云凝

NASA用于驗(yàn)證LEAPTech技術(shù)的混合電力集成系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)。

今年3月，一個(gè)造型獨(dú)特的驗(yàn)證機(jī)來到了NASA的阿姆斯特朗飛行研究中心，實(shí)際上這還不能說是驗(yàn)證機(jī)，只是將一個(gè)用于試驗(yàn)的機(jī)翼安裝在一個(gè)專門改裝的卡車上。這個(gè)由卡車帶動(dòng)的可移動(dòng)地面試驗(yàn)臺(tái)被稱為混合電力集成系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)（HEIST），而在其上試驗(yàn)的，則是NASA支持的、可用于新型電動(dòng)飛機(jī)的前沿異步螺旋槳技術(shù)（LEAPTech）項(xiàng)目。

LEAPTech項(xiàng)目開始于2014年，由來自NASA蘭利研究中心和阿姆斯特朗研究中心的研究人員與兩家加利福利亞的公司——位于庇斯摩海灘的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)航宇（ESAero）公司和位于圣地克魯茲的宙比（Joby）航空公司——開展合作。其中，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)航宇公司是項(xiàng)目的主承包商，負(fù)責(zé)HEIST的系統(tǒng)集成和安裝，而宙比航空公司則是本項(xiàng)目所采用的LEAPTech技術(shù)的研發(fā)者，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和制造電動(dòng)機(jī)、螺旋槳和碳纖維機(jī)翼段。

LEAPTech技術(shù)特點(diǎn)

電動(dòng)飛機(jī)由于傳動(dòng)簡(jiǎn)單、可靠、低噪音、低維護(hù)等良好的環(huán)保特性，日益受到現(xiàn)代人的關(guān)注和支持。由于現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特性，使得目前研發(fā)、銷售的電動(dòng)飛機(jī)都采用了傳統(tǒng)的空氣螺旋槳推進(jìn)器，而在傳統(tǒng)的慣性下，絕大多數(shù)電動(dòng)飛機(jī)的總體布局也沿襲了傳統(tǒng)熱機(jī)式螺旋槳飛機(jī)的布局。在此種布局中，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一個(gè)或者多個(gè)較大直徑的螺旋槳，以產(chǎn)生推力。但在宙比航空公司的研究人員看來，這是不夠合理的。首先，由于小型電動(dòng)機(jī)一般適用于小扭矩、高轉(zhuǎn)速的工況，用其來帶動(dòng)較大直徑的螺旋槳時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生明顯的不匹配現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)效率下降;其次，在傳統(tǒng)的螺旋槳飛機(jī)上，螺旋槳滑流會(huì)對(duì)機(jī)翼的升力產(chǎn)生顯著影響，但是位于螺旋槳滑流之中的機(jī)翼展長(zhǎng)只占全部機(jī)翼的一小部分，所以導(dǎo)致其對(duì)總體升力的增益相對(duì)較小。而宙比公司推出的LEAPTech技術(shù)，正是為了綜合這兩方面的優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避其缺點(diǎn)，從而創(chuàng)造出了一種新的電動(dòng)飛機(jī)構(gòu)型。

在LEAPTech技術(shù)的實(shí)施方案中，最引人注目的，是其機(jī)翼前沿具有大量的小電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)的螺旋槳，例如裝在HEIST試驗(yàn)臺(tái)上的試驗(yàn)型機(jī)翼，為翼展31英尺（約9.45米）的碳纖維復(fù)合材料機(jī)翼，其前沿采用了18臺(tái)（每側(cè)9臺(tái)）由磷酸鋰電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，各自帶動(dòng)一個(gè)小直徑三葉螺旋槳。

這種新構(gòu)型的最大優(yōu)勢(shì)，就是可以利用幾乎均勻分布在機(jī)翼前方的螺旋槳，在產(chǎn)生推力的同時(shí)，利用螺旋槳滑流對(duì)機(jī)翼翼面氣流的加速作用，大幅度提高機(jī)翼的升力系數(shù)。經(jīng)過分析，由于螺旋槳滑流的影響，可以在機(jī)翼上表面形成較為均勻的低壓區(qū)，這等于直接增加了機(jī)翼的升力。對(duì)于目前功率密度較低的電動(dòng)飛機(jī)來講，這可以顯著降低機(jī)翼的失速速度，改善起飛和著陸性能;允許減小機(jī)翼弦長(zhǎng)，在縮小機(jī)翼面積的同時(shí)，可以減少巡航阻力和結(jié)構(gòu)重量;可以簡(jiǎn)化、甚至取消結(jié)構(gòu)復(fù)雜的傳統(tǒng)多級(jí)襟翼增升系統(tǒng);此外，較小的翼面積可以減少陣風(fēng)敏感度，有望顯著提高小型電動(dòng)飛機(jī)的乘坐舒適性。

另外，借助于電動(dòng)力系統(tǒng)的良好調(diào)節(jié)性和短時(shí)過載性能，還能具備強(qiáng)大的推進(jìn)控制能力，每一個(gè)電動(dòng)機(jī)能夠在不同的速度下單獨(dú)操作，以優(yōu)化性能。可以通過對(duì)各個(gè)推進(jìn)器的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)速、切換，使得動(dòng)力系統(tǒng)的推進(jìn)特性、機(jī)翼的升力特性和飛機(jī)的飛行條件實(shí)時(shí)配合，以實(shí)現(xiàn)與外界負(fù)載的最佳匹配。同時(shí)，數(shù)量眾多的分布式電動(dòng)推進(jìn)器提供了巨大的冗余度，推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性得到了極高的保障。

LEAPTech技術(shù)中的螺旋槳設(shè)計(jì)也顯著不同于傳統(tǒng)的窄弦長(zhǎng)、大直徑、可變槳距螺旋槳，而是采用了小直徑、寬弦長(zhǎng)、固定槳距的設(shè)計(jì)。以目前裝在移動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上的螺旋槳為例，其設(shè)計(jì)為三片槳葉，直徑0.45米，這個(gè)直徑是綜合考慮了翼展和螺旋槳數(shù)目的匹配、降低空氣噪音、推進(jìn)性能以及生產(chǎn)成本等而確定的。當(dāng)處于最大起飛推力（即最高轉(zhuǎn)速）時(shí)，其葉尖速度僅有137米/秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)螺旋槳的近音速設(shè)計(jì)，噪音可以顯著下降;較大的葉片弦長(zhǎng)，則保證了形成足夠有力的螺旋槳滑流，以產(chǎn)生增升作用;由于負(fù)荷較低，螺旋槳葉片采用較為便宜的玻璃纖維復(fù)合材料制造，在保證性能的同時(shí)可以降低成本;考慮到電動(dòng)飛機(jī)的巡航速度較低，電動(dòng)機(jī)的調(diào)速也很方便，采用了固定槳距的設(shè)計(jì)，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來改變螺旋槳推力，這樣就不需要設(shè)置復(fù)雜的可變槳距機(jī)構(gòu)。

但是，三片槳葉方案螺旋槳是基于生產(chǎn)成本最優(yōu)而設(shè)計(jì)的，目前宙比公司還在研究新型的五片槳葉方案螺旋槳，可以進(jìn)一步提高推進(jìn)性能，降低噪音。五片槳葉方案螺旋槳還設(shè)計(jì)了槳葉折疊功能，在較低負(fù)荷和速度、可以關(guān)閉部分發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，停止運(yùn)轉(zhuǎn)的槳葉可以折疊靠攏電動(dòng)機(jī)艙，以降低迎風(fēng)阻力。宙比公司也考慮過共軸對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳方案，這個(gè)方案可以形成更強(qiáng)大的螺旋槳滑流，進(jìn)一步提高升力系數(shù)，但其結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜，成本較高，噪音也較大，在目前的配裝機(jī)型方案中沒有明顯優(yōu)勢(shì)，所以放棄了，但若LEAPTech技術(shù)日后成功大型化，則共軸對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳方案仍不失為一個(gè)較好的選擇。

設(shè)計(jì)方案的對(duì)比

目前LEAPTech設(shè)計(jì)方案為一架4座輕型飛機(jī)，在此設(shè)計(jì)中，沿翼展方向均勻設(shè)置了18個(gè)被安裝在短艙內(nèi)的電動(dòng)機(jī)，其設(shè)計(jì)最大起飛重量為1 362千克，翼展9.45米，翼面積5.12平方米，展弦比17.4，設(shè)計(jì)巡航速度320千米/小時(shí)，巡航升阻比0.77。與之相比，西銳SR22是目前市場(chǎng)上已有的一種4座輕型飛機(jī)，其設(shè)計(jì)最大起飛重量為1 543千克，翼展11.68米，翼面積13.48平方米，展弦比10.1，設(shè)計(jì)巡航速度338千米/小時(shí)，巡航升阻比0.30。

從以上參數(shù)對(duì)比可以看出，LEAPTech設(shè)計(jì)方案在重量上占有一定優(yōu)勢(shì)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳數(shù)量較多，導(dǎo)致巡航阻力略大，巡航速度略低，但機(jī)翼尺寸和重量均得以明顯減小，巡航升阻比是SR22的兩倍多，充分說明了該設(shè)計(jì)方案通過螺旋槳滑流來提高升力的顯著增益?？傮w而言，LEAPTech設(shè)計(jì)方案的優(yōu)勢(shì)比SR22要明顯。按照原定規(guī)劃，LEAPTech設(shè)計(jì)方案的電池充電一次可飛行370千米，混合動(dòng)力模式可飛行740千米，由于升力提高明顯，起降距離也得以縮短，從跑道起飛的滑跑距離不超過610米，比美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）為小型客機(jī)推薦的滑跑距離短213米。

結(jié)語

目前，LEAPTech在HEIST試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試仍在繼續(xù)。據(jù)NASA宣稱，LEAPTech技術(shù)對(duì)于減少對(duì)化石燃料的依賴性、增強(qiáng)飛機(jī)飛行性能和操縱性能、有效降低飛機(jī)的噪音有重大意義。LEAPTech技術(shù)是未來的十年中，NASA計(jì)劃將飛機(jī)制造業(yè)向電子推進(jìn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié)。接下來，NASA計(jì)劃改裝一架意大利生產(chǎn)的泰克南（Tecnam）P2006T飛機(jī)，去掉其原裝的發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)翼，換上經(jīng)過進(jìn)一步優(yōu)化的LEAPTech機(jī)翼和發(fā)動(dòng)機(jī)組件，在真實(shí)飛行中對(duì)LEAPTech機(jī)翼的性能進(jìn)行測(cè)試。如果測(cè)試取得令人滿意的效果，那么LEAPTech技術(shù)可望在未來的輕小型電動(dòng)飛機(jī)上得到推廣和應(yīng)用，如果電動(dòng)力技術(shù)獲得突破性進(jìn)展，能夠提供跟現(xiàn)代化石燃料發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)墓β拭芏?，LEAPTech技術(shù)還有望應(yīng)用到更大的飛機(jī)上。

利用LEAPTech技術(shù)改裝后的P2006T想象圖。

責(zé)任編輯：王鑫邦