X-Plane 或是您的第一架私人飞机

御坂美琴LV5

点击上方SAEInternational关注我们



NASA的航空研究人员将利用Maxwell演示机，展示电动推进系统可以使飞机更安静、高效、环保。

不久以前，还很少有人会认为自己需要一部可以拍照、录像的手机。但近来却很少有人会选择没有这类功能的手机了。事实上，如此迅速的技术发展并不仅仅发生在个人通信产品领域，也注定会向个人运输等其他领域扩张。

汽车和航空航天行业都正处于技术“搅局者”掀起的漩涡之中。在汽车行业内，有人认为驾驶车辆可能很快会成为一种“失传的艺术”。那时，仅有“极少部分”人需要谨记遇到前方红灯的是否可以右转，以及路面上虚虚实实的黄线到底代表什么意思，而对于绝大部分人而言，这些事情将全部交给自动驾驶汽车的程序处理。自动驾驶汽车可以接送乘客：比如某天仅靠Skype视讯或电子邮件无法应付工作需求时，自动驾驶就可以送乘客前往公司，而在这一过程中，乘客完全可以在车内继续使用他们的笔记本电脑工作。

未来，除了开车以外，人们或许还将拥有新的日常通勤选择。看起来，NASA（美国国家航空航天局）至少给出了一个答案！



作为近期公布计划的一部分，NASA正在开展一系列战略研究项目，内容包括静音超音速飞行、电动分布式推进，以及混合翼飞机。

作为近期公布计划的一部分，NASA正在开展一系列战略研究项目，涉及静音超音速飞行、电动分布式推进及混合翼飞机等，旨在展示多项可以降低油耗、排放和噪声的先进技术，并加速从技术到市场的蜕变。

特别需要指出的是，该计划的目标之一将专注于发掘新思路，研发更加安静、高效、环保的电力推进通用航空飞机。与当下的通勤型飞机相比，这种新型飞机将为人们提供一种更加清洁高速的个人与商务出行选择（见“less congest，at least in theory”）。



图为NASA Maxwell X-57概念机，这驾试验机的特别之处在于经过特别设计的机翼，及机翼上的14部电机。

顺着这些思路，NASA将利用一款经过专门设计的X-57试验机，测试新型推进技术。据了解，这款试验机绰号“Maxwell”，以纪念19世纪著名苏格兰物理学家James Clerk Maxwell在电磁感应方面的开创性贡献。这架试验机的电机驱动螺旋桨将被整合在经过专门设计的机翼之中。

今年6月中旬，NASA局长Clarles Bolden在一次讲话中表示，“随着x-plane试点项目的回归，NASA的研发能力可以得到极大地提升，这也将成为我们10年计划‘航空新视野（New Aviation Horizons）’的重要组成部分。这款通用航天尺寸的X-57将带领我们迈出开启航空新纪元的第一步。”X-57是NASA近10年来的首款X-Plane；此外，作为计划的一部分，NASA还计划设计研发5款尺寸较大的运输型X-Plane。



在X-Plane系列中，1947年诞生的X-1由Bell Aircraft公司打造，可突破“音障”，是世界上首款超音速飞机。

具体来说，X-57编号是由美国空军（U.S.Air Force）指定的。按照要求，NASA会先提出申请，而后负责命名流程的美国空军会为新机型指定一个名称。在X-Plane系列中，1947年诞生的X1是世界上首款超音速飞机。

NASA航空研究任务理事会副局长Jaiwon Shin表示，“自此之后，十多款不同形状、尺寸和用途的X-Plane相继诞生，不断巩固美国作为世界航空航天技术领导者的地位。”

目前，在美国空军处登记在列的X-Plane已经排到了56号，但这并不意味着世界上有56款X-Plane，这是因为有些机型共用了同一个编号，还有一些试验性机型历经设计、制造，甚至飞行等阶段，但最终未能获得X编码。

事实上，还有一部分编码从未被真正启用。比如，美国空军在为X-Plane编号时直接跳过了X-52，这是为了避免与B-52轰炸机产生任何混淆。还有一些X-Plane完全不是试验机，而是量产飞机或航天器的原型，NASA主任历史学家Bill Barry表示，“这会让人们很难分辨到底哪些是真正是X-Plane，哪些并不是。”

NASA的可控规模电力推进技术与运行研究（Scalable Convergent Electric Propulsion Technology and OperationsResearch，简称Sceptor项目）属于一项为期4年的飞行演示计划，主要将借助一款由意大利设计的新型TecnamP2006T双发动机轻型飞机，打造X-57试验机。

NASA将用一款内置14个电机的细长型机翼替代Tecnam P2006T本身机翼加2部燃气活塞发动机的设计，其中12个电机位于机翼前沿，可在起飞和着陆阶段发挥作用，另外2个较大电机分别位于两侧机翼的翼尖，主要在飞机处于巡航高度时发挥作用。



去年9月，阿姆斯特朗中心的飞行员曾驾驶一驾意大利制造的Tecnam P2006T飞机，收集飞行数据，为NASA正在研发的改装机型提供对比材料。一旦此项工作完成，阿姆斯特朗中心的工作人员就可以将一款经过专门开发的机翼整合至安装了电机的飞机上，进行研发飞行。

NASA阿姆斯特朗飞行研究中心(ArmstrongFlight Research Center)的联合首席研究员Sean Clarke表示，利用现有机型打造试验机有一个好处，那就是可以对比飞机在不同配置下的性能。目前正在建设中的Tecnam预计将在阿姆斯特朗停留将近一年时间，完成机身与机翼的整合。阿姆斯特朗中心还曾在去年9月试飞另一架不同配置的Tecnam P2006T，以收集原始配置下的性能数据。

NASA的工程师希望验证一个事实，那就是在时速175mph的巡航状态下，采用分布式动力推进系统的私人飞机，其燃料消耗比普通飞机低5倍。

此外，分布式动力推进系统还有其他几个优势。由于仅借助电池供电，这款绰号“Maxwell”的X-57将不会产生任何碳排放，并且还可以在理想情况下，表明未来通用航空业对含铅航空燃料的需求必将萎缩。

借助X-57的技术，处于巡航高度的小型飞机预计最高可将飞行时间、燃料消耗及总运行成本降低40％。通常情况下，为了获得最佳燃料效率，飞机并不会以最高时速飞行。然而，从本质来说，电力推进系统并没有燃油推进机型在全速巡航时的弊端。这款X-57采用的电力推进技术有望显著降低飞机噪音，从而赢得更多公众的好感，并进一步吸引过去曾回避或关闭小型机场的社区。

NASA的研究人员预计将在2019年推出一款500-kW的9座飞机。对比来说，500kW（约700hp）的功率几乎是常见乘用车发动机的5倍。

Clarke表示，为了实现这个计划，NASA在三个领域的研究都取得了一定进展，包括利用一辆卡车测试受试机翼的性能；开发并使用一款新型模拟器观察电动飞机的控制与操控特性；以及验证协助NASA工程师进行飞机设计与制造的工具，而这本身也是NASA为了协助开发创新低碳推进系统，并将其推入市场的努力之一。



工程师正在利用HEIST测试台，收集新型机翼设计的空气动力学数据。

首先，NASA与Joby Aviation和ESAero公司合作，最初先在一辆经过特别改装的卡车上安装了一款试验性机翼，并最终打造了一个混合电力综合系统测试台（Hybrid Electric Integrated Systems Testbed，简称HEIST）。HEIST测试台曾在多项研究中发挥作用，主要用于整合复杂电力推进系统的项目。



工程师正在研发一款配备电机的机翼，这也是综合HEIST试验测试台的一部分。左上为Sean Clarke，右上为Kurt Papathakis，右下为Anthony Cash。

HEIST测试台的功能类似于地面上的风道，最高可加速到73 mph（116.8KM/h），协助研发人员收集数据。研究人员可以利用测试台测量飞机的升力、阻力、俯仰力矩和滚转力矩，进而对研发工具进行验证。

“通过对比真实测量结果和CFD的预测，我们可以判断这些预测是否准确。”Clarke表示，“由于这是一个全新的设计，我们必须保证透彻了解实验机翼的性能。”



前沿异步螺旋桨技术（LEANTech）地面测试团队的成员，从左到右分别为Brian Soukup、Sean Clarke、Douglas Howe、Dena Gruca、Kurt Papathakis、Jason Denman、Vincent Bayne和Freddie Graham。

HEIST参与的首个实验名为“前沿异步螺旋桨技术”，简称LEAPTech。这个实验今年5月始于NASA的阿姆斯特朗中心，主要是将18个电机整合至一款带有锂离子电池的碳纤维复合材料机翼。

目前的实验显示，这款18电机的分布式推进系统在低速时提供的升力是传统推挤系统的2倍多。

NASA的另一项主要工作是不断开发、完善研发工具。例如，为了评估飞机的操控性能，研究人员计划将飞机的系统整合至一款供飞行员使用的NASA阿姆斯特朗飞行模拟器。Clarke表示，研究人员还将研究如何平衡电池电机与涡轮之间的功率需求。大家关心的是这种分布式电机与天然气涡轮机的混搭能否延长飞机的续航里程，出产一款9座概念机，甚至永远改变未来“minivan飞机”的定义。

作者：Jean L. Broge

来源：SAE航空航天工程杂志

翻译：SAE 中国办公室


国际自动机工程师学会原译：美国机动车工程师学会
成立于1905年航空、汽车和商用车权威性专业学会所制定的车辆与航空标准在行业内占据绝对优势拥有全球最大的工程师网络为您提供全球最丰富的航空、汽车、商用车领域工程信息
微信号： SAEINTL

长按识别二维码关注SAE公众号点击“阅读原文”，访问SAE中文网站。