空客“瓦哈那”演示验证计划详解(上)

穆作栋

“瓦哈那”演示验证计划历时4年的投入，实现了从需求到概念方案，再到全尺寸演示验证机的跨越，验证了电推进技术、倾转旋翼布局设计技术、自动驾驶模式的可行性。同时，加深理解城市空运的商业运营模式，

成果极为丰富。

电推进技术以高效率、低排放、低噪声的显著优势，催生了航空运输的全新范式，为应对全球城市化引起的地面及地下交通网络承运能力的不足，城市空运（Urban Air Mobility、UAM）已成为热门创新领域，

面对城市空运的广阔市场，空客A0创新中心于2016年初正式启动“瓦哈那”（Vahana）电动垂直起降（eVTOL）、自主飞行无人机演示验证计划;2019年11月，“瓦哈那”全尺寸验证机在美国俄勒冈州彭德尔顿基地完成第138次，也是最后一次飞行试验，标志着为期4年的演示验证计划圆满收官。

本文重点阐述“瓦哈那”演示验证计划的实施概况、無人机技术特点、主要成果及里程碑，以期对我国相关领域研究提供参考。

“瓦哈那”演示验证计划概况

2015年前后，城市空运市场开始逐渐受到业界关注。一方面城市化带来了空运市场需求;另一方面客观条件能支撑电动汽车、电动无人机、互联网等行业的快速发展，电池的安全性与能量密度开始满足城市空运的需求，低成本、高性能机载系统供应商涌现，机器视觉与人工智能技术为自主飞行、空中避障创造了可能，先进复合材料加工技术推动了小型飞行器生产。

在市场需求与技术创新的推动下，空客于2015年在美国硅谷建立了空客A³创新中心，旨在吸引人工智能、自主飞行、数据分析等先进技术领域的人才，推动技术创新。“瓦哈那”是空客A³创新中心的首批研究任务之一，于2015年被提上日程，项目团队共有100余名研究人员。通过融合电推进、机器视觉、人工智能等技术，实现了全电动的自主飞行及垂直起降能力。

“瓦哈那”演示验证计划于2016年初正式启动，首先经飞行器构型多学科技术优化研究确定了“瓦哈那”的构型，2017年完成全尺寸验证机的装配工作和数百次缩比样机的飞行测试;2018年1月31日，全尺寸验证机在美国俄勒冈州彭德尔顿无人机系统基地（PendletonUAS Range）以自动驾驶模式完成首飞，当时的飞行高度为5m;2019年5月3日，“瓦哈那”在第58次飞行测试中完成首次垂直起飞与前向飞行的完整姿态转换;2019年6月，“瓦哈那”在巴黎航展进行了展示;2019年11月14日完成第138次飞行测试，标志着该验证项目结束。在研究过程中，空客A0创新中心共制造了两架全尺寸验证机，型号分别为Alpha 1和Alpha 2。

结构布局及关键参数

“瓦哈那”最初的构型始于研究者在餐巾纸上随手画出的草图，随后研究者根据概念可行性以及技术成熟度不断调整。逐步形成最终构型。

“瓦哈那”是单人座舱无人机，采用倾转旋翼布局实现垂直起降与水平飞行两种姿态间的转换，该机机身前后部各安装4台电动机，每台功率45kW，总共由8台电动机提供升力与动力。“瓦哈那”验证机翼展6.25m，机高2.81m，重量726kg，巡航速度190km/h，续航时间20min。航程50km。采用全电推进的动力系统，机身后部配备有2组可装卸电池组，每组电池重136kg，容量为38kW·h，约占验证机重量的40%。

机载系统

“瓦哈那”的机舱空间仅供一名乘客使用，舱内正前方设置有一台高清屏幕，可显示验证机的飞行航线等信息。由于“瓦哈那”机上无人驾驶，因而没有设置飞行员的座舱。

“瓦哈那”的机载系统包括GPS、惯性导航单元、大气数据探测器等设备，可获取验证机的位置和姿态信息。感知和规避系统包括能够探测和追踪空中目标的雷达与相机，利用激光雷达扫描着陆区域的固定及移动障碍物。激光雷达和相机集成了近地自动化技术（Near Earlh Autonomy）公司“游隼”（Peregrine）传感器。

在俄勒冈州彭德尔顿基地开展的飞行测试中，验证机处于远程控制状态，依靠远程操控实现起飞降落等飞行测试。

验证机按预先设定的航线飞行，采用自动驾驶模式飞行，通过机身前部的机载智能传感器识别空中和地面的障碍物。飞行控制系统通过脉冲输入控制。具体而言，脉冲输入包括短程滚转、俯仰、偏航或推进等命令。技术人员在飞行测试期间，详细了解每个飞行阶段如何响应这些输入，这一过程非常重要。通过观察和分析验证机的反应，能够完善飞行控制系统的开发。“瓦哈那”飞控系统在垂直起降、悬停及水平飞行的姿态转换过程中发挥了关键作用。姿态转换时。验证机的飞行速度高达148～167km/h。

三项成果

（1）实现全电动垂直起降及飞行。

研究团队设计了全电动推进系统，包括电池、电动机、逆变器、高压配电系统和作动器，实现了倾转旋翼飞行。全尺寸验证机累计完成138次飞行试验，总计飞行900km，总飞行时间超过13h。此外，完成上千次缩比验证机的飞行试验。

（2）提升自主飞行能力。

深入研究自主飞行核心技术，包括实时监测与避障技术。研究团队开展了先进传感器设计，结合监测数据确定避障策略、开发控制律并最终形成控制软件。

基于“瓦哈那”的飞行测试，空客A创新中心进一步提出了单独的“寻路者”（Wayfinder）自主飞行研究计划。“寻路者”计划将开发通用自主飞行软件及硬件，推广应用于包含城市空运的飞行器和大型客机在内的各类飞行器。一方面基于计算机视觉等技术提升飞行器感知能力，另一方面基于机器学习等技术为飞行器提供决策与自主导航能力，通过数据驱动方法能够将飞行员的大量飞行经验应用到飞行控制系统。“寻路者”计划与空客开展的自主滑行、起飞和降落（ATTOL）研究，均为空客单人驾驶模式的大型商用飞机的研究框架组成部分。

（3）加深理解城市空运的商业运营模式。

相关研究评估了验证机性能对未来城市空运开展商业运营的可行性，推动空客战略决策实施。基于“瓦哈那”计划的经验，空客于2018年中期成立了城市空运部门。

主要里程碑

作为空客A。创新中心的首批项目之一，为期4年的“瓦哈那”演示验证计划可大致分为两个阶段，2016-2017年为第一阶段。主要开展研究团队组建、技术与经济可行性分析、方案设计和验证机加工装配等工作;2018-2019年为第二阶段，主要开展飞行试验。

第一阶段里程碑

（1）2016年9月，“瓦哈那”项目对外公开。

在项目对外公开时，研究团队已完成概念方案设计等多项重要研究工作。在空客A3创新中心建立了由侣名研究人员组成的“瓦哈那”項目组，完成技术和经济可行性研究。

研究团队确定了概念方案，并邀请来自业界及空客内部的专家审查方案。方案确定后，推进飞行器空气动力学设计和工业造型设计，制造出两架缩比验证机Omega 1和Omega2，并完成试飞。

开展关键分系统的设计和采购，同时确定全尺寸验证机加工制造的合作方。总之，2016年9月对外公开项目时，全尺寸验证机已进入机体结构制造与系统开发阶段。

（2）2017年2月，“木乌”地面试验台交付。

2017年伊始，研究团队注册了两架全尺寸验证机的尾号。分别为N301VX和N302VX，其中301和302表示对空客3X0系列飞机的继承，V表示“瓦哈那”项目，X表示验证机。

完成缩比验证机Omega 3的制造，完成闭环控制飞行，制造并测试应急机制单元，该单元在紧急情况下会断开强电系统并开启降落伞。

“木鸟”（Wooden bird）全尺寸地面试验台交付完成，类似于“铁鸟”，该试验台可供研究团队开展硬件布局设计和配电网络设计等工作。

（3）2017年9月，集成首架全尺寸验证机各系统。

2017年3月交付前机翼部件、变距风扇毂以及近地自主降落评估传感器，并完成训练规避系统模型的数据集。

2017年4月开展前机翼承载力试验，包括+38g和-1.5g的飞行条件试验，以及4g着陆条件试验，同月完成起落架初步设计审查和风扇转速500RPM测试，此时风扇达到最大转速的15%。系统方面，空客防务与空间公司启动电池组研发工作;研究团队基于大量数据训练了飞行控制系统的深度卷积神经网络算法。

2017年6月，完成颤振分析，结构设计具有较大的颤振余量;7月完成首架验证机集成装配机翼、用于悬停测试阶段的电机等部件;8月完成第二架验证机的机身测试与交付;9月全面完成首架全尺寸验证机的系统集成，包括集成航电、配电、作动器等全部设备。

（4）2017年12月，全尺寸验证机实现地面起动。

Alpha 1验证机被运送到彭德尔顿基地并重新装配，准备开展相关试验。研究团队开展了硬件在环飞行模拟测试。同时通过FAA进行安全审查，以获得试飞特殊适航证（Special AwarenessCertificate）oAIphal在地面进行通电测试，电机成功转动，标志系统正常运行。

第二阶段主要里程碑

（1）2018年1月，Alpha 1验证机完成首飞。

当地时间2018年1月31日上午8：52开启试飞，Alpha 1在彭德尔顿无人机基地顺利爬升到5m高度，悬停、起降全过程持续53秒。自此。Alpha 1验证机成功完成首次悬停飞行试验。整个首飞测试采用自动驾驶模式，未搭载乘客。

（2）2018年5月，更换电动机后再次完成飞行试验。

2018年2月1日。也就是Alpha 1完成约1min的首次悬停飞行试验后的次日，研究团队更换了它的电动机和控制器。

由于相关更改需重新获取FAA的试飞特殊适航证。因此，3个月之后才能继续开展飞行试验。2018年5月2日，更换了新电动机的Alpha 1重新开始飞行试验并完成试飞。

（3）2019年5月，完成首次完整姿态转换飞行试验。

2019年5月3日，Alpha 1验证机在彭德尔顿基地进行第58次飞行试验时，首次完成从悬停到前飞的姿态转换。

此次姿态转换飞行试验，Alpha 1首先垂直起飞A73m高度，随后前后机翼倾转，进入向前平飞状态。平飞一段距离后，倾转机翼减速到悬停状态并改变航向180°，再次转换到垂直降落姿态，回到起飞地点，最后再次转换到悬停状态并降落。试验中，验证机巡航速度达到167km/h。

据研究团队当时披露的数据，虽然全尺寸验证机飞行试验仅开展了58次，但缩比验证机的飞行试验次数已超过1200次。

（4）2019年11月，演示验证计划结束。

2019年11月14日，“瓦哈那”验证机在彭德尔顿基地完成了第138次，也是最后一次试飞，项目宣布结束。

空客已成立了城市空运部门，“瓦哈那”计划的研究成果能有效指导空客并行发展的“城市空中客车”（CityAirbus）演示验证计划的后续工作。同时，有力支撑空客在城市空运新兴市场的快速发展。