空客“瓦哈那”演示驗(yàn)證計(jì)劃詳解(上)

穆作棟

“瓦哈那”演示驗(yàn)證計(jì)劃歷時(shí)4年的投入，實(shí)現(xiàn)了從需求到概念方案，再到全尺寸演示驗(yàn)證機(jī)的跨越，驗(yàn)證了電推進(jìn)技術(shù)、傾轉(zhuǎn)旋翼布局設(shè)計(jì)技術(shù)、自動(dòng)駕駛模式的可行性。同時(shí)，加深理解城市空運(yùn)的商業(yè)運(yùn)營模式，

成果極為豐富。

電推進(jìn)技術(shù)以高效率、低排放、低噪聲的顯著優(yōu)勢(shì)，催生了航空運(yùn)輸?shù)娜路妒剑瑸閼?yīng)對(duì)全球城市化引起的地面及地下交通網(wǎng)絡(luò)承運(yùn)能力的不足，城市空運(yùn)（Urban Air Mobility、UAM）已成為熱門創(chuàng)新領(lǐng)域，

面對(duì)城市空運(yùn)的廣闊市場，空客A0創(chuàng)新中心于2016年初正式啟動(dòng)“瓦哈那”（Vahana）電動(dòng)垂直起降（eVTOL）、自主飛行無人機(jī)演示驗(yàn)證計(jì)劃;2019年11月，“瓦哈那”全尺寸驗(yàn)證機(jī)在美國俄勒岡州彭德爾頓基地完成第138次，也是最后一次飛行試驗(yàn)，標(biāo)志著為期4年的演示驗(yàn)證計(jì)劃圓滿收官。

本文重點(diǎn)闡述“瓦哈那”演示驗(yàn)證計(jì)劃的實(shí)施概況、無人機(jī)技術(shù)特點(diǎn)、主要成果及里程碑，以期對(duì)我國相關(guān)領(lǐng)域研究提供參考。

“瓦哈那”演示驗(yàn)證計(jì)劃概況

2015年前后，城市空運(yùn)市場開始逐漸受到業(yè)界關(guān)注。一方面城市化帶來了空運(yùn)市場需求;另一方面客觀條件能支撐電動(dòng)汽車、電動(dòng)無人機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)的快速發(fā)展，電池的安全性與能量密度開始滿足城市空運(yùn)的需求，低成本、高性能機(jī)載系統(tǒng)供應(yīng)商涌現(xiàn)，機(jī)器視覺與人工智能技術(shù)為自主飛行、空中避障創(chuàng)造了可能，先進(jìn)復(fù)合材料加工技術(shù)推動(dòng)了小型飛行器生產(chǎn)。

在市場需求與技術(shù)創(chuàng)新的推動(dòng)下，空客于2015年在美國硅谷建立了空客A³創(chuàng)新中心，旨在吸引人工智能、自主飛行、數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域的人才，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新?！巴吖恰笔强湛虯³創(chuàng)新中心的首批研究任務(wù)之一，于2015年被提上日程，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)共有100余名研究人員。通過融合電推進(jìn)、機(jī)器視覺、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全電動(dòng)的自主飛行及垂直起降能力。

“瓦哈那”演示驗(yàn)證計(jì)劃于2016年初正式啟動(dòng)，首先經(jīng)飛行器構(gòu)型多學(xué)科技術(shù)優(yōu)化研究確定了“瓦哈那”的構(gòu)型，2017年完成全尺寸驗(yàn)證機(jī)的裝配工作和數(shù)百次縮比樣機(jī)的飛行測(cè)試;2018年1月31日，全尺寸驗(yàn)證機(jī)在美國俄勒岡州彭德爾頓無人機(jī)系統(tǒng)基地（PendletonUAS Range）以自動(dòng)駕駛模式完成首飛，當(dāng)時(shí)的飛行高度為5m;2019年5月3日，“瓦哈那”在第58次飛行測(cè)試中完成首次垂直起飛與前向飛行的完整姿態(tài)轉(zhuǎn)換;2019年6月，“瓦哈那”在巴黎航展進(jìn)行了展示;2019年11月14日完成第138次飛行測(cè)試，標(biāo)志著該驗(yàn)證項(xiàng)目結(jié)束。在研究過程中，空客A0創(chuàng)新中心共制造了兩架全尺寸驗(yàn)證機(jī)，型號(hào)分別為Alpha 1和Alpha 2。

結(jié)構(gòu)布局及關(guān)鍵參數(shù)

“瓦哈那”最初的構(gòu)型始于研究者在餐巾紙上隨手畫出的草圖，隨后研究者根據(jù)概念可行性以及技術(shù)成熟度不斷調(diào)整。逐步形成最終構(gòu)型。

“瓦哈那”是單人座艙無人機(jī)，采用傾轉(zhuǎn)旋翼布局實(shí)現(xiàn)垂直起降與水平飛行兩種姿態(tài)間的轉(zhuǎn)換，該機(jī)機(jī)身前后部各安裝4臺(tái)電動(dòng)機(jī)，每臺(tái)功率45kW，總共由8臺(tái)電動(dòng)機(jī)提供升力與動(dòng)力?！巴吖恰彬?yàn)證機(jī)翼展6.25m，機(jī)高2.81m，重量726kg，巡航速度190km/h，續(xù)航時(shí)間20min。航程50km。采用全電推進(jìn)的動(dòng)力系統(tǒng)，機(jī)身后部配備有2組可裝卸電池組，每組電池重136kg，容量為38kW·h，約占驗(yàn)證機(jī)重量的40%。

機(jī)載系統(tǒng)

“瓦哈那”的機(jī)艙空間僅供一名乘客使用，艙內(nèi)正前方設(shè)置有一臺(tái)高清屏幕，可顯示驗(yàn)證機(jī)的飛行航線等信息。由于“瓦哈那”機(jī)上無人駕駛，因而沒有設(shè)置飛行員的座艙。

“瓦哈那”的機(jī)載系統(tǒng)包括GPS、慣性導(dǎo)航單元、大氣數(shù)據(jù)探測(cè)器等設(shè)備，可獲取驗(yàn)證機(jī)的位置和姿態(tài)信息。感知和規(guī)避系統(tǒng)包括能夠探測(cè)和追蹤空中目標(biāo)的雷達(dá)與相機(jī)，利用激光雷達(dá)掃描著陸區(qū)域的固定及移動(dòng)障礙物。激光雷達(dá)和相機(jī)集成了近地自動(dòng)化技術(shù)（Near Earlh Autonomy）公司“游隼”（Peregrine）傳感器。

在俄勒岡州彭德爾頓基地開展的飛行測(cè)試中，驗(yàn)證機(jī)處于遠(yuǎn)程控制狀態(tài)，依靠遠(yuǎn)程操控實(shí)現(xiàn)起飛降落等飛行測(cè)試。

驗(yàn)證機(jī)按預(yù)先設(shè)定的航線飛行，采用自動(dòng)駕駛模式飛行，通過機(jī)身前部的機(jī)載智能傳感器識(shí)別空中和地面的障礙物。飛行控制系統(tǒng)通過脈沖輸入控制。具體而言，脈沖輸入包括短程滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航或推進(jìn)等命令。技術(shù)人員在飛行測(cè)試期間，詳細(xì)了解每個(gè)飛行階段如何響應(yīng)這些輸入，這一過程非常重要。通過觀察和分析驗(yàn)證機(jī)的反應(yīng)，能夠完善飛行控制系統(tǒng)的開發(fā)。“瓦哈那”飛控系統(tǒng)在垂直起降、懸停及水平飛行的姿態(tài)轉(zhuǎn)換過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。姿態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)。驗(yàn)證機(jī)的飛行速度高達(dá)148～167km/h。

三項(xiàng)成果

（1）實(shí)現(xiàn)全電動(dòng)垂直起降及飛行。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了全電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)，包括電池、電動(dòng)機(jī)、逆變器、高壓配電系統(tǒng)和作動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了傾轉(zhuǎn)旋翼飛行。全尺寸驗(yàn)證機(jī)累計(jì)完成138次飛行試驗(yàn)，總計(jì)飛行900km，總飛行時(shí)間超過13h。此外，完成上千次縮比驗(yàn)證機(jī)的飛行試驗(yàn)。

（2）提升自主飛行能力。

深入研究自主飛行核心技術(shù)，包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與避障技術(shù)。研究團(tuán)隊(duì)開展了先進(jìn)傳感器設(shè)計(jì)，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定避障策略、開發(fā)控制律并最終形成控制軟件。

基于“瓦哈那”的飛行測(cè)試，空客A創(chuàng)新中心進(jìn)一步提出了單獨(dú)的“尋路者”（Wayfinder）自主飛行研究計(jì)劃?！皩ぢ氛摺庇?jì)劃將開發(fā)通用自主飛行軟件及硬件，推廣應(yīng)用于包含城市空運(yùn)的飛行器和大型客機(jī)在內(nèi)的各類飛行器。一方面基于計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)提升飛行器感知能力，另一方面基于機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)為飛行器提供決策與自主導(dǎo)航能力，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法能夠?qū)w行員的大量飛行經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到飛行控制系統(tǒng)?！皩ぢ氛摺庇?jì)劃與空客開展的自主滑行、起飛和降落（ATTOL）研究，均為空客單人駕駛模式的大型商用飛機(jī)的研究框架組成部分。

（3）加深理解城市空運(yùn)的商業(yè)運(yùn)營模式。

相關(guān)研究評(píng)估了驗(yàn)證機(jī)性能對(duì)未來城市空運(yùn)開展商業(yè)運(yùn)營的可行性，推動(dòng)空客戰(zhàn)略決策實(shí)施?；凇巴吖恰庇?jì)劃的經(jīng)驗(yàn)，空客于2018年中期成立了城市空運(yùn)部門。

主要里程碑

作為空客A。創(chuàng)新中心的首批項(xiàng)目之一，為期4年的“瓦哈那”演示驗(yàn)證計(jì)劃可大致分為兩個(gè)階段，2016-2017年為第一階段。主要開展研究團(tuán)隊(duì)組建、技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可行性分析、方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證機(jī)加工裝配等工作;2018-2019年為第二階段，主要開展飛行試驗(yàn)。

第一階段里程碑

（1）2016年9月，“瓦哈那”項(xiàng)目對(duì)外公開。

在項(xiàng)目對(duì)外公開時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)已完成概念方案設(shè)計(jì)等多項(xiàng)重要研究工作。在空客A3創(chuàng)新中心建立了由侶名研究人員組成的“瓦哈那”項(xiàng)目組，完成技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性研究。

研究團(tuán)隊(duì)確定了概念方案，并邀請(qǐng)來自業(yè)界及空客內(nèi)部的專家審查方案。方案確定后，推進(jìn)飛行器空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和工業(yè)造型設(shè)計(jì)，制造出兩架縮比驗(yàn)證機(jī)Omega 1和Omega2，并完成試飛。

開展關(guān)鍵分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和采購，同時(shí)確定全尺寸驗(yàn)證機(jī)加工制造的合作方?？傊?016年9月對(duì)外公開項(xiàng)目時(shí)，全尺寸驗(yàn)證機(jī)已進(jìn)入機(jī)體結(jié)構(gòu)制造與系統(tǒng)開發(fā)階段。

（2）2017年2月，“木烏”地面試驗(yàn)臺(tái)交付。

2017年伊始，研究團(tuán)隊(duì)注冊(cè)了兩架全尺寸驗(yàn)證機(jī)的尾號(hào)。分別為N301VX和N302VX，其中301和302表示對(duì)空客3X0系列飛機(jī)的繼承，V表示“瓦哈那”項(xiàng)目，X表示驗(yàn)證機(jī)。

完成縮比驗(yàn)證機(jī)Omega 3的制造，完成閉環(huán)控制飛行，制造并測(cè)試應(yīng)急機(jī)制單元，該單元在緊急情況下會(huì)斷開強(qiáng)電系統(tǒng)并開啟降落傘。

“木鳥”（Wooden bird）全尺寸地面試驗(yàn)臺(tái)交付完成，類似于“鐵鳥”，該試驗(yàn)臺(tái)可供研究團(tuán)隊(duì)開展硬件布局設(shè)計(jì)和配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等工作。

（3）2017年9月，集成首架全尺寸驗(yàn)證機(jī)各系統(tǒng)。

2017年3月交付前機(jī)翼部件、變距風(fēng)扇轂以及近地自主降落評(píng)估傳感器，并完成訓(xùn)練規(guī)避系統(tǒng)模型的數(shù)據(jù)集。

2017年4月開展前機(jī)翼承載力試驗(yàn)，包括+38g和-1.5g的飛行條件試驗(yàn)，以及4g著陸條件試驗(yàn)，同月完成起落架初步設(shè)計(jì)審查和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速500RPM測(cè)試，此時(shí)風(fēng)扇達(dá)到最大轉(zhuǎn)速的15%。系統(tǒng)方面，空客防務(wù)與空間公司啟動(dòng)電池組研發(fā)工作;研究團(tuán)隊(duì)基于大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練了飛行控制系統(tǒng)的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。

2017年6月，完成顫振分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較大的顫振余量;7月完成首架驗(yàn)證機(jī)集成裝配機(jī)翼、用于懸停測(cè)試階段的電機(jī)等部件;8月完成第二架驗(yàn)證機(jī)的機(jī)身測(cè)試與交付;9月全面完成首架全尺寸驗(yàn)證機(jī)的系統(tǒng)集成，包括集成航電、配電、作動(dòng)器等全部設(shè)備。

（4）2017年12月，全尺寸驗(yàn)證機(jī)實(shí)現(xiàn)地面起動(dòng)。

Alpha 1驗(yàn)證機(jī)被運(yùn)送到彭德爾頓基地并重新裝配，準(zhǔn)備開展相關(guān)試驗(yàn)。研究團(tuán)隊(duì)開展了硬件在環(huán)飛行模擬測(cè)試。同時(shí)通過FAA進(jìn)行安全審查，以獲得試飛特殊適航證（Special AwarenessCertificate）oAIphal在地面進(jìn)行通電測(cè)試，電機(jī)成功轉(zhuǎn)動(dòng)，標(biāo)志系統(tǒng)正常運(yùn)行。

第二階段主要里程碑

（1）2018年1月，Alpha 1驗(yàn)證機(jī)完成首飛。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間2018年1月31日上午8：52開啟試飛，Alpha 1在彭德爾頓無人機(jī)基地順利爬升到5m高度，懸停、起降全過程持續(xù)53秒。自此。Alpha 1驗(yàn)證機(jī)成功完成首次懸停飛行試驗(yàn)。整個(gè)首飛測(cè)試采用自動(dòng)駕駛模式，未搭載乘客。

（2）2018年5月，更換電動(dòng)機(jī)后再次完成飛行試驗(yàn)。

2018年2月1日。也就是Alpha 1完成約1min的首次懸停飛行試驗(yàn)后的次日，研究團(tuán)隊(duì)更換了它的電動(dòng)機(jī)和控制器。

由于相關(guān)更改需重新獲取FAA的試飛特殊適航證。因此，3個(gè)月之后才能繼續(xù)開展飛行試驗(yàn)。2018年5月2日，更換了新電動(dòng)機(jī)的Alpha 1重新開始飛行試驗(yàn)并完成試飛。

（3）2019年5月，完成首次完整姿態(tài)轉(zhuǎn)換飛行試驗(yàn)。

2019年5月3日，Alpha 1驗(yàn)證機(jī)在彭德爾頓基地進(jìn)行第58次飛行試驗(yàn)時(shí)，首次完成從懸停到前飛的姿態(tài)轉(zhuǎn)換。

此次姿態(tài)轉(zhuǎn)換飛行試驗(yàn)，Alpha 1首先垂直起飛A73m高度，隨后前后機(jī)翼傾轉(zhuǎn)，進(jìn)入向前平飛狀態(tài)。平飛一段距離后，傾轉(zhuǎn)機(jī)翼減速到懸停狀態(tài)并改變航向180°，再次轉(zhuǎn)換到垂直降落姿態(tài)，回到起飛地點(diǎn)，最后再次轉(zhuǎn)換到懸停狀態(tài)并降落。試驗(yàn)中，驗(yàn)證機(jī)巡航速度達(dá)到167km/h。

據(jù)研究團(tuán)隊(duì)當(dāng)時(shí)披露的數(shù)據(jù)，雖然全尺寸驗(yàn)證機(jī)飛行試驗(yàn)僅開展了58次，但縮比驗(yàn)證機(jī)的飛行試驗(yàn)次數(shù)已超過1200次。

（4）2019年11月，演示驗(yàn)證計(jì)劃結(jié)束。

2019年11月14日，“瓦哈那”驗(yàn)證機(jī)在彭德爾頓基地完成了第138次，也是最后一次試飛，項(xiàng)目宣布結(jié)束。

空客已成立了城市空運(yùn)部門，“瓦哈那”計(jì)劃的研究成果能有效指導(dǎo)空客并行發(fā)展的“城市空中客車”（CityAirbus）演示驗(yàn)證計(jì)劃的后續(xù)工作。同時(shí)，有力支撐空客在城市空運(yùn)新興市場的快速發(fā)展。