穆作栋 ¦ 战场电气化!美空军“敏捷至上”项现在飞走器方案分析

原标题:穆作栋 ¦ 战场电气化!美空军“敏捷至上”项现在飞走器方案分析

2020 年2月,美空军启动了名为“敏捷至上”(Agility Prime )的演示验证项现在,追求航空业新兴的电动垂直首降(eVTOL )技术在特栽作战、声援搜索、短距运输等军事义务行使的可走性,推动商用技术向军事周围转化。

电动垂直首降飞走器是现在商用航空周围的发展前沿领地,具有能量效果高、运营及维护成本矮、噪声幼等隐晦上风,在城市空运(UAM )等短距离运输行使场景下具有重大的发展潜力,已经吸引了全球商用市场的普及关注,获得了巨额资金投入。同时,这一新式飞走器的特征完善契相符特栽作战、声援搜索、短距运输等军事义务挑出的暗藏、机动、变通、矮成本、高郑重性、浅易环境首降能力等需求。在商用技术发展与军事义务需求的双重推动下,美空军快捷做出逆答,启动了“敏捷至上”项现在(详见穆作栋师长于2020 年3月17日在本号发外的专栏文章:“‘ 敏捷至上 ’!美空军推动电动垂直首降航空器行使于军事义务” ,点击题名可直接访问)。

在敏捷至上项现在中,美空军将飞走器研发流程及其有关融资走为均开释至工业界,转而主导测试做事,将当局资源和商业资本、技术高效融相符。此前美空军钻研实验室公开了同化电推进固定翼飞走器概念,此次敏捷至上项现在一连了对电动飞机技术的关注,将美空军有关钻研周围从大型固定翼飞机扩展至中幼型垂直首降飞走器,结相符多年以来美空军不息发展的多电飞机技术,表现了其多方位推进航空武器装备电气化的发展思路。

2 月敏捷至上项现在启动后,美空军积极推动项现在发展,开展了为期5 天的专题线上运动,在项现在初首方案基础上进一步拓宽了空军eVTOL飞走器的行使场景周围,并快速推动企业参与进程、授出相符同。

美空军启动“敏捷至上”( Agility Prime)项现在时发布的海报式徽标(美空军图片)

一、项现在概况

敏捷至上项现在旨在开展军方与企业(包括传统航空航天防务企业与幼企业)配相符,在联邦航空局(FAA )适航审定程序之前,经历军方先走测试,推动有关技术发展与行使。该项现在得到了美国交通部、军方等的高度关注和声援,2020年4月27日进走的线上运动中,包括美国交通部长赵幼兰、空军部长等在内的有关领导均出席运动并说话。

敏捷至上项现在中央是竞争性的演示验证运动,美空军经历演示相符同为参与方挑供资金和当局资源,声援其开展多栽环境条件、义务场景下的飞走器演示验证,进而基于参与方飞走测试外现,评估后续是否赋予采办相符同。

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在资金声援方面,美国当局和军方积极制定和推动有关产业政策,经历包括美空军中幼企业创新研发基金(SBIR )在内的多个渠道对其进走声援;在当局资源方面,参与者能够获得包括电磁作梗实验室、风洞、试飞空域、声学实验室等在内的基础设施资源。

2020 年2月项现在发布招标书,投标截止日期为2020年12月17日,现在标为验证有关技术的可走性及义务能力,并于投标截止日期前完善原型机试飞,从而评估军方先期采购试验的可走性,筛选出符正当航审定请求的参与者;2020年4月终至5月初开展了敏捷至上线上运动,针对项现在内容、技术需求、参与方等开展进一步介绍和商议;随后展望于2023年完善飞走器适航审定,2025岁首具备周围化行使的程度,实现大周围采购。军方为参与者挑供试飞空域和配套资源,添快技术成熟;同时军方行为启动用户,先走试用飞走器(暂不请求取证),但企业必须表明其适航审定计划。

现在,敏捷至上项现在已最先与参与方签定相符同,美国初创公司军刀飞机公司(Sabrewing )获得了金额325万美元的幼型企业创新钻研相符同。必要指出的是,国防部提出美国有关企业在考虑批准国外投资时主动申请外国投资委员会针对投资人和资金的审阅;同时,敏捷至上项现在固然批准国外企业参与,但竖立了有关新闻保密请求。

二、飞走器行使场景及技术需求

敏捷至上项现在将军用电动垂直首降飞走器命名为“适宜性保障飞走器”( ORB),答已足的技术请求主要包括以下5个方面:1)死板组织较传统垂直首降飞走器简化,从而降矮维护成本和周期;2)行使自立飞走技术,挑高坦然性、降矮人员操作需求;3)经济性,可批量生产行使;4)采用分布式电推进技术实现矮噪声;5)变通、敏捷,缩短对基础设施的倚赖。

响答的,飞走器答具备的技术要素包含:1 )采用分布式推进编制;2)采用电推进编制;3)有人驾驶,或遥控驾驶,或自立飞走;4)垂直首降;5)具备悬停能力;6)可具备升力形式;7)模块化设计。

在项现在启动阶段,美空军挑出了其关注的典型行使场景,随后在线上运动阶段,美空军进一步扩大了其有趣周围(Area of Interest ),将行使场景拓展为3类,场景与响答技术指标需求别离为:

1 )第一类行使场景(大型载人)

该类场景是项现在启动阶段挑出的最初行使场景。有效商用载荷3-8 人;采用全电推进或同化电推进;航程大于161km;飞走速度大于161km/h;航时超过60分钟。

2 )第二类行使场景(幼型载人)

有效商用载荷1-2 人,或一致重量的货物;采用全电推进或同化电推进;航程大于16km;飞走速度大于72km/h;航时超过15mins。

3 )第三类行使场景(载货)

有效商用载荷大于230kg ;最大首飞重量大于600kg;采用全电推进或同化电推进;航程大于322km;飞走速度大于161km/h;航时超过100分钟。

相较于商用周围的电动垂直首降飞走器,敏捷至上挑出的技术请求有肯定不同性。对于上述第一类行使场景,敏捷至上挑出的技术指标要高于现有的典型商用技术指标,例如贝尔公司于今年1 月挑出的Nexus 4EX商用飞走器方案航程为95km,同期当代公司S-A1方案航程同样约100km,这一航程能够已足典型的商用城市空运需求,但不及已足军事义务需求;第二类和第三类飞走器在商用周围的行使场景尚未凸显,所以未得到普及关注。此外,军事义务的环境条件与城市存在隐晦不同,必要考虑结冰防护等多栽环境限制题目。美空军外示,采购的飞走器型号不会是军用定制的,而是与商用市场版原形通的型号。

现在已有多家企业积极参与敏捷至上项现在现在阶段的演示验证,本文对各方案进走梳理如下。

三、第一类行使场景方案

该类飞走器与现有商用技术发展倾向较为契相符,所以参与方的飞走器方案研发挺进与项现在进程较快。在这一行使场景,现在乔比飞机公司(Joby Aviation )、贝塔技术公司(BETA Technology)与升迁飞机公司(LIFT)均已完善原型机试飞,皮亚塞茨基飞机公司(Piasecki)也在敏捷至上线上运动中展现了其概念方案。

2020 年5月29日,美空军宣布乔比飞机公司与贝塔技术公司顺手进入敏捷至上项现在第三阶段。在第一阶段中,企业向美空军挑交解决方案摘要;第二阶段美空军对解决方案摘要进走评估,主要关注包括商业可走性、运营实用性、技术成熟度、适航认证手段、时间外等在内的因素;第三阶段企业将可获得有关资源的权限,并能够进一步获得原型机其他营业相符同(Other Transaction for Prototype )。本文对乔比飞机公司S4飞走器与贝塔技术公司阿丽亚(Alia)飞走器进走介绍。

3.1 乔比飞机公司S4飞走器

在敏捷至上项现在最初启动时,S4 就被业界认为是最契相符项现在请求的飞走器。S4采用全电推进编制和倾转旋翼构型,共6个旋翼,在两侧翼尖、中段和尾翼各竖立1台电机,巡航速度320km/h,航程240km。

倾转旋翼构型能够在确保卓异垂直首降性能的前挑下挑高平飞效果,从而兼顾垂直首降能力与巡航经济性,相较于旋翼构型能够大幅升迁航程。倾转旋翼技术的研发与行使已有数十年历史,V-22 等型号已经在特栽作战等场景下获得了普及行使,但采用传统动力编制的倾转旋翼机,其发动机功率输出机构与旋翼之间必要极为复杂的死板传动组件,隐晦增补了平台复杂性和重量,对郑重性带来了肯定影响。电推进编制的行使有效规避了上述风险,电机可直接安放于倾转翼组件处,经历线缆传输电能驱动电机,无需动力传动组件,大幅降矮了死板组织的复杂度,其维护特性能够得到保证。

电推进编制为倾转旋翼构型带来了汜博的发展空间,现在多家eVTOL 飞走器制造商选择了这一构型,除了本文挑到的乔比公司,还有多家城市空运头部企业的方案,如空客公司A3创新中央的Vahana验证机(可参考航空工业发展中央“民机战略不悦目察”公多号系列文章《空客Vahana演示验证计划详解》)、贝尔公司Nexus 4E全电推进飞走器和Nexus 6H同化电推进飞走器、当代汽车公司S-A1飞走器、百相符公Lilum飞走器等。

S4 为代外的倾转旋翼飞走器也面临隐晦的技术难得,外汇其中央在于限制率复杂。原由飞走器必要在垂直首降和平飞两栽模态间转换、且采用一套动力编制,为了保证转换过程的坦然和安详,必要设计响答的限制率。此外,飞走器气动外形必要兼顾垂直首降、平飞与转换等过程的请求。经过无人机等周围多年的追求,现在走业内有肯定的技术沉淀,有力撑持了现在的飞走器研发。

乔比飞机公司创建于2009 年,成立之初开展了大量飞走器构型评估做事,并于2014年确定了飞走器构型方案、启动验证机制造与测试做事。2017年该公司最先原型机测试做事,并追求联邦航空局认证。2019年,该公司获得了5.9亿美元融资(其中丰田公司投资3.94亿美元),成为现在该走业内获得融资最多的企业。2019年12月20日,该公司与优步签定制定,成为优步Elevate城市空运项方针第七个飞走器配相符友人。

乔比S4 电动垂直首降飞走器

3.2 贝塔技术公司阿丽亚飞走器

行为与乔比飞机公司S4 飞走器共同进入敏捷至上第三阶段的方案,阿丽亚飞走器则姗姗来迟,直至2020年6月12才正式公开。据媒体挑供的原料,该飞走器质量高达2.7t,其弧形机翼长15m,是现在全球最大的eVTOL飞走器。现在,阿丽亚的航程等技术参数尚未公开,其设计航程为400km。

阿丽亚飞走器采用了另一栽eVTOL 飞走器常见的构型,即固定翼与旋翼的同化构型,在两侧机翼中部的前后方各竖立一个定距螺旋桨,挑供垂直首降所需升力,机身尾部竖立一个推进螺旋桨,挑供平飞巡航阶段的推力。在平飞巡航阶段,机翼位置的4个螺旋桨将停转并固定在最幼阻力位置,从而降矮平飞阶段的阻力,这一设计相通NASA X-57分布式电推进验证机,后者机翼前缘的高升力旋翼在平飞阶段也会停转,并收纳进保形设计的短舱。

同化构型在兼顾了多旋翼飞走器的垂直首降性能与固定翼飞走器的平飞高效特性,相较于倾转旋翼构型,同化构型组织浅易、无倾转部件。其弱点也很隐晦,固定翼与旋翼组织并存实际是一栽迁就,两者会互相影响,一方面组织质量大,另一方面效果受限,在垂直首降阶段,大面积的机翼会添大首降阻力,在平飞阶段,旋翼会添大阻力。阿丽亚在平飞阶段停转螺旋桨并固定位置就是均衡这栽影响的一栽措施。

现在在城市空运周围同样有多家企业选择了同化构型方案,包括后文将挑及的艾罗伊公司(Elroy Air )与巴航X公司(Embraer X)配相符研制的礼拜堂(Chaparral)飞走器、波音极光科技公司PAV、电动飞机走业翘楚蝙蝠飞机公司801、巴航X公司造梦者(DreamMaker)以及吾国吉利公司TF-2A飞走器。

贝塔技术公司来自美国,该公司于2019 年1月公开了其eVTOL验证机AVA XC,质量高达1.8吨,是那时全球最大的eVTOL飞走器,随后空客公司的城市空客(CityAirbus)飞走器以2.5吨质量跃居榜首,本次阿丽亚的公开使得贝塔技术公司逆超空客。值得仔细的是在验证机阶段AVA XC采用了倾转旋翼构型,机翼前后四个位置各竖立一对电机、共8个电机,而阿丽亚飞走器则选取了同化构型、竖立4个升力电机。

贝塔技术公司阿丽亚飞走器

四、第二类行使场景方案

该类飞走器关注轻载荷、短距离的浅易运输义务,参与方的典型飞走器是飞特公司(Flyt )研发的红色蜂鸟(Red Hummingbird)轻型电动垂直首降飞走器。红色蜂鸟采用4个涵道风扇挑供升力和动力,商载113kg,续航时间20-30mins。现在红色蜂鸟已完善全尺寸验证机无人试飞,计划于疫情终结后开展载人试飞测试。

红色蜂鸟行使了浅易的多旋翼构型,采用涵道风扇,一方面降矮翼尖导致的噪声和阻力、挑高效果,另一方面也能降矮旋翼故障对乘员的风险。此类飞走器的技术难度较矮,但其中央题目在于坦然性,乘员与旋翼间匮乏郑重的珍惜组织,在发生故障或事故时,旋翼极易对乘员造成主要迫害。

Flyt 红色蜂鸟轻型垂直首降飞走器

五、第三类行使场景方案

该类飞走器关注大载荷、远距离货物运输需求。军刀公司在敏捷至上线上运动中展现了雷戈-A (Rhaegal-A,没错就是《权力的游玩》中丹妮莉丝那3条龙中的雷戈)货运电动垂直首降无人飞走器概念,获得敏捷至上项现在首批相符同。艾罗伊公司(Elroy Air)与巴航X公司(Embraer X)配相符研制的礼拜堂(Chaparral)同化电推进飞走器也添入了敏捷至上第三类行使场景。

5.1 军刀飞机公司雷戈-A飞走器

不同于上述两类行使场景的全电推进飞走器,雷戈-A 采用同化电推进编制,能够挑供更大航程。在动力装配方面,该机兼具传统升力形式与倾转涵道风扇,可实现垂直首降与通例首降;其载荷为1225kg(垂直首降)/2268kg(通例首降),速度可达到370km/h。雷戈-A采用模块化设计,所以具备卓异的维护性。行使了基于人造智能的场景识别编制,并且设计了基于多栽传感器的探测避障编制。

雷戈-A 的特点是采用同化电推进编制,这一技术清淡面向大航程义务,是异日支线/干线电动飞机的发展倾向,在城市空运周围鲜有展现。同化电推进技术照样必要基于燃料的内燃机,这也是保证其能量密度的中央。不同于传统动力编制,同化电推进编制经历电池组行为蓄能装配实现能量输出的“削峰填谷”,保证发动机首终处于卓异、高效的做事状态,这一思路也是航空装备能量编制周围近年来极为偏重的能量优化手段。但原由同化电推进编制的复杂性,初创企业鲜有涉足,有关企业多为传统航空、动力制造商。面向异日干线飞机的大型同化电推进飞机尚处于概念钻研阶段,支线同化电推进飞机处于演示验证阶段,典型代外是UTC公司的801计划,而此前该周围的明星——空客和罗罗配相符的E-FAN X演示验证计划已于2020年4月宣告终止。在eVTOL周围,同化电推进技术也是几家喜悦几家愁,2018年率先辈入联邦航空局型号适航审定阶段的SureFly公司面临主要经济逆境,贝尔公司的Nexus 6H曾是优步Elevate计划中唯一的同化电推进方案,但该公司在重新评估城市空运需求后也于2020岁首重新挑出了Nexus 4E全电推进方案,XTI公司TriFan 600同化电推进飞机于2019年中完善了65%缩比验证机的试飞。

同化电推进技术在异日发展中极具前景,但其复杂性将无数匮乏积淀的初创公司挡在门外,甚至在美国国防高级钻研计划局(DARPA )的“垂直首降实验飞机”(VTOL X)项现在中,极富动力编制研制经验的霍尼韦尔公司都面临了主要的编制炎管理题目、导致项现在终止。现在罗罗、UTC等巨头不息推进有关技术发展。

雷戈-A 货运飞走器

5.2 艾罗伊公司与巴航X公司礼拜堂飞走器

礼拜堂飞走器由美国初创企业艾罗伊公司研发,2020 岁首,巴航X公司最先参与其研发过程。礼拜堂飞走器同样采用同化电推进编制,其有效载荷为100-225kg,航程500km,其特征为采用吊装式可拆卸货运吊舱,能够实现高效的货物运送。礼拜堂飞走器的构型设计与贝塔技术公司阿丽亚飞走器相通,采用固定翼与旋翼的同化构型,其特征见上文介绍。

艾罗伊公司与巴航X 公司礼拜堂飞走器

六、总结

面对快速发展城市空运走业,美国从当局到工业界各层面高度关注走业的有序、健康发展。敏捷至上项现在整相符了当局资源和业界力量,旨在推动有关技术发展与军事行使,形成竞争上风。

从军方角度来望,原由有关技术具有高度军民融相符的特征,民用电动飞机有关技术可快捷行使于军用航空周围。美军期待经历敏捷至上打通国防采办与产业界的通道,军方挑供当局资源,借助业界的创新能力升迁美军能力。与业界的亲昵配相符也能够拓宽军方的采办渠道。

穆作栋师长此前已为《空天防务不悦目察》挑供5篇专栏文章,如下所列:

(中国航空工业发展钻研中央穆作栋)

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