异军突起

蔡汝鸿

XC-142倾转机翼货运飞机

谈电动垂直起落飞机的发展

20年前，即1997年，垂直起落飞机著名专家、现美国直升机学会（AHS）执行理事迈克· 赫希伯格（Mike Hirschberg）在该学会刊物《垂直飞行》3/4月号上发表了名为“垂直与短距起落飞行头半个世纪”的文章。该文最突出的贡献就是将直升机的垂直起落能力与固定翼飞机的高速前飞能力相结合的飞行器进行了清楚详细的分类。在文章选用的45种已制造和试验的垂直与短距起落（V/STOL）飞行器中，那时只有3种被认为是成功的。它们是：英国航空航天公司的“鹞”式战斗机、原苏联雅克夫列夫设计局的雅克-38和美国贝尔-波音联合研制小组的V-22“鱼鹰”倾转旋翼机。从那时起经过10年，V-22“鱼鹰”飞机才投入部队使用，经过20年才只有另一种V/STOL飞机进入服役，它就是F-35B。

1995年，迈克·赫希伯格开始参与F-35B垂直起落战斗机初期计划的“联合打击战斗机计划”（JSF）办公室推进系统研制小组的工作。该计划的目标是研制世界上第一种作战超音速V/STOL噴气式飞机。当时，“先进短距起飞与垂直降落”（ASTOVL）计划已并入了JSF计划。

比较粗短的亚音速“鹞”式战斗机是在20世纪50年代末设计的，它采用单发动机推力矢量的推进系统。由于相对简单，因而取得了成功。然而，20世纪80年代和90年代初进行的ASTOVL研究探索表明，对于获得能短距起飞和垂直降落（STOVL）超音速战斗/攻击机所需的细长机体来说最有希望的方法是采用升力风扇，后来在洛克希德X-35B和现在的F-35B飞机上就是这样做的。升力风扇增大STOVL和悬停飞行时的推力，并且通过前后分布推力而使发动机的位置可以偏离飞机重心。

V/STOL发展缓慢的原因

上述研制成功的V/STOL飞机动力传输都是采用机械传动轴的。迈克·赫希伯格的研究指出，已研制成功的机械传动V/STOL飞机存在一些问题。首先，垂直飞行与巡航飞行所需的推力相差很大。这意味着装机功率要远大于飞机巡航所需功率，或者需要采用专门用于垂直飞行的独立推力装置；其次，悬停时推力要在飞机重心周围均衡分布，包括纵向和横向；其三，要达到推力的均衡分布会带来机械的复杂性，例如需要许多多余的独立发动机或者多发动机之间的交联转动轴；还有燃油效率低，直接动力升力飞行本身就比气动升力飞行效率低。

另外，V/STOL飞机在悬停、低速飞行、过渡飞行和巡航时必须在所有6个轴上保持控制。旋翼机上周期变距操纵的旋翼不仅能产生升力还能产生操纵力矩，而螺旋桨和喷气发动机只能产生推力。因此，对于非旋翼机的V/STOL来说，低速操纵常常需要附加的操纵推进器或者各种推力矢量装置（如使用高压涵道燃气），这增加了飞机的复杂性。由于V/STOL飞机的机械传动复杂性高，其机械传动轴、减速器或发动机的故障常常引起飞机坠毁和人员伤亡。

20世纪期间，V/STOL飞机的发动机故障率非常高，以至于20世纪60年代的贝尔飞机公司X-22四倾转涵道验证机为了安全采用4台发动机和11台减速器，装机功率还大于所需功率的25%。德国多尼尔公司的Do31 V/STOL货运飞机其总重与今天V-22“鱼鹰”的差不多，但有效载荷和航程较小，却采用2台“鹞”式战斗机所用的“飞马”发动机和8台垂直安装的升力发动机。这样做的目的是为了在一台发动机出现故障时提高生存机会。但多台发动机并不一定能保证安全，采用4台发动机与4副螺旋桨的XC-142倾转机翼货运飞机的所有5架原型机还是都坠毁了或损坏了。

21世纪，发动机和传动机械的可靠性较半个世纪前相比，已经有了很大的提高。两种最新的V/STOL飞机，F-35B和V-22可以采用最少量的发动机和传动轴。尽管如此，由于关键飞行升力系统自身缺陷，V-22倾转旋翼机从研制阶段到投入使用期间一直事故。

由于机械传动V/STOL存在上述缺陷，其发展始终非常缓慢，没有取得突破性进展，产量较少，使用不广泛。电动垂直飞行推进技术的新进展有望解决以前V/STOL设计方案中的许多问题。当电动机和储能技术得到提高后，以前被认为过分复杂的多推力与多台减速器的V/STOL构型现在变得简单易行了，至少在小比例模型V/STOL机的情况是这样。

电动VTOL飞机异军突起

在过去几年中，出现了一股对用于个人飞行器、城市空中出租飞机和军事任务的纯电动和混合电动VTOL飞机感兴趣的热潮。2014年，美国直升机学会（AHS）、美国国家航空航天局（NASA）、美国航空航天学会（AIAA）以及美国汽车工程师学会（SAE）等技术学会联合举办了一系列创新垂直起落飞行器研讨会以支持这些技术和有关技术，并取得显著效果。

电动VTOL不需要机械动力传动装置，允许设计者采用容易在飞机横轴与纵轴线附近布置的简单而无周期变距的螺旋桨，特别是由NASA“油脂之光”（Greased Lightning）项目已验证的分布式电动螺旋桨。另外，与涡轮发动机不同，电动机转速是连续可调的，便于在起飞和巡航之间的大转速变化调节。这部分解决了VTOL飞机在机械传动系统基础上研制的致命问题：垂直与悬停飞行比机翼承载飞行所需推力大得多。

对于电动VTOL飞机感兴趣的热潮正在不断高涨，因为与飞机电推进有关的技术也汇集起来，产生了非常激动人心的机遇。这对于VTOL设计者来说更是如此，因为与内燃机和机械传动系统相比，分布式电推进的动力传输相对灵活而且重量较轻。使用电线或其他导体代替传动轴和减速器向推进器传输动力意味着设计者可以把旋翼、螺旋桨或涵道风扇安置在机体的任何地方并且数量远多于常规飞机。endprint

对于VTOL飞机来说，必须在任何飞行速度、悬停和任何转换过渡的情况下能够控制飞机。电动VTOL技术使设计者能把任何大小的推进装置放在机体上任何位置也没有问题，从操纵功效和气动效率来说反而能获得利益。这在以前是不可能的，因为会造成难以想象的交叉轴与减速器的复杂性。

NASA兰利研究中心的马克·摩尔（Mark Moore）计算结果表明，分布式电推进飞机的优良升阻比与推进效率比直升机高一个数量级。由于分布式电推进采用多个小电动机和螺旋桨代替直升机笨重的减速器、传动轴以及复杂的旋翼桨毂，消除了对直升机飞行时关键部件的影响并减少了使用维护费用。分布式电推进飞机不仅使用费用低而且无热燃油发动机的噪音与燃烧污染。

马克·摩尔把电力和航空汽油的能量当量费用进行比较后指出，电力当量费用约是航空燃油的一半。电动VTOL飞行平台飞行效率是直升机的11.8倍，加上燃料费用仅50%，转换成能源成本为直升机的4.2%。

考虑到发电、储能和控制技术的进展，分布式电推进方案为垂直飞行打开了新思路设计。分布式电推进通过电线向旋翼、涵道风扇和其他升力装置提供动力，能够改变各种尺寸大小的垂直起落飞机的外形和性能。美国先进飞机公司（AAC）16.3千克重的“大力神”（Hercules）无人驾驶飞机系统（UAS），由混合动力的汽油发动机和发电机组向悬臂梁安装的带有螺旋桨的8台电动机供电，用于悬停和前飞。AAC的28.1千克“油脂之光”UAS（电池供电），在其倾转机翼和尾翼上有10副电动机驱动的螺旋桨，使飞机可由旋翼承载方式的VTOL飞行过渡到效率高的机翼承载的巡航飞行。e-Volo股份有限公司的VC200 Volocopter多旋翼直升機（电池供电）重450千克，它在格环上安装8台电动机和相配的旋翼螺桨，当出现故障时可只利用其中4台电机与旋翼螺桨就能安全降落，该机于2015年4月由1人驾驶进行了首飞。

美国高级研究计划局（DARPA）资助的5443千克“雷击”（Lightning Strike）无人驾驶实验性VTOL飞机采用涡轴发动机-发电机混合动力，驱动在倾转机翼和鸭式前翼中的24台涵道风扇，其飞行速度可达740.8千米/时。NASA兰利研究中心的马克·摩尔把创新的分布式电推进设计与直升机进行了比较，认为分布式电推进使设计者能把推进器布置在飞机上想要的任何位置。这就意味着能利用直接推进力进行俯仰、横滚和偏航操纵并有精确操纵力臂，完全不需要直升机那样复杂的周期变距操纵系统以及复杂的传动系统，也就消除了振动。

加利福尼亚州圣克鲁兹乔比飞机制造公司计划利用参与NASA前缘异步推进技术（LEAPTech）验证项目获得的经验，在2017年飞行其S4有人驾驶VTOL飞机。LEAPTech项目在地面试验了安装在机翼前缘的18具电动螺旋桨，机翼安装在行驶的卡车上。乔比公司正在设计和制造最佳化机翼、电动机和螺旋桨，准备于2018年在X-57飞机上试飞，该机在NASA“大小可变电推进技术运行研究”项目下制造。通过更换Techman P2006T飞机机翼而来的X-57飞机，使用14台电动机驱动机翼前缘各自的螺旋桨。在X-57第一阶段将试验的无刷电动机比先前Techman P2006T飞机上Rotax内燃机的功率重量比高许多。

S4飞机由私人出资开发，采用6具电动倾转螺旋桨用于VTOL和机翼承载飞行。如果出现鸟撞击、电气故障或者机械故障仍然有许多剩下的螺旋桨可用。

从2015年8月以来，安柏瑞德航空大学的鹰飞研究中心和佛罗里达州代托纳比奇的UAS制造商Heurobotics开发的全电动力直立式垂直起落飞机累计飞行了约35个垂直飞行小时，该机在失去动力时能像直升机一样自转安全着陆。

德国Lilium股份有限公司正在努力研制电动VTOL飞机，这家公司由4名年青的慕尼黑工业大学毕业生创立。他们于2017年4月首次成功试飞了名为Lilium Jet的双座纯电动VTOL原型机。该机起飞总重约600千克，有效载荷200千克，最高速度可达300千米/时，航程约300千米。飞行时其噪音小于一辆摩托车。在此之前，该公司已飞行了3种构型稍有不同的小比例验证机。

双座Lilium Jet由36具小涵道风扇提供推进力。24具风扇装在后机翼中，12具装在鸭式前翼中。涵道风扇由各自的电动机驱动，风扇推力矢量可朝下或朝后。鸭式前翼通过整体转动实现风扇推力转向。而机翼中的风扇推力方向由4块独立的可倾转襟翼控制，垂直飞行时朝下，水平飞行时朝后。在方案上这与极光飞行科学公司“雷击” 飞机相似，但其差别在于它不倾转整个机翼，而只是4块独立的襟翼偏转。这样设计结构简单、安全可靠。

Lilium Jet由垂直飞行过渡到水平飞行时由电传操纵系统自动控制进行。飞行员只要向前推驾驶杆，计算机就可控制各台风扇推力大小和方向。在飞行员要求的各种速度或加速度下各台风扇有最佳调定值，即最佳的风扇推力大小和方向。原型机起落架是玻璃纤维固定式的，生产型上将采用可收放式。出于安全考虑，Lilium Jet的所有关键系统都是多余度的，该机还装有降落伞以在必要时安全降落到地面。现在原型机上有一名飞行员，将来会取消飞行员实现全自主飞行。

电推进飞行技术的潜力己招来美国硅谷亿万富豪们的投资，其中有谷歌共同创始人拉里·佩奇出资Zee.Aero公司和小鹰（Kitty Hawk）公司。法国空中客车公司于2016年8月宣布，已经研制Vahana“城市空中巴士”电动VTOL飞机。同年9月末，优步公司透露它在调查电动VTOL用于自动客运的前景。

电动VTOL的短板

电动垂直起落飞行既要求电池有高能量密度，又要求电动机具有大功率密度。鉴于汽车工业对电动汽车的大量投资，电池能量的密度已经每年增加了2%～3%，速度惊人。而航空汽油每千克所包含的能量约是电池所含能量的100倍。尽管如此，但航空汽油的能量效率一直没有提高，将来也提高不了多少。因此，至少在理论上来说电池能够赶上航空汽油。目前，有一项研究正在进行，努力使电池能量密度在2045年或2050年赶上航空燃料。endprint

乔比飞机制造公司的专家指出，一般情况下在尺寸不断缩小时涡轴发动机会失去效率，而像S4飞机上的小型重量轻的电动机仍然会保持高功重比和功率效率。虽然依赖跑道飞机所用的分布式电推进电机也需要高功重比和能量效率，但垂直起落飞机对所用电机具有特殊要求。像具有长时间悬停能力的飞机，对电动机就有特别的冷却要求。所以一般不设计能长时间悬停的电动VTOL飞机。

全电推进飞机设计由于电池技术的原因而受到限制。法国图鲁兹国立民航大学的研究人员正在飞行试验“伏打”（Volta）电动直升机，其旋翼与反扭尾桨采用不同的电机。因电池充电量限制，该双座验证机的续航时间为10～20分钟。德国e-Volo公司想研制一种速度达100千米/时的多旋翼直升机，在其电池电量下至多飞行30分钟。美国宾夕法尼亚州威彻斯特的鹰技术公司改进的“萤火虫”（Firefly）验证机，用有数字控制器和驾驶舱监视器的美国混合动力公司电动机换掉了190马力（142千瓦）莱康明HLO-360DIA内燃机。2个锂离子电池组重约500千克，使“萤火虫”接近其最大总重，预计续航时间5～10分钟。因飞行时间太短而不能获取有意义的数据，“萤火虫”计划被暂停，但仍在进行地面试验。

对于电动汽车，人们一般关注电动机起动转矩大小以满足汽车加速性；而对于垂直飞行，人们必须关注电动机在转速增加时保持转矩增加。电动VTOL飞机又强调解决重量和连续功率的问题，同时提出了冷却与振动问题。

分布式电推进VTOL飞机的主要缺点是由于电池电量的原因而导致航程较短。采用油电混合推进装置虽然能增大航程，不过其效费比不令人满意。据估计，全电推进飞行用电池需要的能量密度应大于400瓦时/千克，这比现在最好的可充电锂电池（265瓦时/千克）大得多。电池费用也需要减少到低于目前450美元/千瓦时的一半。此外还需要能给较大电池快速充电的大型高电压充电站。特斯拉汽车用高压充电额定值约100千瓦，约在40分钟之内恢复80%的电量。电动飞机需要350千瓦充电器。

美国安柏瑞德鹰飞研究开发中心正在把一架钻石飞机公司HK36“超级迪莫纳”轻型飞机改装成电池供电的E-Spirit验证飞机，并预计在2017年内飞行。这架全电动验证机的YASA750电动机产生100马力（75千瓦）连续功率和130马力（97千瓦）最大功率。其锂离子电池在3.7伏/3400毫安时能提供90分钟的续航时间，但起飞时需要高功率意味着实际飞行时间和在整个飞行时间内的可用功率将较少。一旦电池电量不足，将达不到最大功率。动力系统控制装置必须监控锂离子电池组中各个电池的电量和温度以便安全高效地工作。

安柏瑞德研究人员与美国伊利诺斯州莱蒙特的阿贡国家实验室正在共同研究改进电池技术，但是预计在今后10年中电池比能量只能净增约3%。专家指出，许多人认为电池比能量将取得迅速增加，其实并非如此。对于全电池纯垂直升力飞行来说，飞行时间要超过15分钟是困难的。这迫使人们不得不采用混合空气动力方案或混合推进方案来增加航程和续航时间。

混合推进增加航程

NASA把用于生物燃料发动机研究用的GL-10飞行平台命名为“油脂之光”，这种生物燃料发动机计划用于混合（发动机-发电机）推进系统。NASA兰利研究中心的研究人员制造了10多架不同大小的“油脂之光”模型，采用10台“蝎子”Sll-4020-360KV电动机带动机翼和尾部上的螺旋桨转动，最大的飞机模型翼展为3.2米，由垂直飞行过渡到65千米/时的高效巡航飞行。从2015年首次飞行以来，电池供电的试验机在41次飞行中进行了20次过渡转换。4个4400毫安时电池供电量使飞机悬停约5分钟或机翼承载巡航飞行20分钟。NASA工程师与“油脂之光”项目负责人威廉·弗雷德里克斯，于2015年10月在弗吉尼亚州汉普顿创办了先进飞机公司（AAC），并得到NASA特许销售“油脂之光”。为了达到真正的远航程，“油脂之光”飞机需要采用混合电推进系统。

威廉·弗雷德里克斯正在设计“大力神”多旋翼螺桨无人驾驶VTOL飞机，其目的是以此研制可在“油脂之光”上使用的混合动力系统并研制一种能为“油脂之光”倾转机翼机筹集资金的民用产品。“大力神”于2016年开始低速试生产，它装一台汽油或重油发动机与一台发电机组。这种混合动力多旋翼螺桨VTOL飞机在前后梁装有8台电动机，每根梁都用可转动的整流罩包覆以减小阻力。

第一代“大力神”有一台驱动交流发电机的两冲程汽油机。整流器向电动机供应直流电，推进系统控制器调节汽油机以保持总线电压稳定。值得注意的是，混合动力多旋翼螺桨也有补偿功率瞬变和允许应急软着陆的小电池组。小型内燃机问题较多，可靠性非常差。当内燃机失效时，电池储存有足够的能量再飞行2分钟，这样不会失去昂贵的飞机和昂贵的有效载荷。

加利福尼亚州戈利塔的始点技术公司在继续研制“油脂之光”用的1.5千瓦混合动力系统，并供应其他的UAV制造者。该公司正在研制VTOL飞机用的一系列动力系统，从1.5千瓦一直到40千瓦，专注于低端产品。薄饼形双Halbach磁阵列电动机比普通径向构型有较高的效率，用碳纤维替换铸铁能消除电流损失和减轻重量。在航空应用中，重量和效率是关键因素，总是希望采取没有齿轮的直接驱动。但电动机在高转速时效率较高，而大直径螺旋桨在低转速时效率较高，两者相互矛盾，迫使设计者必须权衡并最佳化整个系统，不可能只是单纯地采用最轻的电动机和最好的螺旋桨。

弗吉尼亚州马纳萨斯的极光飞行科学公司正在为DARPA研制“雷击”混合动力VTOL X-Plane机。这种较大的无人驾驶飞机在其可倾转鸭式前翼和机翼装有涵道风扇，由轻型风冷无刷电机驱动。定制的永磁风扇电机有复合材料定子，定子嵌入电磁导体以获得最佳功率重量比。原V-22倾转旋翼机用的一台罗·罗AE1107C渦轴发动机为安装在减速器上的3台霍尼韦尔公司1兆瓦发电机提供动力，通过极光公司设计的输电网输送电力。印第安纳州印第安纳波利斯的罗·罗“自由”工厂设计和研制了“雷击”飞机用发电系统和电力分布控制系统。电力分布系统在整个飞行包线内同步协调24台机翼和鸭式翼上的风扇运转，由于不需要传统的功率调节和控制硬件而减少了重量。霍尼韦尔公司在普通绕组磁场航空发电机的基础上研制兆瓦级发电机，这种重127千克的发电机具有机械和电转换特点，效率达98%。endprint

“雷擊”飞机的“铜鸟”试验台将对整个发电系统和全机三分之一的推进系统的分布控制装置进行地面试验。如果验证的技术将来转移到另一种飞机平台，则可以得到附加的功率。额外的功率储备能使发电系统产生3兆瓦电力，飞机飞行高度可达4600米。这种电力分布系统不需要减速器和复杂的传动轴。由于多风扇整合能自由安排各个螺旋桨的位置和对机翼附面层的吹除效应，可以提高飞机的气动效率，因而能提高飞机的悬停效率和高速巡航能力。

前景广阔

科技型企业家正在推进电动飞机设想，这可能导致VTOL飞机新时代的到来。最新的参与者是优步技术公司，它宣布将投资和推进“随意航空”（On-demand aviation）设想。优步的设想也是越来越多航空专家们的想法，即利用电动VTOL飞机作为出租飞机彻底改变大城市及周围地区的交通拥挤情况。

2016年10月27日，优步公司发表了97页题目为“优步提升：快速推进城市随意空中运输的未来”白皮书，这给予出租电动VTOL飞机研制热潮很大的促进。白皮书解释了优步公司为什么和如何建立一个小型垂直起落飞机网络，使城市与郊区间、最后在城市内的快速可靠运输成为可能。现在，特别是随着电推进、电池技术与电动机技术以及控制这种系统所需的计算机与电传操纵能力的发展，使这种方案很可能成为现实。优步公司希望营运能载运2～4名乘客的有人驾驶或无人驾驶电动VTOL飞机机队。

致力于VTOL电动推进方案用于随意空中机动市场的公司有法国空中客车集团公司 “硅谷前哨”A3子公司、谷歌创立者拉里·佩奇的Zee.Aero公司和小鹰公司，与NASA合作研究分布电推进方案的加利福尼亚州乔比飞机制造公司和在美国与其他地区的公司。

传统的垂直起落飞行公司诸如法国空中客车公司、美国极光飞行科学公司和莱昂纳多公司已制造了或正在研制全尺寸电动或油电混合动力VTOL验证机。而且，至少有十几家非传统的航空工业新公司也正在积极地探索这个新兴市场空间，如谷歌、优步和网络电话等公司。它们财大气粗，把部分财力投入电动VTOL飞机项目之中，来势汹汹。这使传统航空企业感受到不小的压力和危机。

空中客车集团公司执行总裁托马斯·恩德斯在2017年1月的一次讨论会上警告说：“如果我们忽视了这些研制工作，我们将被排挤出业务的重要部分。”空客公司除了硅谷的A3子公司外，在2016年还成立了城市空中机动分部，专门研究电动VTOL飞机的发展。

2016年3月，麦道直升机公司执行总裁林恩·蒂尔顿向旋翼机业界发出警告说：“我们生活在一个变化的世界之中，我们需要改变作为一个产业的我们的工作。我们不能舒服地躺在让我们比其他行业能行动迟缓和以较慢的步伐创新的高进入壁垒上。”

至今，电动VTOL飞机取得的进展确实令人印象深刻。垂直飞行工业界的命运将在今后10年中真正发生变化。技术团体必须欢迎这种改变，并充分利用这种改变所提供的机会。可能有一天，电动VTOL飞机由于通过采用新型推进与能源结构而出现的创新与革新的飞行方案使其普遍使用起来。

（编辑/栀子）endprint