NASA用电力推进和一大堆螺旋桨重塑机翼

我清楚地记得，在2013年12月一个清冷的日子，在公司位于圣克鲁斯山的总部，我和来自NASA的研究人员会面，计划对电动飞机的一种新型螺旋桨装置进行测试。我们乔比飞机制造公司（Joby Aviation）团队、NASA的研究人员，以及来自加州另一家小型企业的同行集思广益，不知不觉产生了一项雄心勃勃的计划，这是在会面开始前每个人都没有想到的。

我们放弃了缩尺模型的建造和测试，而是决定建造一个全尺寸机翼——大到足够带动一架四座飞机起飞。它将拥有十几个或更多个（而不是2个或4个）单独的电机和螺旋桨，沿着机翼前缘一字排开。我们将小型机翼装在一辆皮卡上进行测试。全尺寸的机翼还需要一些更加精细复杂的东西。这个项目要在1年内完成，预算少到足以让大多数公司掉头就跑。但我们决定全力以赴。

我们的新型装置基于一个古老的概念（被称为“吹气式机翼”），利用很多组沿着机翼前缘安装的发动机和螺旋桨，高速推动机翼上方的空气。通常情况下，气流的速度和飞机的移动速度大致相同；这就是为什么飞机需要在起飞前加速。但若利用很多螺旋桨高速推动机翼上方的空气，机翼的行进速度就会看起来比实际速度更快，能够提供更大的升力。

这是一个关键优势，因为有了更大的升力，就可以使用更小的机翼，但飞机需要非常长的跑道才能高速起飞和降落。飞行中的情况则不尽相同，飞机在快速飞行时，较小的机翼就可以提供必需的升力。在飞行阶段，大机翼是个劣势，因为阻力作用在整个机翼的面积上，降低了效率。

因此，大机翼还是小机翼？飞机设计师要如何选择呢？通常对起飞和着陆的考虑占据主导地位，因此飞行器最终还是配备了影响高效巡航的大机翼。大的机翼也意味着飞行器在遇到湍流时，会颠簸得更厉害。

吹气式机翼为这个难题提供了解决方案。在起飞和降落期间，以较高的速度吹动机翼上方的空气，这提供了额外的升力且没有牺牲巡航性能。虽然过去也开发过一些带有吹气式机翼的飞行器，但由于使用内燃机推进，因此限制了设计师的设计空间。他们不得不使用数目相对较少的大型螺旋桨，这些螺旋桨不太适合高速推进空气。

在翼展范围内分布大量的小型螺旋桨效率会更高，但在大部分航空史进程中，这种配置是不切实际的。

问题在于内燃机的效率和功率系数（功率输出和重量之比）随着它们的体积缩小而直线下降。因此使用大量小型内燃机会导致飞行器效率更低，质量更重。

此外，内燃机是相当复杂的怪物。将大量内燃机放在机翼上，将是维护的噩梦。确实，如果在机翼上安装大量内燃机，那么可以将传动轴和变速箱构成的系统连接到单台或者是少量发动机进行驱动，但这也会导致额外的维护问题，并被迫做出各种设计妥协。20世纪60年代法国宝玑飞机制造公司（Breguet Aviation）在其寿命短暂的941型飞机中就使用了吹气式机翼，这就是一个证明。

当然，电力推进的最新进展已经改变了这种情况。电机的尺寸缩小不会损失过多的效率或功率系数。并且它们极其简单，通常只有一个活动部件，所以它们几乎不需要维护。因此，大量使用小型电机并没有什么不利之处，而且这些小型电机可放置在过去庞大和笨重的内燃机无法安装的地方，比如飞行器的翼尖附近。

虽然电动机可以由内燃动力发电机驱动，但采用电池供电的飞行器收益更大。实际上，电池-电力推进的效率大约是传统内燃机传动系统的3倍。而且噪声很小，电力的成本远比航空燃料低，这种双管齐下的冲击——加上高效的传动系统，以及高效的小机翼机身——有望大幅降低运行成本，如果考虑到维护需求的减少，则更具优势。

那么，为什么不是所有的飞行器都用电池供电呢？当然因为电池还无法胜任这个任务。即使是当今最好的电池，其能量密度仍然很低，相对重量很大，严重制约了电动飞行器的发展。并且它们有时容易起火，有些评论员推测，这可能是今年5月匈牙利电动飞机坠毁事故的原因。但毫无疑问，电池技术将与时俱进。因此NASA、乔比飞机制造公司和很多其他公司都忙于探索各种电动飞行器的设计策略。重振吹气式机翼便是其中之一。

5年前，NASA的工程师开始考虑使用大量电动机创建吹气式机翼，后来该项目被命名为前缘异步螺旋桨技术（Leading Edge Asynchronous Propeller Technology ，LEAPTech），“异步”指螺旋桨并不总以相同的速度旋转。

乔比飞机制造公司是一家成立于2009年的初创企业，开发个人电动飞行器，已经和NASA开展了相关合作。当我和乔比飞机制造公司的同事了解到LEAPTech项目时，我们立刻抓住机会，参与其中。参与LEAPTech合作的还有试验系统航空航天公司（Empirical Systems Aerospace，ESAero），这也是一家小型公司，曾经与NASA合作研究如何应用电动推进改善飞行器性能。

NASA希望通过对机翼和螺旋桨进行实际测试来验证这个创意设计，一方面是因为相关的气动效应非常复杂，对它们进行计算流体力学（CFD）仿真可能不完全可靠。另一个问题是，在现实环境中，这种分布式推进系统可能过于复杂，无法可靠地运行。

NASA想要通过测试来验证电动驱动的前缘螺旋桨和小于正常尺寸的机翼能否产生足够的升力，使四座飞机以合理速度起飞。通常，这种测试将在风洞中进行。但租用这样一个风洞超出了NASA对该项目的微薄预算。此外，合适尺寸的风洞要排队等待很久。

因此我们决定把LEAPTech机翼原型装在高速驾驶的卡车上，来测试和分析它的起飞和降落性能。这种测试并非没有先例。最有名的大概是缩尺复合体（Scaled Composites）公司对太空船一号航天飞机尾部的类似测试，工程师开玩笑地把这种方法也称为CFD——创造性福特驾驶（Creative Ford Driving）的缩写。多年来，乔比飞机制造公司一直用一辆福特F-150闪电皮卡进行同类测试。

在2013年决定建造并测试全尺寸LEAPTech机翼的重要会议后不久，我们进行了分工。乔比飞机制造公司和NASA合作负责设计和制造机翼、发动机以及螺旋桨，并对用于测试的卡车进行改造。ESAero负责布线，配置所需的仪表和排除测试的故障。

NASA最初设计的特点是在机翼前缘配置10个用于起飞和降落的螺旋桨，还有两个单独的螺旋桨安装在翼尖上，用于起飞后为飞行器提供动力。将螺旋桨放在翼尖上可以抵消翼尖涡流，进而减少阻力。这也是一个老想法了，如果没有电力推进就很难实现。同前缘螺旋桨的情况一样，内燃机又大又重，无法放在翼尖上，在机翼上使用传动轴和齿轮箱来旋转翼尖处的螺旋桨，会带来工程上的麻烦。

经过几个月的分析，我们得到了一个机翼设计方案：在跨度约9米、面积约5平方米的机翼上，沿着翼展分布18个螺旋桨，每个螺旋桨直径约半米。这18台电动推进器的功率大约为225千瓦（300马力）。

虽然这种机翼仅用于地面测试，但我们在设计的时候还是考虑了一项具体的应用：一个基于Tecnam的P2006T四座双引擎螺旋桨飞行器的实验性飞行器。我们之所以选择P2006T是因为它的尺寸合适，也因为它有翼装式发动机（这意味着用电动机代替它们会很容易），还因为Tecnam的管理层听说这个项目后非常激动。

我们设想的实验性飞行器重约1400千克，起飞速度为61节（113公里/小时），巡航速度为174节（322公里/小时）。在飞机起飞以后，只使用翼尖螺旋桨，前缘螺旋桨只在起飞和降落时使用。因此我们这样设计：在除起降外的其余飞行过程中，前缘螺旋桨的叶片可以折叠到与短舱平齐，类似于某些现代电动滑翔机的折叠螺旋桨。但因为我们的测试仅限于起飞和降落的性能，因此测试机翼将不包括翼尖螺旋桨，也没有折叠装置。

这些规格使我们的设计与四座螺旋桨飞机的参数相近，但机翼更小。实际上，我们的机翼尺寸只有传统飞行器机翼的1/3。理论上它可以为正常速度的着陆和起飞提供足够的升力。我们的职责是检验这种设想与现实是否相符。

为此，我们购买了一辆彼得比尔特卡车——就是经常拖着拖车在高速公路上飞跑的那种卡车。为了最大限度地降低地面的气动效应，我们在卡车上搭建了支架，将机翼高高地固定在支架上。为了减少振动，我们用4个结实的安全气囊垫在机翼与卡车的连接处。虽然这种巨型机翼卡车看起来很奇怪，但它正是这项工作所需要的。

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在设计和建造工作完成后，我们开始进行测试。测试地点在NASA的一流试飞设施——位于加州莫哈维沙漠中爱德华兹空军基地的尼尔•A•阿姆斯特朗研究中心干涸的湖床上。1974年汤姆•沃尔夫（Tom Wolfe）的《太空英雄》一书以及1983年的同名电影，让这个场地闻名于世。这也是1947年查克•叶格（Chuck Yeager）首次突破音障的地方，还是航天飞机的初始着陆点。

我们小心翼翼地使用经过整饬的部分湖床，这是爱德华兹飞行测试项目的备用跑道。虽然不会离开地面，但我们依然必须像对待飞行器一样，对我们的非常规测试平台采取所有防范措施，以尽量减少对湖床的损坏并避免留下任何碎片，因为这些可能会对以后在这里进行紧急降落的飞行器造成损害。

确认所有的电池和电力电缆就绪，仪表系统可以记录数据以后，我们的测试开始：以约130公里/小时的速度驾驶卡车，卡车上的机翼以不同的角度倾斜，螺旋桨以不同的速度旋转。风洞可以提供精准控制的测试条件，而我们不得不基于测试车辆的地面速度和我们在干涸湖泊中放置的几个气象站测出的风速来估算空速。为了最大限度地降低误差和环境变化，我们在风最为平静的黎明开始测试。另外我们还不得不避开那些其他飞行器需要用跑道进行紧急降落的日子，比如说，如果遇上NASA测试其X-56A无人机和空军测试洛克希德马丁F-35闪电II战斗机，我们就需要等待很长时间。

在沙漠中度过两个月后，我们收集了足够的数据对计算机仿真进行全面复核。我们高兴地看到预期中的性能提升。实际测试表明，我们对产生升力的预测有点保守。我们的电动吹气式机翼确实可行！

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基于这些鼓舞人心的结果，NASA决定用一架新的实验飞行器进一步探索吹气式机翼概念。该飞行器与我们在LEAPTech项目中使用的一样，即Tecnam P2006T。它将被称为X-57麦克斯韦，是十多年以来NASA的首架试验飞机。

对于X-57，我们以多种方式进行了改造。举例来说，X-57将使用一种稍大的机翼。这种改变将为线路安装提供足够的内部空间，但更重要的动机是为了改善“悬停”（loiter）性能。虽然机翼增大，飞行给定距离所需的能量会增加，但在给定时间内在空中停留所需的能量是下降的。例如，当飞行器必须在机场上空盘旋等待天气好转后降落时，这一点就非常重要。

我们还决定将前缘螺旋桨的数量从18减到12，在简单与性能之间，这是更好的折中方案。另外，起飞速度稍稍降低至58节（107公里/小时），这更接近同类飞行器的速度。我们为“推进器”设计的两个翼尖螺旋桨，从机翼后面移到了机翼前面，当飞机机头上升时，可提供更大的降落离地间隙。

X-57麦克斯韦的建造现在正在进行。Tecnam P2006T原型机将分阶段进行改造。可能还有不到1年的时间，该飞机就可进行首次飞行，2个安装在机翼上的引擎将被2台电动机取代，无须改造机翼。下一阶段将把原来的机翼换成小机翼，为了提高效率，2台电动发动机向外侧移动到翼尖。（在这项改造后，飞机会需要更长的跑道进行起飞和降落。）在最后阶段，将沿着前缘增加12个更小的电动机，飞机可在传统跑道上起飞和降落，同时保持较小机翼获得的飞行效率。

X-57的飞行测试将帮助NASA的工程师评估该配置的性能和实用性。这些测试也有助于指导即将到来的下一代分布式电力推进的设计。我和乔比飞机制造公司的同事已经完成了一项将类似原理应用于11座客机的可行性研究。

翼尖螺旋桨和吹气式机翼并不是最近得益于电力推进技术而实用化的唯一策略。还有一个例子是，我和乔比飞机制造公司的同事正在开发一种五座电动飞行器，它使用倾斜螺旋桨进行垂直起飞，然后转变为正常的飞机飞行姿态，这比直升机巡航更快、更高效。

今天大多数飞机和直升机看起来和几十年前的机种非常相似，但正如这项工作所表明的，这即将改变。由于电力推进的灵活性，航空业在设计方面即将经历自喷气式发动机问世以来最伟大的复兴。做好准备吧，别忘了系好你的安全带。