电气化加速引发NASA重新审视X验证机计划

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随着航空电气化发展速度超出预期,NASA正在考虑重新规划下一代X验证机的发展方向。

在预算有限的情况下,为了重新开展有人驾驶X验证机的飞行试验研究,NASA不得不绞尽脑汁。其第一步是相对保守的X-57项目,这是一种基于轻型通航飞机的电推进技术验证机,预计将于2019年开始试飞。

相比之下,NASA下一步的计划要庞大得多,这就是X-59超声速低声爆飞行验证机。该项目在2018年11月通过了一个关键节点,预计将于2022年初展开试飞。在预算紧缩的条件下,为了保住这个全新的X验证机项目,NASA不得不将该项目分成两部分。首先,NASA在2016年2月将初步设计合同授予了洛克希德·马丁(洛马)公司的“臭鼬工厂”,然后通过竞标选择验证机制造商。最终,洛马于2018年4月赢得了这份价值2.475亿美元的合同。

随着X-57和X-59的推进,NASA正在着手规划下一个大型X验证机项目,计划2021年启动。

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X-57验证机。

NASA的目标非常清晰,那就是发展节能的未来新构型亚声速客机,并已经资助了4家公司进行概念开发。2017年,业界已经提出了5个不同的概念构型,然而,近期电力推进技术的快速发展让NASA的领导层开始重新思考下一步计划。

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X-59验证机。

在谈到未来X验证机的研究方向时,NASA航空研究任务事务部副主任申金元(Jaiwon Shin)表示:“我们认为电动飞机将是大型运输类飞机市场的最终发展方向,虽然目前仍处于发展初期,进步较慢,但业界对其充满了兴趣,并且认为越早发展越好。”

在NASA 2017年预算申请中,新航空地平线(New Aviation Horizons)倡议提出,在X-57和X-59之后,从2023年开始研发一系列超高效亚声速(UEST)X验证机。最终,美国国会并没有批准这个项目,即便该项目的第一项任务是专注于研究非常规飞机布局,资金需求不大;而后续的验证机研制工作,计划中已安排到2025年之后。

申金元表示,空客和波音公司已经向市场注入了了开发混合动力推进技术的需求。这两家公司都表示,在下一个单通道客机换代周期中,需要的是低排放的推进系统。“这主要是因为他们了解到,在开发出A320neo和737max之后,必须拿出新的推进系统才能满足行业需求,因为他们暂时还不会真的采用全新的气动布局。”

这一调整促进了整个行业在电动机、电池和相关技术商的进步,其速度超过了NASA或主要制造商的预期。这反过来使得波音与空客可以考虑在运输机领域尽早引进混合动力推进系统。两家公司都在积极投入,空客公司正在建造E-Fan X混合动力支线验证机,而波音支持的Zunum公司正在开发一种12座级混合动力飞机。

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2017年波音提出的一种基于麦道80的桁架支撑机翼布局亚声速X验证机。

这完全改变了NASA的原有计划——考虑颠覆传统管状机身加机翼的布局,包括翼身融合、桁架支撑、联接翼等。在2018年12月6日于华盛顿特区举行的电动飞机推进工业日上,NASA的代表与感兴趣的公司进行了一对一的会谈。NASA集成航空系统计划(IASP)主任艾德·瓦格纳(Ed Waggoner)表示,这次会议的结果以及同期开展的信息征询工作将为NASA 的2021年预算申请提供支撑。

瓦戈纳向与会者表示:“上一届NASA管理层任期结束时,我们申请了一些X验证机项目,但我们知道希望不大,但是最终我们在概念开发工作和X-59项目两方面获得了支持。现在,我们期待着下一个X验证机的预算支持。”

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创业公司莱特电力向美国宇航局简要介绍了其M型机翼全电客机的概念。

瓦格纳表示NASA正处于“发现模式”,力图从工业部门的角度加大理解电推进的潜力。“我们想了解工业部门的发展方向和关键研究项目;想了解亚声速固定翼运输机实现电气化推进的关键技术是什么,并考虑如何与NASA的计划结合。”

IASP负责飞行战略的副主任费·科利尔(Fay Collier)表示,NASA的重点是演示1兆瓦以上的电推进能力。工业届已经表示,兆瓦级系统可以有几种应用场景:一是可以为小型支线客机提供动力,一是可以用分布式电力推进装置为更大的飞机提供动力;还可以用兆瓦级的电动机可以驱动尾部推进器,实现边界层抽吸以减小阻力,或者被集成到涡扇发动机中以混合方式增强电力。

科利尔表示,NASA已经资助了几个研究团队开发兆瓦级的电动机和电气系统,预计在项目启动后的3年内,可以展示1兆瓦以上的推进能力。兆瓦级系统的应用可能意味着验证机方案的选择范围将更广。NASA不希望再像低声爆飞行验证项目时,因没有预算而将项目分成两部分,而是希望无论是小规模的重点技术验证项目,还是全面的演示验证,下一个X验证机项目只需要一次竞标、一次到位。

目前有迹象表明,NASA的航空预算将保持在每年7亿美元以上。与此同时,几项耗资巨大的研究计划将于2020年结束,包括无人交通管理、无人机系统集成到国家空域系统以及先进复合材料等重大项目。申金元表示:“我们不仅想延续此前的工作,还想重新分配这些资金。”

专栏作者

责任编辑:助理编辑 冯欢

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