X-57：NASA的下一个里程碑

X-57：NASA的下一个里程碑

作者：齐汀

来源：《大飞机》2016年第05期

美国航空航天局（NASA）的X系列试验飞机曾经创造了航空史上一系列里程碑。例如，1947年首飞的X-1是历史上第一架超音速飞机。近期，NASA又宣布了其最新的X系列飞机计划——X-57，这是时隔十几年，继X-43飞机后首款由NASA独立研发的X系列飞机。

此次公开的编号为X-57的最新试验验证机，NASA将其命名为“麦克斯韦”，以纪念苏格兰著名物理学家、数学家詹姆斯·麦克斯韦。据悉，这款试验机将被用于测试最新的电推进技术。

X系列飞机

为了探索航空航天业的未知领域，NASA在半个多世纪前就开始了X系列试验飞行器的研究工作。之所以起名X系列，是因为X是“Experimental”这个单词的缩写，即“试验”之意，同时也蕴涵着对未知领域探索的深层含义。

在飞行器设计领域，未知的技术障碍与难题比比皆是，即使是通过风洞、模拟器和计算机仿真，也只能构建出一个理想状态下的模型，具体的试验数据仍需要研制专门用途的试验机来获得。

1945年初，世界上第一架火箭动力试验机XS-1（后来命名为X-1）在美国军方的资助下首飞成功。此后30年中，以X冠名的试验飞行器几乎每年都要研制一种，其研制速度快得惊人，这段时间成为X系列试验飞行器发展的黄金时期。

但好景不长，越南战场上的节节退败和苏联全球范围内的战略紧逼，使得美国开始进入战略调整阶段。在这种大环境下，X系列试验飞行器的研制也陷入了停顿。从1971年至1983年，NASA没有进行任何一款X试验机的研制工作。

里根上台后，沉寂多年的X系列试验飞行器计划终于迎来了转机。1984年，X-29A前掠翼试验机成功首飞，重新拉响了美国向未知航空航天领域前进的号角。20世纪90年代，先后有14种X系列试验飞行器投入研制，X系列试验飞行器计划迎来了第二个黄金时代。

今天，X系列试验飞行器已经不再单纯以“更高、更快”作为其发展目标了，跨大气层飞行器、太空营救系统、无人隐形武器投送平台等成为新的发展亮点。

而在民用航空领域，NASA将分布式电推进系统视为未来航空器的一个发展方向，认为这项技术在短途个人飞机、通勤飞机以及支线飞机上都有很好的应用前景。

为此，NASA批准了一项为期3年、总金额1500万美元的项目，对分布式电推进X验证机开展试飞工作。该验证机基于轻型通用飞机，一旦证明技术可行，NASA将在一型9座通勤飞机验证机上进行试验，为在60～90座级混合电推进支线飞机上应用打下基础。

14台发动机

NASA此次公开的X-57试验机是在意大利飞机制造商Tecnam公司的P2006T轻型活塞双发飞机基础上改进而来的。飞机上原来的机翼和两台汽油活塞发动机被安装了14台电动机的细长机翼所取代。其中，位于机翼前缘的12台较小的电动机用于巡航飞行。

NASA的研究人员希望，这种通过向一架飞机上多台发动机配送电力的方式可以将飞机能耗降低80%，将运营成本降低40%。由于X-57试验机仅由电池驱动，没有碳排放的问题，因此还将验证取代通用航空领域仍在使用的含铅燃油的可能性。

目前，X-57飞机第一阶段的研制工作已经完成。下一步，NASA计划在2017年开始飞行试验，首要目标是验证飞机在巡航状态下能否将所需能量降低5倍左右。能量的节省可能来自两方面：第一，碳氢燃料的燃烧效率从28%提高到电推进系统的92%，这一因素贡献了2.9～3.3倍的能量节省；第二，其余的能量节省则来自于气动集成收益。

气动集成收益来自于减小的机翼。目前的通用飞机由于需要满足61节（112.97公里/小时）的失速速度要求，机翼比较大。而前缘分布式电推进螺旋桨会产生一个55节（101.86公里/小时）的机翼诱导速度，提高机翼升力，因此机翼可以更小，这对于减重、减阻大有裨益。

另外，前缘高升力桨叶可以在巡航状态时停止运转并折叠，以降低阻力。此时，仅有翼尖桨叶在工作，并从翼尖涡中获取能量。NASA在上世纪80年代开展的风洞试验以及最近的计算流体力学分析结果表明，这项技术可以提高9%～15%的推进效率。对于更大、更快的涡桨支线飞机，则可将推进效率提高20%。

除了推进效率的提升，NASA预计采用前缘分布式电推进技术的飞行器总运营成本可降低30%。这一方面是由于气动集成收益，另一方面是相对于航空燃油，电力成本要低得多。目前，电力成本仅为汽车汽油成本的一半，汽车汽油成本为航空燃油成本的一半，而航空燃油成本占据了通用航空运营成本的一半。

目前，一般电池的寿命要求应达到2000次充电循环。对于小型客机定期运营商，如与NASA紧密合作的Cape Air公司，这相当于每两年更换一次电池组。

当电池能量密度达到400～500瓦·时/公斤时，电力推进系统对于航空业来说将变得经济可行。NASA的X验证机计划在电池组能量密度约200瓦·时/公斤的情况下飞行，能够飞行322公里。如果超出这一距离，就需要更高能量密度的电池组，或进行空中充电。

除推进效率提升、运营成本降低外，NASA预测新型飞行器的噪声相比当前螺旋桨驱动的通用飞机可降低15分贝。西锐公司SR22轻型飞机的桨叶叶尖速度为274.3米/秒，X-57验证机上的高升力桨叶的叶尖速度仅为122～152.4米/秒。另外，还可通过每一组桨叶在略微不同的转速下工作来进一步降低噪声。

NASA宣称，前缘分布式电推进技术的优势还包括较高的推进系统冗余度（能够承受任何单个推进器故障）以及基于推力增强的鲁棒性飞行控制。电动机在30～60秒内能够产生超过50%的动力，以抵消桨叶或其他电动机的损失，也可以通过提升流过机翼的气流速度来避免失速。

未来发展规划

未来，根据计划NASA还将替换P2006T飞机的机翼和发动机，但保留机身和尾翼不受影响。在第一阶段，NASA将采集P2006T飞机的飞行数据，以建立直接与X飞机比较的基线性能。第二阶段，在研发新型机翼的同时，原有飞机机翼的翼尖将安装巡航电动机和桨叶，取代P2006T的活塞发动机，并开展飞行试验来检查电池组、电动机和控制系统。第三阶段将包括翼尖采用电动机以及前缘采用短舱的分布式电推进机翼飞行试验。第四阶段将进行包括前缘分布式电动机和折叠桨叶构型的飞行试验。