航空電動化對HSVTOL飛行器的新啟發(fā)

撰稿--邁吉易威航空電推進團隊張宇浩

HSVTOL(High-Speed Vertical Take-Off and Landin)高速垂直起降飛機，既可以垂直起降，同時又兼具固定翼飛機高航速長續(xù)航的特點，是一種取各種飛行器之長的飛行器。垂直起降的飛行器有很多，如各類直升機、垂直起降戰(zhàn)斗機、傾轉(zhuǎn)旋翼機、復合推進飛機，但是真正稱得上高速垂直起降飛行器的目前還不存在。矛盾點還是要從力效和槳盤載荷關(guān)系說起（圖1），槳盤載荷越小則垂直起降功率需求就越低，但是槳盤載荷變小就意味著槳盤直徑變大，那么在平飛時飛行阻力就很大，速度和航程相應就會受到影響。于是又有了第二張圖（圖2），槳盤載荷越小，極限飛行速度就會越低，所以旋翼機和直升機雖然槳盤載荷小、起飛功率低，但是飛行速度低并且飛行阻力大，因此無法實現(xiàn)高航速和長航程。再比如F35、鷂式、雅克38等飛機，雖然兼具垂直起降和高速飛行，但是耗能巨大，機體可用空間低，航程也短。再有就是諸如V22魚鷹、V280、SB-1等飛機，取了前兩者之長也取了前兩者之短，航速、航程、起飛功率都介于兩者之間，并未突破矛盾束縛。

                                          圖1                                圖2

HSVTOL要突破上述的桎梏，就尋找一種新的構(gòu)型的飛行器，其槳盤載荷、力效和飛行速度處于圖3藍圈的位置。槳盤載荷和力效大于傾轉(zhuǎn)機的同時，飛行速度也要大于傾轉(zhuǎn)機。

                                                                                                                                                          圖3

 歷史上為了實現(xiàn)這樣的飛行器，人們進行了很多的嘗試。首先是X-wing，這種飛行器長得像直升機，在頂部也擁有巨大的螺旋槳，起飛時螺旋槳旋轉(zhuǎn)，飛起后螺旋槳固定住變成飛機的機翼，進行噴氣飛行，具體效果參考電影《第六日》。

這架飛機的動力源是一臺雙模的渦輪發(fā)動機，它既可以作為噴氣式發(fā)動機在平飛時提供推力，也可以通過高能離合器將其作為渦軸發(fā)動機輸出軸功驅(qū)動超級壓縮機產(chǎn)生高壓氣體，用于驅(qū)動螺旋槳。

為了讓這個螺旋槳可以變?yōu)楣潭ㄒ�，將其設計成了雙頭鈍形，通過控制高壓空氣形成氣動舵面，既驅(qū)動螺旋槳又產(chǎn)生升力。整個工作流程先讓發(fā)動機工作成渦軸模式，驅(qū)動壓縮機產(chǎn)生高壓空氣，高壓空氣從合適的方向噴出讓螺旋槳轉(zhuǎn)動，飛機垂直起飛，然后固定住螺旋槳，螺旋槳噴氣統(tǒng)一向后吹，高壓空氣變成飛機的氣動襟翼。

這架飛機進行了采用螺旋槳垂直起飛和去掉螺旋槳的平飛，在模式轉(zhuǎn)化過程中遇到了很大的問題，最后項目終止，但是在項目過程中研發(fā)出來的高能離合器在后來的F35項目重新出現(xiàn)，氣動舵面也在后來的飛機上不斷被研究論證。與之類似的還有X-50飛機，同樣是在模式轉(zhuǎn)換上遇到問題，無法解決從而最終下馬。

當前隨著半導體和電氣工程技術(shù)進入快速發(fā)展的時代，利用電氣化來實現(xiàn)HSVTOL成為一種新思路。首先是制造出V22和V280的貝爾公司，展示了一種高速傾轉(zhuǎn)機，它像魚鷹一樣垂直起飛轉(zhuǎn)化平飛，然后它會聚攏螺旋槳以減少阻力，后部的發(fā)動機開始噴氣驅(qū)動飛機高速飛行。從宣傳視頻看，螺旋槳應該是采用的電驅(qū)動。很有可能這個飛機在起飛階段由一臺變模態(tài)的航空渦輪發(fā)動機與電池共同輸出能量并通過電動機驅(qū)動螺旋槳，轉(zhuǎn)為平飛后，收攏螺旋槳，渦輪發(fā)動機從渦軸模式轉(zhuǎn)為渦噴模式進行工作。

第二種思路就是利用涵道風扇驅(qū)動飛行器，然后依靠渦電系統(tǒng)供能，Piasecki ARES團隊就試飛了一款這樣的飛行器，這套系統(tǒng)需要一臺高扭矩的驅(qū)動電機和高效涵道，也需要一臺渦輪發(fā)動機和高速發(fā)電機，雖然這個飛行器有些簡陋但是的確代表著某種未來。

現(xiàn)在我們也許可以思考，利用電氣化實現(xiàn)的HSVTOl飛行器需要什么？首先就是一套渦電系統(tǒng)，在可預見的未來，電池的能量密度暫時無法超越化石燃料，唯有通過高功率密度的渦電系統(tǒng)才能滿足高速飛行的電能消耗，甚至需要這臺航空渦輪發(fā)動機具備雙模工作能力，可以從渦軸轉(zhuǎn)化為渦噴進行平飛推進。

其次就是螺旋槳，過去傳統(tǒng)的飛行器，由于發(fā)動機的轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍小，螺旋槳或者涵道扇往往在一個較窄的轉(zhuǎn)速工作，為了在這個轉(zhuǎn)速下獲得足夠的升力，螺旋槳的弦長需要加長，加長弦長的螺旋槳雖然可以在起飛時獲得足夠的升力，但是在平飛時就會變成很大的阻力，這個矛盾使得原來的螺旋槳無法兼顧起飛和巡航的需求，只能進行折中與權(quán)衡。現(xiàn)在逐漸出現(xiàn)可變速旋翼，做一個小直徑小弦長的螺旋槳，在起飛時高速旋轉(zhuǎn)讓飛機垂直起降，平飛時低速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)巡航。畢竟渦輪發(fā)動機的調(diào)速范圍有限，將驅(qū)動模塊切換為電機就無比自然，電機的寬速調(diào)節(jié)能力和過載能力可以很好地匹配螺旋槳不同狀態(tài)的需求，使得電動化的螺旋槳可以設計成更為均衡的一種狀態(tài)。

然后是涵道扇，航空渦輪噴氣發(fā)動機為了追求大推力和低油耗，也是逐漸從過去的渦噴發(fā)動機發(fā)展為大涵道比的渦扇發(fā)動機，其本質(zhì)邏輯就是發(fā)動機推力等于F=q×V，而所需能量卻等于P=1/2×q×V2。也就是說少量高速氣體和大量低速氣體產(chǎn)生的推力可以相同，但是大量低速氣體所需的功率更低，這也是槳盤載荷越小，力效越大的本質(zhì)原因。因此大直徑的螺旋槳雖然由于誘導阻力的原因效率遠低于閉式的螺旋槳和涵道，但是其力效卻遠遠高于閉式的螺旋槳和涵道。將涵道的直徑做到足夠大后，這個涵道會在保留涵道高效率的同時，逐步接近螺旋槳的高力效，這樣的產(chǎn)品就是所謂的大直徑電涵道或者就叫做電槳扇。

最后是航發(fā)的本身，電氣化或者混動化的航空渦輪發(fā)動機會是未來的重要方向，將航空發(fā)動機進一步與電機進行結(jié)合，提高航空發(fā)動機本身能量利用率的同時使得飛機更加的電氣化，航空發(fā)動機也能作為電機的熱沉，吸收電機產(chǎn)生的廢熱用于做功，進一步提升效率。

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