極短距起降能替代電動垂直起降嗎？

格雷厄姆·沃里克

在電動垂直起降概念大熱的背景下，另有觀點認(rèn)為，技術(shù)的進(jìn)步使得短距起降能更快的通過認(rèn)證，率先打入城市空中交通和支線飛機(jī)市場，并能實現(xiàn)有益的經(jīng)濟(jì)效益。

雖然目前許多航空初創(chuàng)企業(yè)都將重點放在電動垂直起降（eVTOL）和城市空中交通（UAM）上，但另有部分觀點認(rèn)為，極短距起降（Super-STOL，SSTOL）和支線服務(wù)可能更容易獲得認(rèn)證，且短期內(nèi)在經(jīng)濟(jì)上更可行。

這一觀點源于20世紀(jì)70年代的一種短距離運(yùn)輸?shù)脑O(shè)想，即利用短距起降（STOL）飛機(jī)解決主要機(jī)場日益嚴(yán)重的擁堵和噪聲問題。美國航空航天局（NASA）和聯(lián)邦航空管理局（FAA）都把安靜、清潔的短距起降飛機(jī)，視為能使因城市化而陷入困境的機(jī)場得到更好利用的方式之一。不過，在當(dāng)時的技術(shù)情況下，這種設(shè)想的經(jīng)濟(jì)效益卻并不理想。

進(jìn)入21世紀(jì)20年代，隨著電動推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，短距起降能力重新被認(rèn)為極具潛力。短距起降能更好地釋放電動推進(jìn)的優(yōu)勢，且技術(shù)挑戰(zhàn)較小，短期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)回報也更高。

而電動垂直起降的機(jī)遇在于，可通過便利的城市垂直機(jī)場條件實現(xiàn)運(yùn)營，使航空運(yùn)輸更便利。但也存在的挑戰(zhàn)，一是垂直飛行對能量效率的要求高；二是若升空和控制都使用電推力，會容易逼近電源失效邊界。

電動短距起降（eSTOL）的機(jī)遇是其在能量密度和適航認(rèn)證方面的障礙小，但挑戰(zhàn)是必須具有足夠的進(jìn)近性能，起降距離要短到能使用和電動垂直起降飛行器一樣的機(jī)場完成進(jìn)場。優(yōu)點是當(dāng)進(jìn)入分布式電推進(jìn)（DEP）飛行和升空時，螺旋槳和空氣動力相互作用，可在低空速下實現(xiàn)高升力。這些因素結(jié)合在一起，使短距起降能以較低的重量和成本實現(xiàn)極高的性能潛力。

20世紀(jì)60年代的STOL飛機(jī)——941渦槳運(yùn)輸機(jī)

20世紀(jì)60年代的布雷蓋（Breguet）941渦槳運(yùn)輸機(jī)就是一個很好的例子，其展示了采用傳統(tǒng)推進(jìn)技術(shù)的短距起降飛機(jī)的性能和復(fù)雜性。941飛機(jī)的設(shè)計起飛高度為185m，可搭載60人，通過全翼展開縫的襟翼使4個超大螺旋槳的滑流偏轉(zhuǎn)。

941飛機(jī)的動力來自4臺透博梅卡·特爾莫（TurbomecaTurmo）渦槳發(fā)動機(jī)，每臺發(fā)動機(jī)都有一個自由渦輪驅(qū)動貫穿機(jī)翼的主軸。主軸通過一根軸連接到每個螺旋槳，確保來自發(fā)動機(jī)的動力能均勻地分配到各個螺旋槳。如果其中一臺發(fā)動機(jī)故障，其自由渦輪將被隔離，但螺旋槳將繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

941飛機(jī)于1961年首飛，1964年在巴黎伊西萊穆利歐和布魯塞爾市中心阿勒維特的直升機(jī)停機(jī)坪之間進(jìn)行了演示飛行。941飛機(jī)和生產(chǎn)型的941S在美國飛了兩次，在1964-1965年作為麥克唐納公司的188飛機(jī)飛行，在1968-1969年再次作為麥克唐納·道格拉斯公司的188飛機(jī)飛行，其中包括為美國航空（AA）和美國東方航空（EAL）進(jìn)行演示。

圖1 電動短距起降的機(jī)遇是能量密度和適航認(rèn)證方面的障礙小。

但由于拿不到航空公司的訂單，運(yùn)營成本便成為一大障礙因素，941飛機(jī)早早退役。但短距起降的研究仍在繼續(xù)，NASA于1978年試飛了“安靜短途研究飛機(jī)”（QSRA）。這是一架加拿大德哈維蘭（De Havilland）DHC-5“水?！边\(yùn)輸機(jī)，改裝了新機(jī)翼，有4個Avco公司萊康明YF102渦扇發(fā)動機(jī)提供上表面吹風(fēng)?！鞍察o短途研究飛機(jī)”于1993年退役，但其為波音C-17運(yùn)輸機(jī)的設(shè)計做出了貢獻(xiàn)。

圖2 20世紀(jì)60年代的布雷蓋941渦槳運(yùn)輸機(jī)就是一個短距起降飛機(jī)的經(jīng)典的例子。

皮卡公司的eSTOL無人機(jī)和Metro Hop飛機(jī)概念

美國加州的初創(chuàng)公司皮卡（Pyka）正在新西蘭使用eSTOL無人機(jī)進(jìn)行作物噴灑作業(yè)。皮卡公司生產(chǎn)的飛機(jī)由機(jī)翼和尾翼上的3個20kW的電動機(jī)提供動力，能在45m的高度飛行，可攜帶280kg的任務(wù)載荷。該飛機(jī)設(shè)計為不使用動力升空，而是有一個類似帆板的機(jī)翼，加帶全翼展襟翼，可在低速時實現(xiàn)高升力。巡航速度為140km/h，可在兩次飛行之間更換電池，每小時的作業(yè)面積可覆蓋85～135英畝（約34～55公頃）。

該系列另有一種Metro Hop飛機(jī)概念，由德國斯圖加特大學(xué)的e-Genius電動飛機(jī)團(tuán)隊為皮卡公司設(shè)計。這是一個兩座的eSTOL飛行器，被設(shè)計為能在60m的高度進(jìn)行起降，可攜帶450kg任務(wù)載荷、以400km/h的速度飛行160km。

皮卡公司首席執(zhí)行官布魯諾·莫布里尼（Bruno Mombrinie）表示，Metro Hop概念最初設(shè)想的應(yīng)用是將醫(yī)療用品從中央倉庫快速運(yùn)送到各地醫(yī)院。從倉庫屋頂?shù)钠脚_上起飛時，飛機(jī)的電動機(jī)首先在4～5s內(nèi)將飛機(jī)加速至96km/h，然后主起落架的架腿會推動機(jī)頭向上旋轉(zhuǎn)來進(jìn)行起飛。而為了進(jìn)行精確著陸，飛機(jī)會先測量自身到屋頂平臺的距離，然后在著陸標(biāo)志上方伸出電動起落架與地面接觸，之后機(jī)翼升力被破壞，同時進(jìn)行剎車減速完成著陸。貨物裝卸和電池替換則使用機(jī)器人完成。

英國法拉第公司的生物電動混合飛機(jī)概念

英國初創(chuàng)公司法拉第（Faradair）憑借其生物電動混合飛機(jī)（BEHA）概念，采取了不同的STOL區(qū)域運(yùn)輸方法。BEHA能在300m以下的高度起降，能以370km/h的巡航速度飛行1850km，其具有一個高升力的三重機(jī)翼，三個交錯的升力面通過垂直安定面連接在翼尖。法拉第常務(wù)董事尼爾·克勞利（Neil Cloughley）表示，建模分析表明，BEHA飛機(jī)能以75km/h、16°迎角和類似于波音747的升阻比升空。

圖3 皮卡公司一架電動eSTOL 無人機(jī)在新西蘭進(jìn)行作物噴灑。

圖4 德國斯圖加特大學(xué)設(shè)計的Metro Hop飛機(jī)概念。

BEHA飛機(jī)由一臺1600shp的渦輪發(fā)動機(jī)和500kW的電動機(jī)提供推力，驅(qū)動管道中的反向旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇，增加推力，降低噪聲，并為飛行控制提供矢量推力。起飛時主要靠電池供電完成，以減少噪聲和排放，然后過渡到渦輪發(fā)動機(jī)巡航并為電池充電，以便在發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障時提供備用電源。

BEHA的設(shè)計巡航速度為370km/h，在更高的速度下，來自機(jī)翼和管道的阻力代價將太大。但法拉第公司主要瞄準(zhǔn)了和直升機(jī)的競爭，聚焦使飛機(jī)飛行速度更快、飛行距離更遠(yuǎn)、效率更高且噪聲更小?？藙诶J(rèn)為BEHA可以完成一架大型直升機(jī)90%的任務(wù)。

BEHA概念飛機(jī)家族中計劃的第一個成員是MH1，這是混合動力BEHA的初級版，采用非增壓客艙設(shè)計，翼展16.8m，可在搭載18名乘客、裝載3個LD3貨運(yùn)集裝箱或5t重任務(wù)載荷的選項間快速切換。目前，MH1正在斯旺西（Swansea）大學(xué)進(jìn)行最終設(shè)計優(yōu)化，目標(biāo)是在2023至2024年首飛，2025至2026年取證。

法拉第公司近期將遷至劍橋郡的達(dá)克斯福德（Duxford）機(jī)場，開始開發(fā)BEHA的全尺寸原型機(jī)。達(dá)克斯福德機(jī)場是歐洲最大的航空博物館所在地，該公司正與帝國戰(zhàn)爭博物館（IWM）和土地所有者，即劍橋大學(xué)的岡維爾和凱斯學(xué)院合作遷址。按計劃應(yīng)在9月1日遷入新址，該公司也將成為首家參與“達(dá)克斯福德航空技術(shù)”區(qū)域發(fā)展計劃的公司，這項計劃是岡維爾和凱斯學(xué)院在帝國戰(zhàn)爭博物館的支持下提出的，要在博物館建立一個航空技術(shù)中心。

除了初級版MH1外，法拉第公司還計劃推出無人版的MH1T，主要用于軍事后勤和消防。全電動的BEHA E1預(yù)計于2030年投入運(yùn)營，將使用電池或氫燃料電池，該公司還表示MH1將可通過補(bǔ)充型號認(rèn)證修改升級到E1。

圖5 主動式起落架腿和電動車輪為Metro Hop 概念提供了STOL性能。

麻省理工學(xué)院的4座SSTOL

極光飛行科學(xué)公司（現(xiàn)并入波音）創(chuàng)始人兼前首席執(zhí)行官約翰·蘭福德（John Langford）成立了電氣航空公司（Electr.Aero），旨在開發(fā)一種極短距起降（SSTOL）混合動力飛機(jī)，使用分布式電推進(jìn)（DEP）和動力升空以實現(xiàn)支線交通。他與麻省理工學(xué)院的一個團(tuán)隊合作，該團(tuán)隊一直在研究SSTOL作為eVTOL的替代品用于城市空中交通。

麻省理工學(xué)院的研究生克里斯托弗·考廷（Christopher Courtin）表示，eVTOL飛行器存在的問題是，如果在升空和控制中都使用推力，會逼近電源的失效邊界，為此需要更大的冗余度和復(fù)雜性，這將導(dǎo)致飛機(jī)的成本、重量和認(rèn)證時間都有所增加。與之相比，固定翼的SSTOL飛機(jī)在發(fā)生故障時，其性能將與現(xiàn)有單發(fā)飛機(jī)的性能相當(dāng)，這為SSTOL的認(rèn)證提供了很好的鋪墊。

此外，SSTOL可使用更小的電動機(jī)，可為能源儲備或載客容量留出更多的重量空間。同時，與eVTOL飛行器相比，SSTOL飛機(jī)的推重比更低，升阻比更高，使其具有提高速度、航程和任務(wù)載荷能力的潛力。

麻省理工學(xué)院在研究一種4座的SSTOL，作為受?？炕A(chǔ)設(shè)施限制的eVTOL替代方案。分布式電推進(jìn)通過在機(jī)翼前緣安裝螺旋槳，使其沿翼展大部分方向吹動后緣襟翼，實現(xiàn)極短距起降性能?；陲L(fēng)洞試驗結(jié)果，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊認(rèn)為采用分布式電推進(jìn)的動力升空可以實現(xiàn)30m高度內(nèi)的起飛和降落，距離之短足以與eVTOL競爭。

圖6 法拉第公司的BEHA概念采用三重機(jī)翼，可在低空速下提供高升力。

圖7 麻省理工學(xué)院的30%無人機(jī)縮比模型，顯示了分布式電推進(jìn)性能應(yīng)用于短距起降的潛力。

在極光飛行科學(xué)公司的資助下，麻省理工學(xué)院研究團(tuán)隊在2019年試飛了一個30%比例的SSTOL概念縮比無人機(jī)模型。該模型重量不到18kg，翼展約4m，機(jī)翼前緣有8個螺旋槳，有單開槽襟翼和副翼，還有一個常規(guī)尾翼。

像布雷蓋941那樣利用機(jī)翼的襟翼使螺旋槳的滑流偏轉(zhuǎn)，這樣一方面使螺旋槳的射流旋轉(zhuǎn)，另一方面抑制了機(jī)翼和襟翼上氣流的分離，以這種方式來增加升力。與傳統(tǒng)的渦槳發(fā)動機(jī)相比，分布式電推進(jìn)允許使用多個小螺旋槳，小螺旋槳產(chǎn)生的小射流提高了吹氣效率，因此飛機(jī)可以只使用簡單的機(jī)械式單縫開槽襟翼，與以前的外吹式襟翼布局飛機(jī)相比省去了高升力系統(tǒng)的重量和成本。

麻省理工學(xué)院進(jìn)行縮比模型測試的目的是為確定飛行中是否可以實現(xiàn)高升力，并評估操縱品質(zhì)和觀察螺旋槳直徑改變對氣流旋轉(zhuǎn)效率的影響。分布式電推進(jìn)的電動機(jī)沿機(jī)翼前緣均勻分布。在起飛模式下，所有8個電動機(jī)都由一個油門桿共同控制。在著陸模式下，有6個電動機(jī)通過旋鈕控制，提供大部分吹氣，而外部的一對電動機(jī)由油門控制。

研究團(tuán)隊用直徑為22.86cm的雙槳葉和直徑為17.78cm的五槳葉螺旋槳對飛機(jī)進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)用較小的螺旋槳可以顯著降低飛行速度，研究團(tuán)隊認(rèn)為這可能是由于較小的射流能被襟翼更有效地偏轉(zhuǎn)，從而以更低的功率獲得更大的升力。

不過在低速飛行時，飛機(jī)的側(cè)向操縱品質(zhì)下降，使得飛機(jī)難以控制。由于很難讓飛機(jī)保持穩(wěn)定的飛行狀態(tài)，測量升力系數(shù)變得困難，但五槳葉螺旋槳提供了最好的高升力性能。

這架縮比無人機(jī)能在約兩倍于自身長度的距離內(nèi)起飛，并保持早期水平升空姿態(tài)。研究團(tuán)隊認(rèn)為，這表明飛機(jī)的起飛距離受限于未吹過的尾翼在低空速下能產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)速度，同時起飛時的最大升力系數(shù)也不如設(shè)想的那么高，這表明飛機(jī)的地面滾轉(zhuǎn)受限于水平尾翼的控制能力。

由于操縱面上的動壓較低，飛機(jī)很難操縱。在襟翼發(fā)生高偏轉(zhuǎn)且升力系數(shù)較高時，襟翼末端的上洗流會誘導(dǎo)機(jī)翼在該位置失速。尾翼也是一個因素，它的配平能力限制了可達(dá)到的升力系數(shù)。研究團(tuán)隊表示，對于該飛機(jī)的控制策略是下一步的重要研究領(lǐng)域。

麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊將與電氣航空公司進(jìn)行下一步合作，下一步的計劃是在新冠疫情限制解除后的一年內(nèi)，試飛一架全尺寸的兩座概念驗證機(jī)，以解決飛行控制上的挑戰(zhàn)，展示極短距起降的潛力。研究團(tuán)隊正在關(guān)注4座、9座、19座和35座的飛機(jī)并進(jìn)行市場調(diào)研，以確定首先推出哪些機(jī)型。電氣航空公司認(rèn)為在介于小型的城市空中出租車和大型的支線飛機(jī)之間的市場存在機(jī)會，即可在30～100m的高度飛行、飛行距離為80～240km的飛機(jī)，這一距離的出行市場目前仍由汽車支配。