核心提示： 設(shè)計(jì)保證了93%的飛機(jī)重量在向前飛行中由機(jī)翼負(fù)擔(dān)，7%由機(jī)尾負(fù)擔(dān)，這就有更短的跨度，同時(shí)空氣動力學(xué)效率更高。North說：“我們的目標(biāo)是做歷史上空氣動力學(xué)效率最高的VTOL飛機(jī)——空氣動力學(xué)效率為旋翼飛機(jī)巡航時(shí)的4倍。

揭秘NASA配置十個發(fā)動機(jī)的垂直起降無人機(jī)

揭秘NASA配置十個發(fā)動機(jī)的垂直起降無人機(jī)

中國航空新聞網(wǎng)訊：據(jù)英國《航空周刊》網(wǎng)站報(bào)道，NASA(美國國家航空航天局)在展示垂直起降(VTOL)概念飛機(jī)中邁出了關(guān)鍵的第一步。VTOL飛機(jī)能夠高效巡航，引領(lǐng)從長程無人機(jī)到個人飛機(jī)的潛在設(shè)計(jì)方式，從而確保高效且無需跑道。

今年4月份，美國宇航局蘭利研究中心(NASA Langley)公布了正處于研發(fā)之中的一款新型電動飛機(jī)“閃電”(Greased Lightning，也稱為GL-10)。該無人機(jī)有10個電動螺旋槳：8個位于側(cè)翼上，2個位于尾翼上。

試驗(yàn)中的分散式電力推進(jìn)系統(tǒng)在最初的飛行中由電池提供動力，但NASA計(jì)劃在今年后期將飛機(jī)升級為混合動力：由一個小型的內(nèi)置燃燒引擎帶動發(fā)電機(jī)，為飛機(jī)巡航提供動力，在起降時(shí)由電池進(jìn)行補(bǔ)償。

“閃電”因此得名，即將柴油和電力結(jié)合，保證無人機(jī)20英尺的跨度、275鎊的垂直起飛重量和高達(dá)24小時(shí)的巡航能力，之后垂直降落。10英尺寬，重達(dá)62磅的GL-10是為后續(xù)機(jī)型設(shè)計(jì)的50%版本，之后還會有許多5磅和25磅重的機(jī)型。

航空工程師David North說：“我們已經(jīng)展示了飛機(jī)如何穩(wěn)健地從徘徊于翼載飛行和翼轉(zhuǎn)回過渡，對之前所有的VTOL設(shè)計(jì)而言，并不能完全達(dá)到。此外，對所有動力而言，我們完全能夠在過度范圍內(nèi)的每一個點(diǎn)上控制動力。”

過渡范圍是機(jī)翼角度和飛行速度的結(jié)合體，在推動飛行和翼載飛行間的轉(zhuǎn)化中，飛行中的飛機(jī)必須保持在一定范圍內(nèi)，并且維持足夠的控制。他指出：如果機(jī)翼向下傾斜太快而沒有足夠的向前飛行速度，那么它就會掉下來。

偏轉(zhuǎn)翼飛機(jī)可能遇到氣流分離和機(jī)翼失速等問題，到目前為止已經(jīng)限制了機(jī)翼能夠傾斜的角度。“閃電”使用了多個推進(jìn)器，它們對機(jī)翼和副翼轉(zhuǎn)彎力在轉(zhuǎn)化中提供了穩(wěn)健的飛行控制。

航空工程師Bill Fredericks說：“之前的傾翼飛機(jī)只能在過渡速度范圍內(nèi)工作，這使機(jī)翼位于失速攻角之下，這限制了飛機(jī)的運(yùn)行能力。問題的原因是它們沒有有效控制，只是飛行員的事情。”

GL-10是遙控飛行的，但穩(wěn)定的補(bǔ)償和控制分配是自主的，這包括了過渡中的補(bǔ)償和控制分配。飛行員的控制有三種設(shè)置：選擇翼和尾垂直;中間點(diǎn)或是緩慢向前飛行，機(jī)翼和機(jī)尾部分傾斜;同時(shí)還有完全向前飛行，機(jī)翼和機(jī)尾水平。

在試驗(yàn)飛行中，飛機(jī)通常垂直起飛至10到15英尺，部分轉(zhuǎn)換到緩慢向前飛行，安全爬升到大約500英尺的林木線以上，之后完全過渡。在后續(xù)的工作中，NASA計(jì)劃使飛機(jī)更加自主并且更快轉(zhuǎn)化。

在轉(zhuǎn)化中，傾斜大約45°，機(jī)翼和機(jī)尾完全失速，但仍然能夠產(chǎn)生足夠的提升力，它與螺旋槳推力結(jié)合起來，使飛機(jī)飛行并且處于控制之中。North說：“機(jī)載控制器會巧妙并且很快穩(wěn)定不安全的飛機(jī)，控制效果器有足夠的動力將它推向穩(wěn)定狀態(tài)”。

飛機(jī)沒有使用任何機(jī)械設(shè)備保持機(jī)翼上的氣流。底側(cè)是失速氣流不穩(wěn)定的地方，形成了減穩(wěn)旋轉(zhuǎn)和偏航力矩。在內(nèi)部氧化物機(jī)型試驗(yàn)中，NASA的工程師發(fā)現(xiàn)了檔位令人頭疼的趨勢，從左翼到右翼以及機(jī)尾，震動的非?？臁redericks說，“這非常難于解決。”

最終，他們找到了一個控制設(shè)置方法，可以提早消除這一現(xiàn)象。當(dāng)飛機(jī)一開始旋翼，發(fā)動機(jī)的“繼電控制”和副翼阻止這一動作，并且使飛機(jī)重回到水平飛行。他說：“氣流被分離開了，但控制器以很高的頻率，利用分散分布的推進(jìn)器作為控制效應(yīng)器，進(jìn)行穩(wěn)定補(bǔ)償”。

在轉(zhuǎn)化中，變化的發(fā)動機(jī)推力產(chǎn)生控制彎矩，它幾乎與翼弦軸正交，而副翼產(chǎn)生與翼弦平行的彎矩。他說：“推力與副翼之比在一開始不正常，但我們將它變得更加有利。”。在GL-10中，左側(cè)機(jī)翼上的4個引擎同時(shí)接受指令，右側(cè)機(jī)翼上的4個引擎及尾翼上的2個引擎也是如此。

“閃電”有一個后掠翼，但這樣設(shè)計(jì)并不是為了飛的更快，而是在機(jī)翼和機(jī)尾垂直切換，以及水平巡航中，都使飛機(jī)保持平衡。同時(shí)推力的80%在機(jī)翼上，20%在機(jī)尾上。設(shè)計(jì)保證了93%的飛機(jī)重量在向前飛行中由機(jī)翼負(fù)擔(dān)，7%由機(jī)尾負(fù)擔(dān)，這就有更短的跨度，同時(shí)空氣動力學(xué)效率更高。

Fredericks認(rèn)為，后掠翼的另外一個好處是GL-10沒有起落架，在傾斜時(shí)機(jī)翼和機(jī)尾端部向下，這樣就可以減輕重量。在過渡中，機(jī)尾以低速傾斜時(shí)，水平尾翼上的二面角提供了風(fēng)向標(biāo)方向穩(wěn)定作用。

計(jì)劃的下一步是展示巡航效率，通過在向前飛行中，關(guān)閉翼尖推進(jìn)器以外的所有部件來完成。North說：“我們的目標(biāo)是做歷史上空氣動力學(xué)效率最高的VTOL飛機(jī)——空氣動力學(xué)效率為旋翼飛機(jī)巡航時(shí)的4倍。GL-10的升阻比應(yīng)該為14左右，其他VTOL沒有一個有那么高。”

除了這以外，NASA計(jì)劃用混合電動引擎更換巡航電池。發(fā)電機(jī)由現(xiàn)成的單缸無人機(jī)引擎驅(qū)動，會產(chǎn)生巡航所需的足夠電動力，但同時(shí)也不得不由電池進(jìn)行1到2分鐘的補(bǔ)償，它需要在垂直起降時(shí)使用。

NASA同樣在籌劃完全自主的飛行，也在對噪音更低的推進(jìn)器進(jìn)行試驗(yàn)。該局與Launch Point科技公司共同開發(fā)異步發(fā)動機(jī)，每個都在以稍微不同的速度推進(jìn)。

Fredericks稱，將VTOL與高效巡航飛行結(jié)合起來應(yīng)該能夠開啟一個潛在的市場，這個市場在今天還沒有被看到，這是因?yàn)槠渌渲媚途眯缘南拗?。他說，目前多種直升機(jī)，流行的VTOL無人機(jī)配置“將走入死胡同，他們的效率非常低。升阻比僅為3或4，航程非常有限，飛行時(shí)間僅為30分鐘。而‘閃電’能攜帶很大的起飛重量飛的更遠(yuǎn)。”(普林斯/編譯)

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