美国国家航空航天局首架电动飞机X-57将迎来第一次飞行

2023-01-16 08:01

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NASA

美国国家航空航天局（NASA）设计的一架实验性、潜在革命性的全电动飞机即将进行首次试飞，这将标志着电池供电航空的一个重大里程碑。然而，该计划似乎注定无法实现其崇高目标，即利用电力推进的独特特性来改写现代飞机的设计规则。它的时间和资金都快用完了。

作为该机构传奇的X飞机计划的一部分，X-57 Maxwell的目标是同时应对航空航天工程中的两大挑战。它不仅旨在证明飞机可以完全由电力驱动，还计划证明从两个大型发动机切换到分布在机翼上的许多小型发动机（这种配置被称为“blown wing”），可以显著提高效率和性能。

计划是通过一系列越来越先进的测试车辆来证明这两种设想。然而，最终，第一个挑战的复杂性，加上新冠肺炎疫情造成的中断，使得时间线一再推迟。因此，该项目的负责人表示，或许资金不能够支持进入项目的后期阶段。

“It turned out to be actually a pretty tall order to work through all of those airworthiness, and qualification, and design challenges.”
—Sean Clarke, NASA

X-57的第一代飞机是一架经过改装的Tecnam P2006T轻型飞机，其燃气发动机已被电动马达取代，将于今年春季或夏季试飞。（截至1月初，NASA尚不清楚首航的确切时间。与Spectrum联系的NASA官员只能将时间范围缩小到“2023年上半年”。）这将是一项重大成就，使X-57成为少数几架能够起飞的电动飞机之一。但该团队表示，他们计划在今年年底前完成飞行测试，并将不再建造更先进的设计，以新颖的机翼配置和分布式推进为特色。

NASA Langley研究中心X-57项目副首席研究员Nick Borer表示：“我们试图做一件非常雄心勃勃的事情。新型机身和一个新的发动机这两个项目都是非常非常具有挑战性的工作。”该项目的最终目标是利用电力推进的优势，重新构想飞机机翼的设计。例如，在机翼被吹飞的情况下：前缘上的大量电机和支柱迫使空气以高速流过机翼，即使在低速下也能产生显著的升力。这使得从较短的跑道起飞成为可能，还可以缩小机翼的尺寸，减少阻力，提高巡航效率。

传统内燃机很难实现这种设计，因为它们相对较重，并且随着尺寸的缩小，效率越来越低。然而，电动机的情况并非如此，这意味着从几个大型电动机切换到沿机翼分布的许多小型电动机相对简单。

CARLA THOMAS/NASA

X-57的最终设计迭代在每个机翼的前部都有六个小型电动螺旋桨。机翼本身的尺寸只有传统P2006T机翼的40%。该设计还采用了安装在每个机翼尖端的两个更大的电机，这将通过抵消通常在每个机翼末端产生的涡流来进一步减少阻力。由于沿前缘的较小螺旋桨产生的高升力仅在起飞时需要，因此这些螺旋桨设计为在巡航高度折叠一次，以进一步减少阻力。

“The whole idea of an X-plane is to do something that has never been done before, and so I think it is just normal to expect that there is a learning curve.”
—Sergio Cecutta, SMG Consulting

Borer表示，这些空气动力学创新将使飞机在巡航时的功耗降低三分之一。他补充说，与汽油发动机相比，电动发动机的功率重量比效率也高出约三倍，因此，这些设计变化结合起来，预计在以约280公里/小时的巡航速度飞行时，能源需求将减少约五倍。

事实证明，改用电力推进比预想的要复杂得多。该团队不得不在2017年彻底重新设计电池组，以避免发生灾难性火灾的风险。Borer表示，电动航空所需的高电压和高功率水平也带来了严重的复杂性，需要对设计用于保护部件免受电磁干扰的系统进行多次迭代。

在项目早期，他们还发现，能够承受高功率水平的最先进晶体管无法承受飞行中的振动和温度。加利福尼亚州NASA Armstron飞行研究中心X-57项目的首席研究员Sean Clarke表示，最近才通过改用新一代碳化硅MOSFET模块解决了这一问题。他说：“事实证明，要克服所有这些适航性、资质和设计挑战，这实际上是一个相当艰巨的任务。”

这导致了延误，这意味着该项目更宏伟的目标可能无法实现，但Borer希望其他人能够从他们放弃的地方继续。他说，随着进展，团队一直在定期发布他们的发现和数据。他们还积极推动电动航空标准，并与监管机构合作，帮助制定飞机认证流程。“我们正在竭尽全力，”Borer说。

LAUREN HUGHES/NASA

这种信息共享已经取得成果。NASA位于加利福尼亚州的Empirical Systems Aerospace的主要分包商已经能够将X-57的电池组设计商业化，该机构与弗吉尼亚州的电动飞机设计师Electra签订了技术转让协议，该协议涉及团队共享其空气动力学创新的信息。NASA最初与Joby Aviation公司签订合同制造电动马达，该公司也开始研发自己的电动垂直起降（eVTOL）车辆，如今已成为该行业的领导者之一。

SMG Consulting公司创始人兼合伙人Sergio Cecutta表示，这是X-57这样的公共资助项目的美好之处。他表示，与私人开发项目不同，该项目的所有进展和经验教训都将在公共领域，并可以在整个行业传播。虽然Cecuta可能还没有实现其最宏伟的目标，但它表示，它已经完成了原定的任务，即消除阻碍电动航空的一些障碍。

他说：“X飞机的整个想法是做一些以前从未做过的事情，所以我认为有一条学习曲线是很正常的。最终，你想为该行业的成功奠定基础，我认为，从这个指标来看，X-57是一个成功的项目。”