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        空客“瓦哈那”演示驗(yàn)證計(jì)劃詳解(上)

        2020-10-12 14:08:20穆作棟
        無人機(jī) 2020年4期
        關(guān)鍵詞:空運(yùn)空客尺寸

        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,催生了航空運(yùn)輸?shù)娜路妒?,為?yīng)對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“瓦哈那”(Vahana)電動垂直起降(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汽車、電動無人機(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)推動了小型飛行器生產(chǎn)。

        在市場需求與技術(shù)創(chuàng)新的推動下,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,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臺電動機(jī),每臺功率45kW,總共由8臺電動機(jī)提供升力與動力?!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)域的固定及移動障礙物。激光雷達(dá)和相機(jī)集成了近地自動化技術(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)起飛降落等飛行測試。

        驗(yàn)證機(jī)按預(yù)先設(shè)定的航線飛行,采用自動駕駛模式飛行,通過機(jī)身前部的機(jī)載智能傳感器識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)?!巴吖恰憋w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)全電動垂直起降及飛行。

        研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了全電動推進(jìn)系統(tǒng),包括電池、電動機(jī)、逆變器、高壓配電系統(tǒng)和作動器,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)研究評估了驗(yàn)證機(jī)性能對未來城市空運(yùn)開展商業(yè)運(yùn)營的可行性,推動空客戰(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)目對外公開。

        在項(xiàng)目對外公開時(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?,2016年9月對外公開項(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)臺交付。

        2017年伊始,研究團(tuán)隊(duì)注冊了兩架全尺寸驗(yàn)證機(jī)的尾號。分別為N301VX和N302VX,其中301和302表示對空客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,制造并測試應(yīng)急機(jī)制單元,該單元在緊急情況下會斷開強(qiáng)電系統(tǒng)并開啟降落傘。

        “木鳥”(Wooden bird)全尺寸地面試驗(yàn)臺交付完成,類似于“鐵鳥”,該試驗(yàn)臺可供研究團(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。

        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)行通電測試,電機(jī)成功轉(zhuǎn)動,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)首飛測試采用自動駕駛模式,未搭載乘客。

        (2)2018年5月,更換電動機(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。

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