在2020年美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)科技大會(huì)（AIAASciTech Forum and Exposition）上，美空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）展示了一款分布式混合電推進(jìn)飛機(jī)概念模型。目前，尚未查詢到該概念的運(yùn)行場(chǎng)景和參數(shù)等信息，但這標(biāo)志著繼NASA和美國(guó)能源部向電動(dòng)飛機(jī)領(lǐng)域投資后，美空軍也開始進(jìn)一步布局電動(dòng)飛機(jī)研發(fā)。

一、電推進(jìn)技術(shù)成為AIAA科技大會(huì)焦點(diǎn)，AFRL發(fā)布混合電推進(jìn)概念

本屆AIAA科技大會(huì)于1月6日至1月10日在美國(guó)奧蘭多舉辦，電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)是本屆大會(huì)的重要議題之一，5天的主題論壇中有2天是圍繞電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)展開的。在大會(huì)首日上午，來(lái)自波音、普惠、NASA蘭利研究中心、FAA等機(jī)構(gòu)的專家主持了名為“實(shí)現(xiàn)可持續(xù)航空”（Achieving Sustainable Aviation）的主題論壇；1月9日上午，來(lái)自波音極光、麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)、NASA等機(jī)構(gòu)的專家住持了“航空業(yè)下一挑戰(zhàn)：全球環(huán)境變化”（The Next Challenge for Aerospace： Global Climate Change）的主題論壇；此外，還設(shè)置了以電動(dòng)城市空運(yùn)為主題的展覽。

本屆AIAA科技大會(huì)上，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室在其展區(qū)展示了一款構(gòu)型與傳統(tǒng)飛機(jī)有顯著區(qū)別的飛機(jī)概念模型，下圖為本文作者在Twitter上（來(lái)自《航空周刊》高級(jí)編輯蓋伊和ESAero公司）找到的現(xiàn)場(chǎng)圖。這一概念采用分布式電推進(jìn)布局，駕駛艙上方設(shè)置有鴨翼，同時(shí)采用無(wú)尾布局。機(jī)翼分段，內(nèi)側(cè)為平直盒狀翼，分隔為7組涵道，采用分布式電推進(jìn)系統(tǒng)提供動(dòng)力；機(jī)翼外側(cè)為常規(guī)后掠翼。

根據(jù)NASA此前公布的類似概念方案推測(cè)，內(nèi)、外翼連接處結(jié)構(gòu)可容納內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，為推進(jìn)系統(tǒng)提供電力。考慮到混合電推進(jìn)技術(shù)能夠有效提高能量效率、降低噪聲，因此可推測(cè)該飛機(jī)概念作為運(yùn)輸機(jī)可獲得良好收益，一方面保證較大航程，另一方面降低在戰(zhàn)場(chǎng)上的噪聲特征。

AFRL混合電推進(jìn)概念（圖片來(lái)源：Twitter ESAero）

AFRL混合電推進(jìn)概念細(xì)節(jié)（圖片來(lái)源：Twitter蓋伊）

二、民用電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)向軍用領(lǐng)域的移植

本次AFRL發(fā)布的概念模型采用了獨(dú)特的分布式推進(jìn)分段機(jī)翼構(gòu)型，這一設(shè)計(jì)體現(xiàn)了電推進(jìn)系統(tǒng)的一大優(yōu)勢(shì)，由于電機(jī)具有功率密度－尺寸相對(duì)無(wú)關(guān)性，因而可采用多臺(tái)分布式電機(jī)提供飛機(jī)所需推力，為飛機(jī)構(gòu)型設(shè)計(jì)帶來(lái)極大靈活性。

分布式推進(jìn)分段機(jī)翼首次出現(xiàn)在NASA與ESAero公司合作推出的ECO－150分布式渦輪電推進(jìn)客機(jī)概念中，如下圖所示。AFRL此次概念模型的機(jī)翼與ECO－150極為類似，考慮到AFRL通過小型企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）等渠道向ESAero公司提供了支持，可以推測(cè)兩者在技術(shù)上存在關(guān)聯(lián)性。

ECO－150概念（圖片來(lái)源：NASA格倫研究中心）

NASA于2015年提出了電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展路線圖，在大型亞聲速飛機(jī)、小型垂直起降飛機(jī)（載客1人以上）、小型短距垂直起降飛機(jī)（載客4人以上）等三條技術(shù)路線同步推進(jìn)電推進(jìn)飛機(jī)研究。在大型亞聲速飛機(jī)領(lǐng)域，NASA與工業(yè)界緊密合作、在混合電推進(jìn)方向開展了大量概念方案研究工作，如SUGAR（亞音速超綠色飛機(jī)研究）Freeze桁架支撐翼概念、STARC－ABL邊界層吸入渦輪電概念、N3－X超導(dǎo)分布式渦輪電推進(jìn)概念以及ECO－150分段翼分布式電推進(jìn)概念。

ECO－150分段翼分布式電推進(jìn)概念由ESAero公司（Empirical Systems Aerospace）開發(fā)，獲得了AFRL小型企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）渠道2期項(xiàng)目的支持。SBIR計(jì)劃基于空軍未來(lái)需求牽引，秉承“面向任務(wù)”的導(dǎo)向，相關(guān)內(nèi)容限定在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究范疇。

ECO－150及其推進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)（圖片來(lái)源：NASA格倫研究中心）

ECO－150及上文提到的其他多個(gè)概念方案研究原本是面向NASA提出的未來(lái)大型亞音速電動(dòng)飛機(jī)開展的，旨在通過混合電推進(jìn)和新型飛機(jī)構(gòu)型技術(shù)的結(jié)合，發(fā)展新型高效、低排放民用客機(jī)。AFRL借鑒了相關(guān)研究成果，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)從民用向軍用的移植。

三、美國(guó)對(duì)軍用電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)的關(guān)注

AFRL此次推出的混合電推進(jìn)概念并非美國(guó)軍方首次關(guān)注電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)。早在2013年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）就啟動(dòng)了“垂直起降實(shí)驗(yàn)飛機(jī)”（VTOL X）計(jì)劃，由極光飛行技術(shù)公司（Aurora Flight Sciences，現(xiàn)屬波音）、羅羅公司和霍尼韋爾公司合作開發(fā)，名為XV－24；該項(xiàng)目的競(jìng)爭(zhēng)方還包括波音公司、卡雷姆公司、西科斯基公司。

XV－24采用分布式電推進(jìn)布局、傾轉(zhuǎn)翼結(jié)構(gòu)，具有24個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的變距涵道風(fēng)扇，可實(shí)現(xiàn)垂直起降并轉(zhuǎn)換為平飛巡航模態(tài)。羅羅公司提供AE1107渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，裝于機(jī)身中央，驅(qū)動(dòng)3臺(tái)1兆瓦發(fā)電機(jī)，為推進(jìn)系統(tǒng)提供電能。2017年4月，完成了1／5縮比驗(yàn)證機(jī)試飛，驗(yàn)證了電推進(jìn)系統(tǒng)、傾轉(zhuǎn)翼等設(shè)計(jì)的可行性。但由于霍尼韋爾在1兆瓦發(fā)電機(jī)研發(fā)過程中遇到了熱管理困難、同時(shí)DARPA沒有找到合適的軍方合作方，因而DARPA于2018年初取消了該項(xiàng)目。

與DARPA XV－24不同，本次AFRL展示的方案將電推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用在固定翼飛機(jī)，是美國(guó)對(duì)軍用電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)的新嘗試。

XV－24概念圖（圖片來(lái)源：DARPA）

XV－24縮比驗(yàn)證機(jī)試飛（圖片來(lái)源：DARPA）

四、小結(jié)

當(dāng)前，以電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)為代表的新一輪航空科技革命正在重構(gòu)航空產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局，電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)以其節(jié)能、減排、降噪的收益獲得了世界主要航空強(qiáng)國(guó)的高度關(guān)注。電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)的應(yīng)用目前主要集中在民用飛機(jī)領(lǐng)域，在全球巨額資金投入推動(dòng)下，電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)正處于高速發(fā)展中。

由于發(fā)電、配電、能量控制等機(jī)載系統(tǒng)技術(shù)具有高度軍民融合的特征，民用電動(dòng)飛機(jī)相關(guān)技術(shù)可迅速應(yīng)用于軍用航空領(lǐng)域。

通過電動(dòng)汽車等行業(yè)的大力投入，我國(guó)在動(dòng)力電池、能量管理等領(lǐng)域已有豐富的技術(shù)儲(chǔ)備。我國(guó)應(yīng)高度關(guān)注電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)，大力民用和軍用航空裝備兩條路線同步發(fā)展，在新一輪航空技術(shù)革命中占據(jù)先機(jī)。

（中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心  穆作棟）

本篇供稿：系統(tǒng)工程研究所

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