美國(guó)航空航天局（NASA）的X系列試驗(yàn)飛機(jī)曾經(jīng)創(chuàng)造了航空史上一系列里程碑。例如，1947年首飛的X-1是歷史上第一架超音速飛機(jī)。近期，NASA又宣布了其最新的X系列飛機(jī)計(jì)劃——X-57，這是時(shí)隔十幾年，繼X-43飛機(jī)后首款由NASA獨(dú)立研發(fā)的X系列飛機(jī)。
此次公開(kāi)的編號(hào)為X-57的最新試驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)，NASA將其命名為“麥克斯韋”，以紀(jì)念蘇格蘭著名物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋。據(jù)悉，這款試驗(yàn)機(jī)將被用于測(cè)試最新的電推進(jìn)技術(shù)。
X系列飛機(jī)
為了探索航空航天業(yè)的未知領(lǐng)域，NASA在半個(gè)多世紀(jì)前就開(kāi)始了X系列試驗(yàn)飛行器的研究工作。之所以起名X系列，是因?yàn)閄是“Experimental”這個(gè)單詞的縮寫(xiě)，即“試驗(yàn)”之意，同時(shí)也蘊(yùn)涵著對(duì)未知領(lǐng)域探索的深層含義。
在飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，未知的技術(shù)障礙與難題比比皆是，即使是通過(guò)風(fēng)洞、模擬器和計(jì)算機(jī)仿真，也只能構(gòu)建出一個(gè)理想狀態(tài)下的模型，具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)仍需要研制專門(mén)用途的試驗(yàn)機(jī)來(lái)獲得。
1945年初，世界上第一架火箭動(dòng)力試驗(yàn)機(jī)XS-1（后來(lái)命名為X-1）在美國(guó)軍方的資助下首飛成功。此后30年中，以X冠名的試驗(yàn)飛行器幾乎每年都要研制一種，其研制速度快得驚人，這段時(shí)間成為X系列試驗(yàn)飛行器發(fā)展的黃金時(shí)期。
但好景不長(zhǎng)，越南戰(zhàn)場(chǎng)上的節(jié)節(jié)退敗和蘇聯(lián)全球范圍內(nèi)的戰(zhàn)略緊逼，使得美國(guó)開(kāi)始進(jìn)入戰(zhàn)略調(diào)整階段。在這種大環(huán)境下，X系列試驗(yàn)飛行器的研制也陷入了停頓。從1971年至1983年，NASA沒(méi)有進(jìn)行任何一款X試驗(yàn)機(jī)的研制工作。
里根上臺(tái)后，沉寂多年的X系列試驗(yàn)飛行器計(jì)劃終于迎來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)。1984年，X-29A前掠翼試驗(yàn)機(jī)成功首飛，重新拉響了美國(guó)向未知航空航天領(lǐng)域前進(jìn)的號(hào)角。20世紀(jì)90年代，先后有14種X系列試驗(yàn)飛行器投入研制，X系列試驗(yàn)飛行器計(jì)劃迎來(lái)了第二個(gè)黃金時(shí)代。
今天，X系列試驗(yàn)飛行器已經(jīng)不再單純以“更高、更快”作為其發(fā)展目標(biāo)了，跨大氣層飛行器、太空營(yíng)救系統(tǒng)、無(wú)人隱形武器投送平臺(tái)等成為新的發(fā)展亮點(diǎn)。
而在民用航空領(lǐng)域，NASA將分布式電推進(jìn)系統(tǒng)視為未來(lái)航空器的一個(gè)發(fā)展方向，認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)在短途個(gè)人飛機(jī)、通勤飛機(jī)以及支線飛機(jī)上都有很好的應(yīng)用前景。
為此，NASA批準(zhǔn)了一項(xiàng)為期３年、總金額1500萬(wàn)美元的項(xiàng)目，對(duì)分布式電推進(jìn)X驗(yàn)證機(jī)開(kāi)展試飛工作。該驗(yàn)證機(jī)基于輕型通用飛機(jī)，一旦證明技術(shù)可行，NASA將在一型9座通勤飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，為在60?90座級(jí)混合電推進(jìn)支線飛機(jī)上應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
14臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)
NASA此次公開(kāi)的X-57試驗(yàn)機(jī)是在意大利飛機(jī)制造商Tecnam公司的P2006T輕型活塞雙發(fā)飛機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的。飛機(jī)上原來(lái)的機(jī)翼和兩臺(tái)汽油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)被安裝了14臺(tái)電動(dòng)機(jī)的細(xì)長(zhǎng)機(jī)翼所取代。其中，位于機(jī)翼前緣的12臺(tái)較小的電動(dòng)機(jī)用于巡航飛行。
NASA的研究人員希望，這種通過(guò)向一架飛機(jī)上多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)配送電力的方式可以將飛機(jī)能耗降低80%，將運(yùn)營(yíng)成本降低40%。由于X-57試驗(yàn)機(jī)僅由電池驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有碳排放的問(wèn)題，因此還將驗(yàn)證取代通用航空領(lǐng)域仍在使用的含鉛燃油的可能性。
目前，X-57飛機(jī)第一階段的研制工作已經(jīng)完成。下一步，NASA計(jì)劃在2017年開(kāi)始飛行試驗(yàn)，首要目標(biāo)是驗(yàn)證飛機(jī)在巡航狀態(tài)下能否將所需能量降低5倍左右。能量的節(jié)省可能來(lái)自兩方面：第一，碳?xì)淙剂系娜紵蕪?8%提高到電推進(jìn)系統(tǒng)的92%，這一因素貢獻(xiàn)了2.9?3.3倍的能量節(jié)省；第二，其余的能量節(jié)省則來(lái)自于氣動(dòng)集成收益。
氣動(dòng)集成收益來(lái)自于減小的機(jī)翼。目前的通用飛機(jī)由于需要滿足61節(jié)（112.97公里/小時(shí)）的失速速度要求，機(jī)翼比較大。而前緣分布式電推進(jìn)螺旋槳會(huì)產(chǎn)生一個(gè)55節(jié)（101.86公里/小時(shí)）的機(jī)翼誘導(dǎo)速度，提高機(jī)翼升力，因此機(jī)翼可以更小，這對(duì)于減重、減阻大有裨益。
另外，前緣高升力槳葉可以在巡航狀態(tài)時(shí)停止運(yùn)轉(zhuǎn)并折疊，以降低阻力。此時(shí)，僅有翼尖槳葉在工作，并從翼尖渦中獲取能量。NASA在上世紀(jì)80年代開(kāi)展的風(fēng)洞試驗(yàn)以及最近的計(jì)算流體力學(xué)分析結(jié)果表明，這項(xiàng)技術(shù)可以提高9%?15%的推進(jìn)效率。對(duì)于更大、更快的渦槳支線飛機(jī)，則可將推進(jìn)效率提高20%。
除了推進(jìn)效率的提升，NASA預(yù)計(jì)采用前緣分布式電推進(jìn)技術(shù)的飛行器總運(yùn)營(yíng)成本可降低30%。這一方面是由于氣動(dòng)集成收益，另一方面是相對(duì)于航空燃油，電力成本要低得多。目前，電力成本僅為汽車汽油成本的一半，汽車汽油成本為航空燃油成本的一半，而航空燃油成本占據(jù)了通用航空運(yùn)營(yíng)成本的一半。
目前，一般電池的壽命要求應(yīng)達(dá)到2000次充電循環(huán)。對(duì)于小型客機(jī)定期運(yùn)營(yíng)商，如與NASA緊密合作的Cape Air公司，這相當(dāng)于每?jī)赡旮鼡Q一次電池組。
當(dāng)電池能量密度達(dá)到400?500瓦·時(shí)/公斤時(shí)，電力推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)于航空業(yè)來(lái)說(shuō)將變得經(jīng)濟(jì)可行。NASA的X驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃在電池組能量密度約200瓦·時(shí)/公斤的情況下飛行，能夠飛行322公里。如果超出這一距離，就需要更高能量密度的電池組，或進(jìn)行空中充電。
除推進(jìn)效率提升、運(yùn)營(yíng)成本降低外，NASA預(yù)測(cè)新型飛行器的噪聲相比當(dāng)前螺旋槳驅(qū)動(dòng)的通用飛機(jī)可降低15分貝。西銳公司SR22輕型飛機(jī)的槳葉葉尖速度為274.3米/秒，X-57驗(yàn)證機(jī)上的高升力槳葉的葉尖速度僅為122?152.4米/秒。另外，還可通過(guò)每一組槳葉在略微不同的轉(zhuǎn)速下工作來(lái)進(jìn)一步降低噪聲。
NASA宣稱，前緣分布式電推進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)還包括較高的推進(jìn)系統(tǒng)冗余度（能夠承受任何單個(gè)推進(jìn)器故障）以及基于推力增強(qiáng)的魯棒性飛行控制。電動(dòng)機(jī)在30?60秒內(nèi)能夠產(chǎn)生超過(guò)50%的動(dòng)力，以抵消槳葉或其他電動(dòng)機(jī)的損失，也可以通過(guò)提升流過(guò)機(jī)翼的氣流速度來(lái)避免失速。
未來(lái)發(fā)展規(guī)劃
未來(lái)，根據(jù)計(jì)劃NASA還將替換P2006T飛機(jī)的機(jī)翼和發(fā)動(dòng)機(jī)，但保留機(jī)身和尾翼不受影響。在第一階段，NASA將采集P2006T飛機(jī)的飛行數(shù)據(jù)，以建立直接與X飛機(jī)比較的基線性能。第二階段，在研發(fā)新型機(jī)翼的同時(shí)，原有飛機(jī)機(jī)翼的翼尖將安裝巡航電動(dòng)機(jī)和槳葉，取代P2006T的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，并開(kāi)展飛行試驗(yàn)來(lái)檢查電池組、電動(dòng)機(jī)和控制系統(tǒng)。第三階段將包括翼尖采用電動(dòng)機(jī)以及前緣采用短艙的分布式電推進(jìn)機(jī)翼飛行試驗(yàn)。第四階段將進(jìn)行包括前緣分布式電動(dòng)機(jī)和折疊槳葉構(gòu)型的飛行試驗(yàn)。
NASA的另一個(gè)目標(biāo)是幫助建立分布式混合電推進(jìn)飛機(jī)的取證標(biāo)準(zhǔn)。NASA正與一些標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)機(jī)構(gòu)，如ASTM國(guó)際等開(kāi)展合作，以推進(jìn)新的能同時(shí)用于電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)和通用飛機(jī)取證的一致標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)計(jì)劃，X飛機(jī)將向FAA提出虛擬取證申請(qǐng)，從而了解電動(dòng)飛機(jī)取證可能面臨的問(wèn)題，這將有助于引領(lǐng)規(guī)則的制定。
在NASA的長(zhǎng)期規(guī)劃中，X-57飛機(jī)僅僅是在更大的主流商用飛機(jī)上使用電力推進(jìn)系統(tǒng)的第一步。NASA技術(shù)路線圖的下一步是9座短距通勤飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)，預(yù)計(jì)在2021年首飛，并作為2026年首飛的混合電推進(jìn)支線飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)的縮比原型機(jī)。
其他可能應(yīng)用到未來(lái)分布式電推進(jìn)飛機(jī)的技術(shù)還包括：低阻大展弦比機(jī)翼和機(jī)身邊界層抽吸技術(shù)、穩(wěn)健的冗余電力結(jié)構(gòu)以及混合增程的輔助動(dòng)力裝置等。NASA正計(jì)劃將這些技術(shù)引入到早期的選用市場(chǎng)，在對(duì)這些技術(shù)完成驗(yàn)證后，將逐步應(yīng)用到更大的民用飛機(jī)市場(chǎng)。（文/齊�。�
