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美国NASA推出X-57飞机 验证测试分布式电推进技术

发布日期:2021-05-07 12:59   来源:未知   阅读:

  电动飞机是以电推进系统作为动力装置的飞机。与传统燃油动力飞机相比,电动飞机具有节能、环保、噪声低、振动小、维护简便等突出优点,是当前世界航空技术领域的一个研究热点之一。

  近年来,欧美各飞机制造商与科研机构纷纷加大了电动飞机技术领域的投入力度,陆续推出了一系列名目繁多、性能各异的技术方案,美国国家航空航天局(NASA)正在研制测试的X-57“麦克斯韦”(Maxwell)验证机就是其中非常具有代表性的一种。作为NASA的“X”系列技术验证机中首种采用全电推进的型别,X-57采用了独特的分布式电推进系统,其技术在轻型飞机、通用飞机、支线客机等类型飞机上具有良好的应用前景,对于电动飞机技术尽早实用化并投入商业运营是一次非常有价值的探索,因而其动向一直吸引着外界的关注。

  X-57是进入21世纪以来NASA推出的首种载人“X”系列飞机,该机的研制测试是NASA从2017年开始实施、为期10年的“新航空地平线”(New Aviation Horizons)计划的一部分。严格来说,X-57并不是一种“彻头彻尾”的全新飞机,而是在意大利泰克南公司的P2006T活塞式双发轻型飞机基础上改进而来,用一套先进的分布式电推进系统替换了后者原有的两台Rotax 912S3四缸活塞式发动机,同时对机翼外形进行了较大幅度的修改。该机的分布式电推进系统由2台大功率巡航电动机(单台功率60千瓦)和12台小功率增升电动机(单台功率9千瓦)组成,二者均由机上的锂离子电池供电。其中,2台巡航电动机位于左右机翼翼尖,它们作为飞机的主动力装置,通过驱动两个直径达5英尺(1.524米)的大型螺旋桨,为处于巡航阶段的飞机提供推进动力。12台增升电动机则位于左右机翼前缘,在每侧机翼上沿展向分别布设安装6台,主要用于在起降阶段增加飞机的升力:在起飞过程中,除了主动力装置外,这些增升电动机也将全部启动并带动螺旋桨高速转动,从而增加机翼升力,使飞机顺利起飞;当飞机到达巡航高度后,这些增升电动机将会关闭,其螺旋桨桨叶向后折叠并收入整流罩内以减少飞行阻力;而当飞机降落时,这些增升电动机将再次启动,其螺旋桨桨叶将依靠离心力再度展开并转动,以增加机翼升力,进而确保飞机安全着陆。

  通过这样独具匠心的设计,X-57除了可以充分发挥电动飞机所固有的电池/电机能量利用率高、污染物排放少甚至零排放、电机工作期间噪声小等传统优势外,还具备了以下突出性能特点:飞机在起降过程中,可以利用增升电动机螺旋桨产生的滑流效应,使机翼上表面气流加速,进而显著提高机翼的最大升力系数,由此使得飞机在维持与原准机相当的起降性能的前提下,可换用翼弦长度大幅减小(但翼展不变)、面积缩减至原来40%的全新机翼,这不仅减轻了机体结构重量,更重要的是通过增大机翼的展弦比,可以有效提高巡航升阻比,进而降低飞行阻力;此外,X-57与原准机相比,还将两台主发动机及其螺旋桨移至两翼翼尖,由此可以有效减缓、甚至阻止翼尖涡的产生,进而降低巡航飞行时的诱导阻力。由于以上原因,与大小类似的传统燃油动力飞机相比,当同样以175英里/时(约282千米/时)的速度巡航飞行时,X-57耗能仅为传统飞机的20%,并且飞行中可实现污染物零排放和低噪声,在更加绿色环保的同时,有效提高乘坐舒适性。

  按照NASA的计划,X-57飞机项目团队将会在原准机的基础上,以渐进改进的方式逐步实现上述设计目标,为此X-57项目被划分为Mod I、Mod II、Mod III和Mod IV四个阶段。其中,Mod I阶段(第一阶段)主要进行P2006T飞机的空中试飞,以熟悉、掌握该机基本性能,为后续改装工作做准备,同时还利用一辆卡车作为试验平台,对安装有分布式电推进系统的机翼进行地面测试;Mod II阶段(第二阶段)将P2006T飞机上原有的两台活塞发动机替换为两台电动机(即巡航电动机),但发动机位置和机翼构型/材料都不会改变,只是对电动机、电池及其他相关设备的性能进行测试;ModⅢ阶段(第三阶段)将用经过大幅修改的大展弦比复合材料机翼替换P2006T飞机的原有机翼,并将两台巡航电动机移至翼尖位置,同时在左右机翼前缘各安装6个增升电动机短舱(但无电动机和螺旋桨),从而对新型机翼及翼尖推进方案的减阻效果进行测试;Mod IV阶段(第四阶段)则在ModⅢ阶段基础上,为12个增升电动机短舱装上电动机及螺旋桨,对飞机的低速性能以及分布式电推进系统的增升效果进行测试。

  为适应今后电动飞机市场的兴起,在X-57项目实施期间,NASA还将会与美国材料与试验协会(ASTM)等机构合作,利用X-57研制试飞过程中所获取的各种数据,大力推进电动飞机相关技术标准的认证工作,进而帮助美国联邦航空局(FAA)适时制订电动商用飞机的适航法规,为今后电动飞机获得适航认证、最终投入商业运营铺平道路。

  不过,目前的X-57由于电池技术的限制,致使飞机的航程和续航时间严重受限,分别仅为100英里(约161千米)和1小时左右,这种性能的飞机在部分场合下用作短程/超短程通勤飞机或“空中出租车”可勉强胜任,要大量投入商业运营则不太可能。因此在NASA的电动飞机技术发展长期规划中,X-57仅仅是其第一步,若该项目进展顺利,NASA将会后续发展一种9座级电动通用飞机验证机,最终将会在2026年左右推出一种60-90座级混合电推进支线飞机验证机。而按照NASA的评估,预计到2030年前后,各种体型更大、用途也更广泛的商用电动飞机将会全面出现。