如火如荼的美国空军“敏捷至上”项目

云脑智库 2022-08-18 00:00


来源 | 国际航空

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美国空军的“敏捷至上”项目,旨在通过竞赛活动来筛选出优秀的电动垂直起降(eVTOL)飞行器项目,为其提供全方位的支持以推动飞行器的商业化进程。

2020年2月25日,美国空军签署并发布“创新能力开放征询书”,正式确立“敏捷至上”项目。参与并入选的eVTOL飞行器将在美国空军的协调下,获得美国政府和国会设立的“小型企业创新研究”基金(SBIR)和“小型企业技术转化”基金(STTR)资助,以及来自工业界的协助。美国空军下属的AFWERX项目办公室与空军研究实验室(AFRL)一同确保政府资助和工业界的协助落实到位。

2021年,该项目已筛选出一批出色的eVTOL飞行器进行“适航取证竞赛”。

“敏捷至上”项目的运营架构图

“敏捷至上”项目将参赛飞行器按应用场景分为三大类。

01

第一类面向大型载人飞行器。

有效商用载荷3~8人,采用全电或混合电推进,航程大于161km,飞行速度大于161km/h,航时超过60min。

02

第二类面向小型载人飞行器。

有效商用载荷1~2人或同等重量的货物,采用全电或混合电推进,航程大于16km,飞行速度大于72km/h,航时超过15min。

03

第三类面向货运飞行器。

有效商用载荷大于230kg,最大起飞重量大于600kg,采用全电推进或混合电推进,航程大于322km,飞行速度大于161km/h,航时超过100min。

美国空军希望通过“敏捷至上”项目促进eVTOL飞行器商业市场的成熟,建立和完善相关产业供应链,最终推进军用飞行器的发展,实现军民市场的共同发展。根据计划,该项目已在2021年筛选出一批eVTOL飞行器进行“适航取证竞赛”,当前进入到这一环节的飞行器产品约有20款。其中,乔比公司的S4、贝塔技术公司的“阿丽亚”、军刀飞机公司的“雷戈”、穆格公司的SureFly S250、小鹰公司的“海维赛德”等有望脱颖而出,率先实际完成商业化。



乔比公司

              ——S4载人飞行器

乔比公司S4是5座有人驾驶电动飞行器,属于“敏捷至上”项目第一类场景。S4于2014年确定了构型,从2017年开始测试原型机。在“敏捷至上”项目起动时,S4被业界认为是最契合项目要求的飞行器。其在两侧翼尖、中段和尾翼各设置有1台电机,采用全电推进系统驱动6个旋翼,巡航速度达到320km/h、航程达240km。

倾转旋翼构型能够在确保良好垂直起降性能的前提下提高平飞效率,从而兼顾垂直起降能力与巡航经济性,相较于旋翼构型,能够大幅提升航程,但同时也显著增加了平台复杂性和重量,降低了可靠性。电推进系统可在倾转翼组件处通过线缆驱动电机,避免过于复杂的传动组件,有效规避了上述风险。

乔比公司研制的S4 eVTOL飞行器


贝塔技术公司

              ——“阿丽亚”飞行器

“阿丽亚”(Alia)是贝塔技术公司研制的6座有人驾驶电动飞行器,属于“敏捷至上”项目的第一类场景。2020年4月,“阿丽亚”飞行器与乔比S4飞行器一同进入“敏捷至上”第三阶段。

2021年,贝塔技术公司发布了最新型的“阿丽亚”250,最大起飞重量3.175t,航程463km(即250海里,即型号名称中的数字由来)。“阿丽亚”250的起飞重量明显超过2020年6月公布的2.7t,翼展、设计航程也略有提高。

“阿丽亚”250采用固定翼与旋翼混合的构型,在两侧机翼中部的前后方各设置一个定距螺旋桨,提供垂直起降所需的升力;机身尾部设置一个推进螺旋桨,提供平飞巡航阶段的推力。平飞巡航阶段,机翼位置的4个螺旋桨将停转并固定在最小阻力位置(类似NASA的 X-57分布式电推进验证机的设计)。混合构型兼顾了多旋翼飞行器的垂直起降性能与固定翼飞行器的平飞高效特性,结构简单、无倾转部件,但缺点是固定翼与旋翼结构会互相影响,在确保结构质量的同时会降低气动效率。因此,“阿丽亚”250在平飞阶段时,升力螺旋桨停转并固定,以此尽量缓解气动效率的下降。

贝塔技术公司研制的“阿丽亚”250飞行器


穆格公司

              ——SureFly S250

穆格公司在2019年11月从Workhorse公司收购了双座eVTOL飞行器Surefly,并对飞控系统进行了改造,将其改装为货运有人/无人驾驶电动飞行器Surefly S250。2021年9月,穆格公司加入“敏捷至上”项目,Surefly S250是该项目第二类场景的参赛飞行器。

Surefly S250目前保留了Surefly的基本布局和动力形式,采用一台内燃机作为发电机,为8个独立电机供电,两个电机为一组,分部于机身上方。

当前,穆格公司主要对Surefly S250的空气动力学特性、有人驾驶时的人机交互界面和安全性进行测试,并正在争取无人驾驶模式下飞机的适航认证。按计划,Surefly S250应已于2021年年底在美国空军斯普林菲尔德基地进行“敏捷至上”项目的试飞。

穆格公司推出的eVTOL飞行器SureFly-250


升力飞机公司

              ——HEXA飞行器

HEXA是升力飞机公司研制的单座有人/无人驾驶电动飞行器,是“敏捷至上”项目第二类场景参赛飞行器。

2021年3月,美国空军尝试使用C-130J运输机运载HEXA,可在45min内将4架HEXA装进货舱,而且装载时间有望缩减至15min。目前,HEXA正在进行气动声学和飞行故障等相关试验,以支持HEXA获得载人飞行适航认证。

HEXA的全身骨架由碳纤维复合材料打造,全机仅重196kg,可载体重113kg以下的单个乘客飞行15min,同时保留25%的电量用于应急。机身下方四周的四个浮筒可作为地面着陆时的起落架,也可配合机身底部中心的浮筒,为水面降落和漂浮提供浮力。顶部的16个独立电机各驱动一个螺旋桨,以外圈12个、内圈6个的布局绕机身上方一周分布,每个电机下方都悬挂一块电池,可快速拆卸替换。HEXA可在至多6个电机失效的情况下仍保持正常飞行,此外还配有自动触发的紧急弹射装置。

值得一提的是,HEXA并不要求乘客具有飞行员资质,但需要在升力飞机公司开发的模拟器中进行1小时的培训。

升力公司研制的HEXA飞行器


小鹰公司

              ——“海维赛德”飞行器

“海维赛德”(Heaviside)是小鹰公司研制的单座有人/遥控驾驶电动飞行器,是“敏捷至上”项目第二类场景参赛飞行器。

“海维赛德”的研制工作在2017年起动,小鹰公司于2021年7月通过“敏捷至上”项目获得了美国空军颁发的适航认证,成为继贝塔科技、乔比、升力公司之后第4个获得该认证的公司。

“海维赛德”的翼展约7m,航程160.9km,具有一对前掠翼主翼、一对鸭翼、以及8个由电机驱动的可倾转螺旋桨,其中6个位于主翼、2个位于鸭翼。该飞行器其最突出的特点是飞行速度快、噪声低以及能源利用效率高,巡航速度为289.7km/h,在304.8m高度飞行时下方地面的噪声水平仅为38dB,比常规直升机低约100倍,每千米耗电量约为常规电动汽车(如特斯拉Model S电动车)的一半。

小鹰公司研制的海维赛德飞行器


军刀飞机公司

              ——“雷戈”RG-1飞行器

“雷戈”(Rhaegal)系列飞行器是军刀飞机公司研制的重型货运混合动力无人机,是“敏捷至上”项目第三类场景参赛飞行器。

“雷戈”系列飞行器的型号按照研发先后顺序,分为A型、B型和RG-1型。据悉,军刀公司已和沙特ADMC公司签署了一份总金额达8亿美元的协议,预计在2022年交付102架“雷戈”RG-1并投入运营。

在动力系统方面,“雷戈”RG-1采用两个涡轴发动机发电、4个独立电机分别驱动4个涵道风扇螺旋桨产生推力,在垂直起降和滑跑起降两种起降模式下分别具有2.45t和6.26t有效载荷。地面停机状态下机翼根部可折叠,可快速装卸LD-1至LD-3型标准集装箱,具有对起降场地和装卸工具依赖小、可全天候运行等特点。

“雷戈”RG-1不含任何蓄电池,由两台赛峰阿蒂丹3涡轴发动机燃烧Jet-A、JP-8或DF-2型燃料直接产生2.8MW功率机械能,驱动发电机产生最大1.408MW功率的电能,最终输送到位于机身前后两侧的4个可倾转涵道升力风扇。电机最大功率仅可维持5min,用于满载状态下的垂直起降,而巡航时电机功率最高保持在1.237MW,用以支撑370 km/h的巡航速度。

“雷戈”RG-1的概念图(上)和已完成样机制造的RG-B(下)

结束语

整合政府资源和业界力量,驱动eVTOL飞行器技术和应用发展,是美国空军发起“敏捷至上”项目的初衷。从2020年2月项目启动到2021年底,已有一批优秀企业通过该项目获得资助和支持,并有望在2022—2024年实现商用化。

在这些飞行器完成商业化并积累足够多实际场景使用经验和数据后,美国空军将进一步推动eVTOL飞行器在军事领域中的应用,最终通过军民市场结合激发创新能力,提升美军战斗力。


作者:王翔宇   穆作栋(中国航空工业发展研究中心)

编辑:马    元   边   远

审核:彭 健

监制:王亚林

- The End

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