美國航空航天局（NASA）的X系列試驗飛機曾經(jīng)創(chuàng )造了航空史上一系列里程碑。例如，1947年首飛的X-1是歷史上第一架超音速飛機。近期，NASA又宣布了其最新的X系列飛機計劃——X-57，這是時(shí)隔十幾年，繼X-43飛機后首款由NASA獨立研發(fā)的X系列飛機。
此次公開(kāi)的編號為X-57的最新試驗驗證機，NASA將其命名為“麥克斯韋”，以紀念蘇格蘭著(zhù)名物理學(xué)家、數學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋。據悉，這款試驗機將被用于測試最新的電推進(jìn)技術(shù)。
X系列飛機
為了探索航空航天業(yè)的未知領(lǐng)域，NASA在半個(gè)多世紀前就開(kāi)始了X系列試驗飛行器的研究工作。之所以起名X系列，是因為X是“Experimental”這個(gè)單詞的縮寫(xiě)，即“試驗”之意，同時(shí)也蘊涵著(zhù)對未知領(lǐng)域探索的深層含義。
在飛行器設計領(lǐng)域，未知的技術(shù)障礙與難題比比皆是，即使是通過(guò)風(fēng)洞、模擬器和計算機仿真，也只能構建出一個(gè)理想狀態(tài)下的模型，具體的試驗數據仍需要研制專(zhuān)門(mén)用途的試驗機來(lái)獲得。
1945年初，世界上第一架火箭動(dòng)力試驗機XS-1（后來(lái)命名為X-1）在美國軍方的資助下首飛成功。此后30年中，以X冠名的試驗飛行器幾乎每年都要研制一種，其研制速度快得驚人，這段時(shí)間成為X系列試驗飛行器發(fā)展的黃金時(shí)期。
但好景不長(cháng)，越南戰場(chǎng)上的節節退敗和蘇聯(lián)全球范圍內的戰略緊逼，使得美國開(kāi)始進(jìn)入戰略調整階段。在這種大環(huán)境下，X系列試驗飛行器的研制也陷入了停頓。從1971年至1983年，NASA沒(méi)有進(jìn)行任何一款X試驗機的研制工作。
里根上臺后，沉寂多年的X系列試驗飛行器計劃終于迎來(lái)了轉機。1984年，X-29A前掠翼試驗機成功首飛，重新拉響了美國向未知航空航天領(lǐng)域前進(jìn)的號角。20世紀90年代，先后有14種X系列試驗飛行器投入研制，X系列試驗飛行器計劃迎來(lái)了第二個(gè)黃金時(shí)代。
今天，X系列試驗飛行器已經(jīng)不再單純以“更高、更快”作為其發(fā)展目標了，跨大氣層飛行器、太空營(yíng)救系統、無(wú)人隱形武器投送平臺等成為新的發(fā)展亮點(diǎn)。
而在民用航空領(lǐng)域，NASA將分布式電推進(jìn)系統視為未來(lái)航空器的一個(gè)發(fā)展方向，認為這項技術(shù)在短途個(gè)人飛機、通勤飛機以及支線(xiàn)飛機上都有很好的應用前景。
為此，NASA批準了一項為期３年、總金額1500萬(wàn)美元的項目，對分布式電推進(jìn)X驗證機開(kāi)展試飛工作。該驗證機基于輕型通用飛機，一旦證明技術(shù)可行，NASA將在一型9座通勤飛機驗證機上進(jìn)行試驗，為在60?90座級混合電推進(jìn)支線(xiàn)飛機上應用打下基礎。
14臺發(fā)動(dòng)機
NASA此次公開(kāi)的X-57試驗機是在意大利飛機制造商Tecnam公司的P2006T輕型活塞雙發(fā)飛機基礎上改進(jìn)而來(lái)的。飛機上原來(lái)的機翼和兩臺汽油活塞發(fā)動(dòng)機被安裝了14臺電動(dòng)機的細長(cháng)機翼所取代。其中，位于機翼前緣的12臺較小的電動(dòng)機用于巡航飛行。
NASA的研究人員希望，這種通過(guò)向一架飛機上多臺發(fā)動(dòng)機配送電力的方式可以將飛機能耗降低80%，將運營(yíng)成本降低40%。由于X-57試驗機僅由電池驅動(dòng)，沒(méi)有碳排放的問(wèn)題，因此還將驗證取代通用航空領(lǐng)域仍在使用的含鉛燃油的可能性。
目前，X-57飛機第一階段的研制工作已經(jīng)完成。下一步，NASA計劃在2017年開(kāi)始飛行試驗，首要目標是驗證飛機在巡航狀態(tài)下能否將所需能量降低5倍左右。能量的節省可能來(lái)自?xún)煞矫妫旱谝�，碳氫燃料的燃燒效率�?8%提高到電推進(jìn)系統的92%，這一因素貢獻了2.9?3.3倍的能量節��；第二，其余的能量節省則來(lái)自于氣動(dòng)集成收益。
氣動(dòng)集成收益來(lái)自于減小的機翼。目前的通用飛機由于需要滿(mǎn)足61節（112.97公里/小時(shí)）的失速速度要求，機翼比較大。而前緣分布式電推進(jìn)螺旋槳會(huì )產(chǎn)生一個(gè)55節（101.86公里/小時(shí)）的機翼誘導速度，提高機翼升力，因此機翼可以更小，這對于減重、減阻大有裨益。
另外，前緣高升力槳葉可以在巡航狀態(tài)時(shí)停止運轉并折疊，以降低阻力。此時(shí)，僅有翼尖槳葉在工作，并從翼尖渦中獲取能量。NASA在上世紀80年代開(kāi)展的風(fēng)洞試驗以及最近的計算流體力學(xué)分析結果表明，這項技術(shù)可以提高9%?15%的推進(jìn)效率。對于更大、更快的渦槳支線(xiàn)飛機，則可將推進(jìn)效率提高20%。
除了推進(jìn)效率的提升，NASA預計采用前緣分布式電推進(jìn)技術(shù)的飛行器總運營(yíng)成本可降低30%。這一方面是由于氣動(dòng)集成收益，另一方面是相對于航空燃油，電力成本要低得多。目前，電力成本僅為汽車(chē)汽油成本的一半，汽車(chē)汽油成本為航空燃油成本的一半，而航空燃油成本占據了通用航空運營(yíng)成本的一半。
目前，一般電池的壽命要求應達到2000次充電循環(huán)。對于小型客機定期運營(yíng)商，如與NASA緊密合作的Cape Air公司，這相當于每?jì)赡旮鼡Q一次電池組。
當電池能量密度達到400?500瓦·時(shí)/公斤時(shí)，電力推進(jìn)系統對于航空業(yè)來(lái)說(shuō)將變得經(jīng)濟可行。NASA的X驗證機計劃在電池組能量密度約200瓦·時(shí)/公斤的情況下飛行，能夠飛行322公里。如果超出這一距離，就需要更高能量密度的電池組，或進(jìn)行空中充電。
除推進(jìn)效率提升、運營(yíng)成本降低外，NASA預測新型飛行器的噪聲相比當前螺旋槳驅動(dòng)的通用飛機可降低15分貝。西銳公司SR22輕型飛機的槳葉葉尖速度為274.3米/秒，X-57驗證機上的高升力槳葉的葉尖速度僅為122?152.4米/秒。另外，還可通過(guò)每一組槳葉在略微不同的轉速下工作來(lái)進(jìn)一步降低噪聲。
NASA宣稱(chēng)，前緣分布式電推進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢還包括較高的推進(jìn)系統冗余度（能夠承受任何單個(gè)推進(jìn)器故障）以及基于推力增強的魯棒性飛行控制。電動(dòng)機在30?60秒內能夠產(chǎn)生超過(guò)50%的動(dòng)力，以抵消槳葉或其他電動(dòng)機的損失，也可以通過(guò)提升流過(guò)機翼的氣流速度來(lái)避免失速。
未來(lái)發(fā)展規劃
未來(lái)，根據計劃NASA還將替換P2006T飛機的機翼和發(fā)動(dòng)機，但保留機身和尾翼不受影響。在第一階段，NASA將采集P2006T飛機的飛行數據，以建立直接與X飛機比較的基線(xiàn)性能。第二階段，在研發(fā)新型機翼的同時(shí)，原有飛機機翼的翼尖將安裝巡航電動(dòng)機和槳葉，取代P2006T的活塞發(fā)動(dòng)機，并開(kāi)展飛行試驗來(lái)檢查電池組、電動(dòng)機和控制系統。第三階段將包括翼尖采用電動(dòng)機以及前緣采用短艙的分布式電推進(jìn)機翼飛行試驗。第四階段將進(jìn)行包括前緣分布式電動(dòng)機和折疊槳葉構型的飛行試驗。
NASA的另一個(gè)目標是幫助建立分布式混合電推進(jìn)飛機的取證標準。NASA正與一些標準研發(fā)機構，如ASTM國際等開(kāi)展合作，以推進(jìn)新的能同時(shí)用于電動(dòng)推進(jìn)系統和通用飛機取證的一致標準。根據計劃，X飛機將向FAA提出虛擬取證申請，從而了解電動(dòng)飛機取證可能面臨的問(wèn)題，這將有助于引領(lǐng)規則的制定。
在NASA的長(cháng)期規劃中，X-57飛機僅僅是在更大的主流商用飛機上使用電力推進(jìn)系統的第一步。NASA技術(shù)路線(xiàn)圖的下一步是9座短距通勤飛機驗證機，預計在2021年首飛，并作為2026年首飛的混合電推進(jìn)支線(xiàn)飛機驗證機的縮比原型機。
其他可能應用到未來(lái)分布式電推進(jìn)飛機的技術(shù)還包括：低阻大展弦比機翼和機身邊界層抽吸技術(shù)、穩健的冗余電力結構以及混合增程的輔助動(dòng)力裝置等。NASA正計劃將這些技術(shù)引入到早期的選用市場(chǎng)，在對這些技術(shù)完成驗證后，將逐步應用到更大的民用飛機市場(chǎng)。（文/齊�。�
