全電動(dòng)推進(jìn)驗(yàn)證機(jī)X57概述

■ 王翔宇 / 中國航發(fā)研究院

受全電動(dòng)與分布式推進(jìn)融合的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)，X57驗(yàn)證機(jī)將展示分布式全電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)越性與應(yīng)用可能，并在適航、安全、能效以及噪聲等方面為確立未來電動(dòng)飛行器研發(fā)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)做準(zhǔn)備。

美國國家航空航天局（NASA）在2020年3月發(fā)布了分布式全電動(dòng)推進(jìn)驗(yàn)證機(jī)X57麥克斯韋（Maxwell）的構(gòu)型概念圖，這是X57驗(yàn)證機(jī)首次以完整的狀態(tài)出現(xiàn)在人們的視野。在當(dāng)前電動(dòng)飛行概念層出不窮、飛行新勢力紛紛入場的大背景下，作為NASA近20年來研發(fā)的首款全電動(dòng)載人飛行平臺，有著“空中特斯拉”之稱的X57驗(yàn)證機(jī)受到了持續(xù)的關(guān)注。

X57驗(yàn)證機(jī)研發(fā)目標(biāo)

為使X57驗(yàn)證機(jī)達(dá)到巡航能量效率提升500%這一首要目標(biāo)，全電動(dòng)架構(gòu)、翼尖巡航電動(dòng)機(jī)、大展弦比機(jī)翼以及分布式升力推進(jìn)系統(tǒng)是其研發(fā)的關(guān)鍵。X57驗(yàn)證機(jī)總工程師麥特·雷迪福表示，用電動(dòng)機(jī)替換內(nèi)燃機(jī)，相應(yīng)的能效將從28%上升到92%（約3.3倍），同時(shí)借助構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)還可以產(chǎn)生1.5倍的能效提升。分布式推進(jìn)可有效地增升減阻，使得機(jī)翼結(jié)構(gòu)更小更輕，同時(shí)翼尖螺旋槳能夠抑制翼尖渦的不利影響。推進(jìn)效率的提升以及低廉的電費(fèi)帶來了運(yùn)營成本的下降，而預(yù)期能量密度200（W·h）/ kg的電池則超過了特斯拉Model S電動(dòng)汽車10%以上，可支撐X57不間斷飛行320km，這些也使得X57驗(yàn)證機(jī)具備向通用航空商業(yè)機(jī)型演化的潛力。

X57驗(yàn)證機(jī)概念圖（來源：NASA）

除了電動(dòng)機(jī)自身固有的低噪聲屬性，分布式結(jié)構(gòu)也帶來了升力螺旋槳的小型化，起飛著陸時(shí)的低葉尖速度意味著X57驗(yàn)證機(jī)比活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)要安靜得多。通過進(jìn)一步對每組升力電動(dòng)機(jī)以及螺旋槳異步化處理、使其具有不同的轉(zhuǎn)速，NASA希望最終X57驗(yàn)證機(jī)在地面上空的飛行噪聲能夠下降15dB以上。此外，X57驗(yàn)證機(jī)的優(yōu)勢還體現(xiàn)在基于推力增強(qiáng)的魯棒性飛行控制，電動(dòng)機(jī)可在1min內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過50%的加力運(yùn)轉(zhuǎn)從而應(yīng)對失速等突發(fā)情況，接近3倍的機(jī)翼載荷提升也將改善飛行品質(zhì)和陣風(fēng)響應(yīng)。

X57驗(yàn)證機(jī)研發(fā)目標(biāo)

X57驗(yàn)證機(jī)研發(fā)階段

根據(jù)NASA在2014年提出的“縮比集成電推進(jìn)應(yīng)用技術(shù)研究”（SCEPTOR）項(xiàng)目計(jì)劃，為降低研發(fā)中可能出現(xiàn)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，X57驗(yàn)證機(jī)的改裝試驗(yàn)工作分為4個(gè)階段順次進(jìn)行。

P2600T原型機(jī)/X57驗(yàn)證機(jī)改裝示意圖（來源：NASA）

X57驗(yàn)證機(jī)研發(fā)第一階段

在第一階段（ModⅠ）選用意大利泰克南（Tecnam）公司的P2600T輕型活塞式雙發(fā)飛機(jī)作為原型機(jī)，進(jìn)行飛行測試并收集升力、阻力、能耗、巡航效率以及飛行品質(zhì)等方面的數(shù)據(jù)，以便與后續(xù)改造完成的分布式全電動(dòng)推進(jìn)驗(yàn)證機(jī)進(jìn)行對比分析。與此同時(shí)，針對獨(dú)立的分布式全電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)開展地面驗(yàn)證工作，測試其在低速飛行條件下的增升效果。

早在2015年5月，也就是X驗(yàn)證機(jī)被正式命名之前，NASA即開展了機(jī)翼前緣異步螺旋槳推進(jìn)技術(shù)（LEAPTech）地面驗(yàn)證研究。通過與ESAero公司和Joby公司的合作，在機(jī)翼前緣安裝了18個(gè)升力電動(dòng)機(jī)及螺旋槳系統(tǒng)，由一輛福特皮卡以接近120km/h的速度帶動(dòng)，從而模擬在風(fēng)洞中的低速測試環(huán)境。結(jié)果顯示，分布式螺旋槳可顯著加大機(jī)翼表面的來流速度與動(dòng)壓，當(dāng)升力電動(dòng)機(jī)輸出功率為225kW時(shí)機(jī)翼能夠產(chǎn)生傳統(tǒng)推進(jìn)裝置下2倍的升力，這也意味著這種電動(dòng)吹氣機(jī)翼真正成為了X驗(yàn)證機(jī)的構(gòu)型方案。隨著P2600T原型機(jī)運(yùn)抵愛德華空軍基地、相關(guān)收集試飛數(shù)據(jù)工作的完成，2016年年中NASA正式公開了編號為X57的驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃。

分布式電推進(jìn)系統(tǒng)地面驗(yàn)證試驗(yàn)（來源：NASA）

X57驗(yàn)證機(jī)研發(fā)第二階段

第二階段（Mod Ⅱ）的主要任務(wù)是對原型機(jī)進(jìn)行初始電氣化集成。用兩臺巡航電動(dòng)機(jī)代替原裝的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)其作用的高壓電池組則被安放在貨艙處，此時(shí)飛機(jī)外形包括發(fā)動(dòng)機(jī)位置均不發(fā)生改變。利用專門為X57開發(fā)的飛行模擬器構(gòu)建虛擬環(huán)境，幫助試飛員盡快熟悉適應(yīng)電氣化的飛行操作，對改裝后的電動(dòng)飛行器進(jìn)行地面和飛行測試，驗(yàn)證電動(dòng)機(jī)、電池以及電子電力系統(tǒng)的可靠性，消除可能潛在的用電風(fēng)險(xiǎn)。

2016年7月，ESAero公司和縮比復(fù)合材料（ Scaled Composites）公司合作的P2600T改裝工作啟動(dòng)，而這一階段最大的挑戰(zhàn)無疑是高能高可靠性電池系統(tǒng)的開發(fā)。在2016年12月的熱失效增長試驗(yàn)中出現(xiàn)了熱擊穿的問題，一旦有一個(gè)模塊發(fā)生短路，整個(gè)電池組都將無法工作。解決的辦法是在模塊之間安裝鋁質(zhì)蜂窩結(jié)構(gòu)，隔離局部電池故障釋放的熱能，但這也使得研發(fā)周期推遲了整整一年。升級后的雙余度電池系統(tǒng)架構(gòu)由8個(gè)模塊、每個(gè)模塊640個(gè)單元變?yōu)榱?6個(gè)模塊、每個(gè)模塊320個(gè)單元，單個(gè)模塊質(zhì)量的降低使得電池更換的操作更為容易。雖然電池組加入新的結(jié)構(gòu)但整體上能量密度基本不變，具備完成30min全功率試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

X57驗(yàn)證機(jī)概念示意圖（來源：NASA）

Joby公司研制的60kW巡航電動(dòng)機(jī)單個(gè)質(zhì)量僅為26kg，比原型機(jī)的羅塔克斯（Rotax） 912S活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)下降了一半以上，但輸出功率卻達(dá)到了后者的80%。在2018年完成電動(dòng)機(jī)控制器和電池系統(tǒng)試驗(yàn)后，縮比復(fù)合材料公司對集成到原型機(jī)上的電氣系統(tǒng)進(jìn)行了初始旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，電動(dòng)機(jī)由地面電源供電后正常運(yùn)轉(zhuǎn)，隨后單獨(dú)開展的電池重復(fù)性試驗(yàn)表明X57驗(yàn)證機(jī)電氣化設(shè)計(jì)方案基本達(dá)到了預(yù)期。2019年10月，X57驗(yàn)證機(jī)Mod II構(gòu)型交付NASA阿姆斯特朗飛行研究中心，由電池供電的滑行試驗(yàn)與飛行試驗(yàn)將相繼展開，NASA希望相關(guān)工作能夠在2020年上半年完成。

X57驗(yàn)證機(jī)研發(fā)第三階段

在第二階段的基礎(chǔ)上，第三階段（Mod Ⅲ）將開展兩方面的工作。一是保留機(jī)體和尾翼結(jié)構(gòu)不變，標(biāo)準(zhǔn)寬幅機(jī)翼則被改裝為大展弦比機(jī)翼，機(jī)翼面積的下降意味著更小的飛行阻力、更不易受到陣風(fēng)和湍流的干擾，這樣可有助于巡航效率和飛行品質(zhì)的提升。二是將兩臺巡航電動(dòng)機(jī)吊掛位置移動(dòng)到了翼尖，這樣做可有效抑制由于翼尖渦誘導(dǎo)下洗作用的負(fù)面影響，使得原型機(jī)高速巡航時(shí)的能量消耗下降2/3以上。

大展弦比機(jī)翼研發(fā)由Xperimental公司負(fù)責(zé)，該機(jī)翼的平均弦長僅為原型機(jī)的40%，但承載的載荷卻從813Pa提升到了2154Pa左右。相關(guān)測試工作已于2019年10月完成，在機(jī)翼加載至設(shè)計(jì)極限載荷的120%時(shí)，利用與翼尖相連的液壓作動(dòng)器模擬巡航電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的慣性力和推力，此時(shí)控制舵面在其偏轉(zhuǎn)范圍內(nèi)可自由旋轉(zhuǎn)，整體結(jié)構(gòu)能夠承擔(dān)X57驗(yàn)證機(jī)1360kg的設(shè)計(jì)飛行質(zhì)量。此外，阿姆斯特朗飛行載荷實(shí)驗(yàn)室還進(jìn)行了質(zhì)量和平衡測量以及地面振動(dòng)試驗(yàn)，有助于進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)構(gòu)特性是否與試飛預(yù)期相匹配。待進(jìn)行超聲波健康檢測后，機(jī)翼被運(yùn)回ESAero公司進(jìn)行下一步改裝。

X57驗(yàn)證機(jī)研發(fā)分工安排

X57驗(yàn)證機(jī)研發(fā)第四階段

第四階段（Mod Ⅳ）將呈現(xiàn)出X57驗(yàn)證機(jī)的最終形態(tài)。此時(shí)機(jī)翼下方吊掛的短艙內(nèi)將會(huì)安裝若干小型高升力電動(dòng)機(jī)以產(chǎn)生分布式電推力。即使是在改裝后大展弦比機(jī)翼的條件下，X57驗(yàn)證機(jī)也能以P2600T原型機(jī)標(biāo)定的速度進(jìn)行起飛操作，而后進(jìn)入巡航飛行時(shí)高升力電動(dòng)機(jī)的柔性槳葉會(huì)停止工作、自動(dòng)收攏到短艙內(nèi)，這樣不會(huì)產(chǎn)生額外的阻力，待到準(zhǔn)備著陸時(shí)升力電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，受離心力作用螺旋槳再次激活以保證低速飛行時(shí)產(chǎn)生足夠的升力。換句話說，這種只在起飛著陸時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的升力系統(tǒng)起到了類似襟翼的作用。

根據(jù)2018年確定的構(gòu)型方案，X57驗(yàn)證機(jī)的升力系統(tǒng)將由12個(gè)升力電動(dòng)機(jī)及其螺旋槳組成，其輸出功率以及質(zhì)量之和恰好與巡航系統(tǒng)相當(dāng)。考慮到前期LEAPTech計(jì)劃已經(jīng)對分布式推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了較為深入的技術(shù)驗(yàn)證，第四階段的工作重點(diǎn)是整機(jī)層次的電力和控制系統(tǒng)集成，可能涉及到升力系統(tǒng)自動(dòng)響應(yīng)、推力自主控制以及單一儀表指示等問題。

X57驗(yàn)證機(jī)主要參數(shù)

X57驗(yàn)證機(jī)的意義

回到X57驗(yàn)證機(jī)，橫向上看這種輕型電動(dòng)飛機(jī)完全擁有向城市空中運(yùn)輸市場（UAM）提供商業(yè)服務(wù)的潛力，這也是NASA長期以來重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域。NASA一直與Cape Air等小型客機(jī)運(yùn)營商保持密切合作，X57驗(yàn)證機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了電池容量與壽命、飛行速度、運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性以及城市噪聲等城市空中運(yùn)輸市場的實(shí)際需求，而這些也可能成為未來行業(yè)公認(rèn)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，NASA還委托博思艾倫咨詢公司、皇冠咨詢公司、麥肯錫咨詢公司和Ascension咨詢公司開展了迄今為止最全面的城市空中運(yùn)輸市場需求研究，涉及到機(jī)型分類、使用場景、經(jīng)營模式、公眾接受程度、運(yùn)營障礙、成本構(gòu)成以及市場預(yù)測等眾多內(nèi)容，這些將為未來X57驗(yàn)證機(jī)的商業(yè)化起到很好的鋪墊。

縱向上看，X57驗(yàn)證機(jī)可能只是近期NASA發(fā)力電動(dòng)飛行領(lǐng)域的第一步。隨著空客公司和波音公司不約而同地將混合電推進(jìn)作為2030年前后客機(jī)的動(dòng)力選項(xiàng)，GE公司、羅羅公司和普惠公司紛紛啟動(dòng)各自的電推進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)計(jì)劃，處于“發(fā)現(xiàn)模式”的NASA已經(jīng)明顯感受到了業(yè)界對于亞聲速固定翼運(yùn)輸機(jī)實(shí)現(xiàn)電氣化飛行的急切需求，盡管這其中必將存在比小型通用航空電動(dòng)飛機(jī)大得多的技術(shù)挑戰(zhàn)。根據(jù)公開的信息，NASA正在全力推進(jìn)兆瓦級的電動(dòng)機(jī)和相關(guān)電力電子設(shè)備的研發(fā)工作，借助X57分布式全電驗(yàn)證機(jī)和X59超聲速低聲爆飛行驗(yàn)證機(jī)的技術(shù)積累，大尺寸、高能效、采用翼身融合布局的全新亞聲速驗(yàn)證機(jī)將在不遠(yuǎn)的將來成為現(xiàn)實(shí)。

結(jié)束語

在過去的5年時(shí)間里，NASA在分布式全電動(dòng)推進(jìn)技術(shù)研究上邁出了堅(jiān)實(shí)且極具開拓性的一大步，展示了其引領(lǐng)未來電動(dòng)飛行的宏偉藍(lán)圖與技術(shù)實(shí)力。但是也要注意到，即使X57驗(yàn)證機(jī)采用了非常溫和穩(wěn)健的“分步走”技術(shù)路徑，在電池系統(tǒng)與控制集成等研發(fā)過程中也出現(xiàn)了很多計(jì)劃之外的問題。截至目前，其研究進(jìn)度已經(jīng)超期了一倍以上，這意味著電氣化的航空旅行雖然是公認(rèn)的發(fā)展趨勢，但距其具備商業(yè)運(yùn)營條件、真正改變?nèi)藗兂鲂蟹绞饺詴?huì)是道阻且長。很多初創(chuàng)公司提出的那些超前的全電動(dòng)飛機(jī)概念布局、遙遙領(lǐng)先的設(shè)計(jì)參數(shù)以及三五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)市場投放的時(shí)間表，想要真正成為現(xiàn)實(shí)，難度可想而知。