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(jìn)團(tuán)隊(duì)張宇浩

HSVTOL(High-Speed Vertical Take-Off and Landin)高速垂直起降飛機(jī)，既可以垂直起降，同時(shí)又兼具固定翼飛機(jī)高航速長續(xù)航的特點(diǎn)，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(jī)、垂直起降戰(zhàn)斗機(jī)、傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)、復(fù)合推進(jìn)飛機(jī)，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(diǎn)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(shí)飛行阻力就很大，速度和航程相應(yīng)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(jī)和直升機(jī)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(shí)現(xiàn)高航速和長航程。再比如F35、鷂式、雅克38等飛機(jī)，雖然兼具垂直起降和高速飛行，但是耗能巨大，機(jī)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(jī)，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(lán)圈的位置。槳盤載荷和力效大于傾轉(zhuǎn)機(jī)的同時(shí)，飛行速度也要大于傾轉(zhuǎn)機(jī)。

                                                                                                                                                          圖3

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

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

為了讓這個(gè)螺旋槳可以變?yōu)楣潭ㄒ�，將其設(shè)計(jì)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(gè)工作流程先讓發(fā)動機(jī)工作成渦軸模式，驅(qū)動壓縮機(jī)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(jī)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(jī)的氣動襟翼。

這架飛機(jī)進(jìn)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(xiàng)目終止，但是在項(xiàng)目過程中研發(fā)出來的高能離合器在后來的F35項(xiàng)目重新出現(xiàn)，氣動舵面也在后來的飛機(jī)上不斷被研究論證。與之類似的還有X-50飛機(jī)，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(dāng)前隨著半導(dǎo)體和電氣工程技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展的時(shí)代，利用電氣化來實(shí)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(jī)，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(jī)開始噴氣驅(qū)動飛機(jī)高速飛行。從宣傳視頻看，螺旋槳應(yīng)該是采用的電驅(qū)動。很有可能這個(gè)飛機(jī)在起飛階段由一臺變模態(tài)的航空渦輪發(fā)動機(jī)與電池共同輸出能量并通過電動機(jī)驅(qū)動螺旋槳，轉(zhuǎn)為平飛后，收攏螺旋槳，渦輪發(fā)動機(jī)從渦軸模式轉(zhuǎn)為渦噴模式進(jìn)行工作。

第二種思路就是利用涵道風(fēng)扇驅(qū)動飛行器，然后依靠渦電系統(tǒng)供能，Piasecki ARES團(tuán)隊(duì)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(jī)和高效涵道，也需要一臺渦輪發(fā)動機(jī)和高速發(fā)電機(jī)，雖然這個(gè)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(shí)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(yù)見的未來，電池的能量密度暫時(shí)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(jī)具備雙模工作能力，可以從渦軸轉(zhuǎn)化為渦噴進(jìn)行平飛推進(jìn)。

其次就是螺旋槳，過去傳統(tǒng)的飛行器，由于發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍小，螺旋槳或者涵道扇往往在一個(gè)較窄的轉(zhuǎn)速工作，為了在這個(gè)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(shí)獲得足夠的升力，但是在平飛時(shí)就會變成很大的阻力，這個(gè)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(jìn)行折中與權(quán)衡�，F(xiàn)在逐漸出現(xiàn)可變速旋翼，做一個(gè)小直徑小弦長的螺旋槳，在起飛時(shí)高速旋轉(zhuǎn)讓飛機(jī)垂直起降，平飛時(shí)低速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)巡航。畢竟渦輪發(fā)動機(jī)的調(diào)速范圍有限，將驅(qū)動模塊切換為電機(jī)就無比自然，電機(jī)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(shè)計(jì)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(jī)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(jī)發(fā)展為大涵道比的渦扇發(fā)動機(jī)，其本質(zhì)邏輯就是發(fā)動機(jī)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(dǎo)阻力的原因效率遠(yuǎn)低于閉式的螺旋槳和涵道，但是其力效卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)涵道會在保留涵道高效率的同時(shí)，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(jī)會是未來的重要方向，將航空發(fā)動機(jī)進(jìn)一步與電機(jī)進(jìn)行結(jié)合，提高航空發(fā)動機(jī)本身能量利用率的同時(shí)使得飛機(jī)更加的電氣化，航空發(fā)動機(jī)也能作為電機(jī)的熱沉，吸收電機(jī)產(chǎn)生的廢熱用于做功，進(jìn)一步提升效率。

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