斯科特·德倫南表示，“Hydra”無(wú)人機(jī)激進(jìn)的對(duì)稱設(shè)計(jì)是為了解決尾坐式垂直起降飛機(jī)的不穩(wěn)定性。分布式電推進(jìn)意味著該機(jī)不需要直升機(jī)的變速箱和傳動(dòng)系統(tǒng)。研究團(tuán)隊(duì)還在為“Hydra”無(wú)人機(jī)開發(fā)一種混合動(dòng)力液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)螺旋槳，同時(shí)保持飛機(jī)不發(fā)熱。

從概念構(gòu)想到驗(yàn)證機(jī)首飛，貝爾公司的研究團(tuán)隊(duì)僅用了5 個(gè)月時(shí)間?！癏ydra”無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)仍在繼續(xù)改進(jìn)，推進(jìn)系統(tǒng)和不同配置的試驗(yàn)都在進(jìn)行中。由于該項(xiàng)目的研究和驗(yàn)證原型屬性，斯科特·德倫南表示，該機(jī)有時(shí)候“與地面有一些預(yù)期外的相互作用”。可修復(fù)性也是該機(jī)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

雖然“Hydra”的設(shè)計(jì)極具未來(lái)感，但本次展示的亮點(diǎn)是一種名為“APT”(吊艙運(yùn)輸無(wú)人機(jī))的尾坐式雙翼飛機(jī)，設(shè)計(jì)用于貨倉(cāng)自動(dòng)運(yùn)輸。與“Hydra”一樣，“APT”也兼具垂直起降能力和固定翼高效平飛的能力。該機(jī)的可分離貨倉(cāng)吊掛在兩個(gè)機(jī)翼之間，機(jī)翼下有4個(gè)曲棍球棍形的起落機(jī)尾。每個(gè)機(jī)翼上有兩個(gè)電機(jī)，看起來(lái)電機(jī)能雙向傾轉(zhuǎn)至少45°。本次展示的“APT”是一架原型機(jī)，是一些列更大型尾坐式貨運(yùn)吊艙運(yùn)輸機(jī)的技術(shù)驗(yàn)證機(jī)。但貝爾公司強(qiáng)調(diào)如果有客戶感興趣，這一產(chǎn)品可以迅速投入實(shí)用。

當(dāng)前型號(hào)的有效載荷約4.5kg?？裳b載3大袋花生巧克力(包裝需部分放氣)。得益于固定翼模式的高效率飛行，貝爾預(yù)計(jì)中型“APT”將具備140～370km的航程，更大的型號(hào)將提供550km的航程。即使是設(shè)計(jì)載重7kg的型號(hào)，航程也可達(dá)90km，若以較低的巡航速度飛行以節(jié)省電力則可達(dá)到130km。

當(dāng)前的大多數(shù)貨運(yùn)無(wú)人機(jī)概念集中在卡車到戶這一領(lǐng)域，也就是幾千米范圍內(nèi)，能在城鎮(zhèn)之間飛行的無(wú)人機(jī)將給市場(chǎng)帶來(lái)很大的變化。

除商業(yè)貨運(yùn)領(lǐng)域外，貝爾公司認(rèn)為“APT”無(wú)人機(jī)也能滿足軍事物流的需求，在各種情況下、甚至是在戰(zhàn)斗中為士兵提供再補(bǔ)給。斯科特·德倫南列舉了五角大樓的幾項(xiàng)信息請(qǐng)求，根據(jù)五角大樓提出的要求來(lái)看，基于“APT”概念的無(wú)人機(jī)將是理想選擇。鑒于軍事和民用空管規(guī)則的不同，“APT”無(wú)人機(jī)可能會(huì)首先被用于軍事用途。

本次試飛的技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的貨倉(cāng)是固定的，但模塊化可分離貨倉(cāng)是“APT”無(wú)人機(jī)項(xiàng)目的主要目標(biāo)之一，從概念草圖來(lái)看，更大型號(hào)采用的是可分離吊艙，甚至包括在豎直起降和平飛期間能保持貨物朝向不變的云臺(tái)式穩(wěn)定吊艙。貝爾公司設(shè)想的載重范圍很大，包括載重450～900kg級(jí)的大型版本。

在演示期間，由于陣風(fēng)風(fēng)速超過(guò)限制，“APT”驗(yàn)證機(jī)沒有進(jìn)行垂直-水平轉(zhuǎn)換，只是以四軸模式進(jìn)行了垂直飛行，不時(shí)以傾斜姿態(tài)進(jìn)行水平飛行從“Hydra”無(wú)人機(jī)頭頂飛過(guò)。在這個(gè)試飛視頻中可以看到，“APT”無(wú)人機(jī)從地面以豎立狀態(tài)起飛，然后轉(zhuǎn)入水平狀態(tài)像雙翼飛機(jī)一樣飛行。

圖14 “Hydra”無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)入水平飛行狀態(tài)以獲得更高的效率。

貝爾公司開始測(cè)試最大版本的“APT”系列無(wú)人機(jī)

據(jù)《航空周刊》2019年1月31日?qǐng)?bào)道，在亞利桑那州梅薩市，貝爾公司已開始對(duì)其研發(fā)的電動(dòng)垂直起降吊艙運(yùn)輸無(wú)人機(jī)(“APT”)系列迄今最大的型號(hào)進(jìn)行測(cè)試，該無(wú)人機(jī)將是美國(guó)航空航天局將于2020年啟動(dòng)計(jì)劃的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，計(jì)劃目標(biāo)是為美國(guó)領(lǐng)空內(nèi)的無(wú)人機(jī)常態(tài)化飛行鋪平道路。

此次測(cè)試的“APT-70”無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)載重31kg，時(shí)速超過(guò)160km，“APT-70”是貝爾正在研發(fā)的一系列新型垂直起降飛行器之一。2018年，貝爾公司和另一種“Hydra”(混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)研究機(jī))無(wú)人機(jī)一起測(cè)試了尺寸更小的“APT-20”無(wú)人機(jī)。2019年1月，貝爾公開了名為“Nexus”的5座空中出租車概念飛行器。

和“APT-20”一樣，“APT-70”也是像直升機(jī)一樣垂直起飛，然后轉(zhuǎn)入依靠機(jī)翼產(chǎn)生升力的水平飛行模式。飛行器將按照預(yù)設(shè)的導(dǎo)航點(diǎn)自主飛行抵達(dá)目的地，然后轉(zhuǎn)入垂直飛行狀態(tài)進(jìn)行降落。

“商界和政府客戶都對(duì)這一系列用途廣泛的無(wú)人機(jī)表現(xiàn)出了濃厚的興趣，” 貝爾公司負(fù)責(zé)技術(shù)與創(chuàng)新的執(zhí)行副總裁邁克爾·薩克爾說(shuō)?！拔覀冴P(guān)注的是當(dāng)前主要依靠卡車運(yùn)輸?shù)闹械染嚯x運(yùn)輸領(lǐng)域?！?/p>

在本次垂直飛行學(xué)會(huì)第6屆年度電動(dòng)垂直起降技術(shù)研討會(huì)上，邁克爾·薩克爾表示，“APT”無(wú)人機(jī)初期的應(yīng)用“將主要是運(yùn)送高價(jià)值和時(shí)間緊迫貨物”。貝爾公司正準(zhǔn)備與日本包裹遞送企業(yè)日本大和(Yamato)公司合作用“APT-70”無(wú)人機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證飛行，雙方已于2018年末簽署了合作協(xié)議。

此前接受《航空航天日?qǐng)?bào)》采訪時(shí)，貝爾公司“APT”項(xiàng)目經(jīng)理約翰·維特馬克表示：“我們正在與大和公司合作看如何將無(wú)人機(jī)融入他們的業(yè)務(wù)模式，看他們有哪些需求。在2019年里，我們將和大和公司一起對(duì)“APT-70”進(jìn)行驗(yàn)證飛行和運(yùn)行試驗(yàn)，對(duì)于無(wú)人機(jī)交互方式、以及貨運(yùn)吊艙的裝運(yùn)和卸載，他們有具體的要求?！必悹柟绢A(yù)計(jì)到本世紀(jì)20年代中期能將首款產(chǎn)品投入使用。

但對(duì)于無(wú)人機(jī)行業(yè)整體增長(zhǎng)具有潛在的更大戰(zhàn)略重要性的是“APT-70”在美國(guó)航空航天局即將開始的系統(tǒng)集成與實(shí)用化(SIO)計(jì)劃中扮演的角色。貝爾公司將參與的是2020年將要進(jìn)行的多項(xiàng)在150米以上空域運(yùn)行的飛行驗(yàn)證計(jì)劃之一。內(nèi)容包括綜合探測(cè)避讓和指揮控制技術(shù)。

“使用‘APT-70’，我們將驗(yàn)證在國(guó)家空域內(nèi)的端到端商用飛行，通過(guò)在受控和不受控空域內(nèi)的飛行試驗(yàn)，推動(dòng)自動(dòng)駕駛技術(shù)在超視距、人口稠密區(qū)上空和城市環(huán)境中的應(yīng)用。”邁克爾·薩克爾說(shuō)。和貝爾公司一起參與該計(jì)劃的伙伴包括總部位于加州的自動(dòng)駕駛飛行技術(shù)企業(yè)Xwing公司，該公司將負(fù)責(zé)提供綜合探測(cè)避讓系統(tǒng)。此外，還有馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特大氣協(xié)同自適應(yīng)傳感中心，該機(jī)構(gòu)將負(fù)責(zé)提供氣象雷達(dá)。

德事隆系統(tǒng)公司將為項(xiàng)目提供指揮控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將由美國(guó)航空航天局阿姆斯特朗飛行研究中心管理。

貝爾公司與大和公司合作開展無(wú)人機(jī)遞送項(xiàng)目

圖15 “APT”無(wú)人機(jī)的電機(jī)可雙向傾轉(zhuǎn)，起落機(jī)尾上有4個(gè)氣動(dòng)控制面。

圖16 電動(dòng)垂直起降無(wú)人機(jī)

貝爾公司將與日本包裹遞送企業(yè)大和公司合作，使用電動(dòng)垂直起降無(wú)人機(jī)提供航空物流服務(wù)。雙方希望到本世紀(jì)20年代中期能推出他們的首款產(chǎn)品。

總部位于東京的大和公司已在使用自動(dòng)駕駛車輛測(cè)試該公司研發(fā)的地面自動(dòng)送貨服務(wù)系統(tǒng)。本次合作的目的是將貝爾公司的無(wú)人機(jī)與大和公司開發(fā)的自動(dòng)化包裹處理系統(tǒng)相結(jié)合，提供自動(dòng)化按需物流服務(wù)。

初期的驗(yàn)證將使用貝爾公司開發(fā)的尾坐式電動(dòng)垂直起降無(wú)人機(jī) - 吊艙運(yùn)輸無(wú)人機(jī)(“APT”)，結(jié)合大和公司開發(fā)的可分離模塊化貨倉(cāng)。“APT”無(wú)人機(jī)能像直升機(jī)一樣垂直起降，然后轉(zhuǎn)入高效的水平飛行狀態(tài)，可提供更快的速度和更遠(yuǎn)的航程。

日本電商企業(yè)日本樂(lè)天(Rakuten)公司已在進(jìn)行無(wú)人機(jī)遞送試驗(yàn)，該項(xiàng)試驗(yàn)從2016年5月開始，在千葉縣的一個(gè)高爾夫球場(chǎng)用無(wú)人機(jī)把球運(yùn)送給高爾夫球手。在2017年11月至2018年3月期間，樂(lè)天公司在福島縣的南相馬市測(cè)試了無(wú)人機(jī)送貨服務(wù)。使用的“Tenku”無(wú)人機(jī)是由千葉大學(xué)的“自律制御系統(tǒng)研究所”(ACSL) 開發(fā)的多旋翼飛行器。

“APT”是貝爾公司正在開發(fā)的一系列新垂直起降(VTOL)設(shè)計(jì)之一。該驗(yàn)證機(jī)的飛行時(shí)速可超過(guò)160km，不同型號(hào)的設(shè)計(jì)載重在7～900kg之間。貝爾公司還在測(cè)試“Hydra”混合動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，以及4座版的“空中出租車”電動(dòng)垂直起降飛行器。

未來(lái)計(jì)劃

貝爾公司力爭(zhēng)讓空中出租車于2025年投入運(yùn)營(yíng)

在2019年的CES 2019消費(fèi)電子展上，貝爾公開了其“Nexus”電動(dòng)垂直起降飛行器的概念設(shè)計(jì)。公眾對(duì)貝爾公司“Nexus”的反應(yīng)非常好。現(xiàn)在人們不再懷疑這是否將變成現(xiàn)實(shí)，而是這何時(shí)將變成現(xiàn)實(shí)。我們預(yù)計(jì)到2025年讓“Nexus”投入運(yùn)營(yíng)，比很多人想象的要快。

對(duì)于未來(lái)各種城市空中交通(UAM)選項(xiàng)的大規(guī)模應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的道路上還存在哪些阻礙？電動(dòng)垂直起降飛行器所需的大多數(shù)技術(shù)已經(jīng)存在。但貝爾公司將繼續(xù)與監(jiān)管機(jī)構(gòu)和社會(huì)各界溝通，確保相關(guān)政策法規(guī)不會(huì)滯后于產(chǎn)品開發(fā)。在公眾對(duì)自動(dòng)駕駛技術(shù)完全信任之前，“Nexus”將有一名駕駛員。我們認(rèn)為公眾的接受過(guò)程需要時(shí)間，但我們相信最終將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。

當(dāng)前，大眾對(duì)空中出租車應(yīng)用的主要擔(dān)心之一就是空中交通管制問(wèn)題。要確保各種城市空中交通(UAM)工具安全飛行、不受到重大限制，現(xiàn)有的飛機(jī)空管環(huán)境已經(jīng)是一個(gè)很好的系統(tǒng)，還需要做一些提高空域容量的工作，尤其是低空空域，以及使用更多自動(dòng)化系統(tǒng)提高空管業(yè)務(wù)的安全性和效率。這也是為什么貝爾公司在跟監(jiān)管機(jī)構(gòu)合作建立一個(gè)安全、全面的系統(tǒng)，避免對(duì)現(xiàn)有空管系統(tǒng)帶來(lái)過(guò)大壓力的原因。

關(guān)于城市空中交通基礎(chǔ)設(shè)施，一個(gè)經(jīng)常討論到的模型是在市中心或機(jī)場(chǎng)設(shè)置垂直起降機(jī)場(chǎng)。從實(shí)際來(lái)看，貝爾公司認(rèn)為像“Nexus”這樣的城市空中交通工具將在垂直起降機(jī)場(chǎng)起降。貝爾公司希望避免的是將垂直起降機(jī)場(chǎng)設(shè)置在那些已經(jīng)存在交通擁堵的位置，這將加重地面交通擁堵問(wèn)題。我們正在與合作伙伴共同研究選址問(wèn)題。

有多個(gè)城市參與了“優(yōu)步城市空中出租車”試驗(yàn)計(jì)劃，另外有幾個(gè)城市表達(dá)了參與意向，包括美國(guó)和世界其它國(guó)家的城市。顯然，這些尋求提升城市交通狀況的城市都面對(duì)著嚴(yán)重的交通擁堵問(wèn)題。

“Nexus”將采用電推進(jìn)技術(shù)，未來(lái)還將實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。相比傳統(tǒng)飛機(jī)，這些技術(shù)將對(duì)維修模式帶來(lái)哪些變化？仍將適用常規(guī)的適航性要求，比如標(biāo)準(zhǔn)檢修操作。我們將使用一些新技術(shù)-比如電池，需要編寫相應(yīng)的維護(hù)規(guī)程。