美國航空航天局（NASA）的X系列試驗飛機曾經創(chuàng)造了航空史上一系列里程碑。例如，1947年首飛的X-1是歷史上第一架超音速飛機。近期，NASA又宣布了其最新的X系列飛機計劃——X-57，這是時隔十幾年，繼X-43飛機后首款由NASA獨立研發(fā)的X系列飛機。

　　此次公開的編號為X-57的最新試驗驗證機，NASA將其命名為“麥克斯韋”，以紀念蘇格蘭著名物理學家、數學家詹姆斯·麥克斯韋。據悉，這款試驗機將被用于測試最新的電推進技術。

　　X系列飛機

　　為了探索航空航天業(yè)的未知領域，NASA在半個多世紀前就開始了X系列試驗飛行器的研究工作。之所以起名X系列，是因為X是“Experimental”這個單詞的縮寫，即“試驗”之意，同時也蘊涵著對未知領域探索的深層含義。

　　在飛行器設計領域，未知的技術障礙與難題比比皆是，即使是通過風洞、模擬器和計算機仿真，也只能構建出一個理想狀態(tài)下的模型，具體的試驗數據仍需要研制專門用途的試驗機來獲得。

　　1945年初，世界上第一架火箭動力試驗機XS-1（后來命名為X-1）在美國軍方的資助下首飛成功。此后30年中，以X冠名的試驗飛行器幾乎每年都要研制一種，其研制速度快得驚人，這段時間成為X系列試驗飛行器發(fā)展的黃金時期。

　　但好景不長，越南戰(zhàn)場上的節(jié)節(jié)退敗和蘇聯(lián)全球范圍內的戰(zhàn)略緊逼，使得美國開始進入戰(zhàn)略調整階段。在這種大環(huán)境下，X系列試驗飛行器的研制也陷入了停頓。從1971年至1983年，NASA沒有進行任何一款X試驗機的研制工作。

　　里根上臺后，沉寂多年的X系列試驗飛行器計劃終于迎來了轉機。1984年，X-29A前掠翼試驗機成功首飛，重新拉響了美國向未知航空航天領域前進的號角。20世紀90年代，先后有14種X系列試驗飛行器投入研制，X系列試驗飛行器計劃迎來了第二個黃金時代。

　　今天，X系列試驗飛行器已經不再單純以“更高、更快”作為其發(fā)展目標了，跨大氣層飛行器、太空營救系統(tǒng)、無人隱形武器投送平臺等成為新的發(fā)展亮點。

　　而在民用航空領域，NASA將分布式電推進系統(tǒng)視為未來航空器的一個發(fā)展方向，認為這項技術在短途個人飛機、通勤飛機以及支線飛機上都有很好的應用前景。

　　為此，NASA批準了一項為期３年、總金額1500萬美元的項目，對分布式電推進X驗證機開展試飛工作。該驗證機基于輕型通用飛機，一旦證明技術可行，NASA將在一型9座通勤飛機驗證機上進行試驗，為在60?90座級混合電推進支線飛機上應用打下基礎。

　　14臺發(fā)動機

　　NASA此次公開的X-57試驗機是在意大利飛機制造商Tecnam公司的P2006T輕型活塞雙發(fā)飛機基礎上改進而來的。飛機上原來的機翼和兩臺汽油活塞發(fā)動機被安裝了14臺電動機的細長機翼所取代。其中，位于機翼前緣的12臺較小的電動機用于巡航飛行。

　　NASA的研究人員希望，這種通過向一架飛機上多臺發(fā)動機配送電力的方式可以將飛機能耗降低80%，將運營成本降低40%。由于X-57試驗機僅由電池驅動，沒有碳排放的問題，因此還將驗證取代通用航空領域仍在使用的含鉛燃油的可能性。

　　目前，X-57飛機第一階段的研制工作已經完成。下一步，NASA計劃在2017年開始飛行試驗，首要目標是驗證飛機在巡航狀態(tài)下能否將所需能量降低5倍左右。能量的節(jié)省可能來自兩方面：第一，碳氫燃料的燃燒效率從28%提高到電推進系統(tǒng)的92%，這一因素貢獻了2.9?3.3倍的能量節(jié)��；第二，其余的能量節(jié)省則來自于氣動集成收益。

　　氣動集成收益來自于減小的機翼。目前的通用飛機由于需要滿足61節(jié)（112.97公里/小時）的失速速度要求，機翼比較大。而前緣分布式電推進螺旋槳會產生一個55節(jié)（101.86公里/小時）的機翼誘導速度，提高機翼升力，因此機翼可以更小，這對于減重、減阻大有裨益。

　　另外，前緣高升力槳葉可以在巡航狀態(tài)時停止運轉并折疊，以降低阻力。此時，僅有翼尖槳葉在工作，并從翼尖渦中獲取能量。NASA在上世紀80年代開展的風洞試驗以及最近的計算流體力學分析結果表明，這項技術可以提高9%?15%的推進效率。對于更大、更快的渦槳支線飛機，則可將推進效率提高20%。

　　除了推進效率的提升，NASA預計采用前緣分布式電推進技術的飛行器總運營成本可降低30%。這一方面是由于氣動集成收益，另一方面是相對于航空燃油，電力成本要低得多。目前，電力成本僅為汽車汽油成本的一半，汽車汽油成本為航空燃油成本的一半，而航空燃油成本占據了通用航空運營成本的一半。

　　目前，一般電池的壽命要求應達到2000次充電循環(huán)。對于小型客機定期運營商，如與NASA緊密合作的Cape Air公司，這相當于每兩年更換一次電池組。

　　當電池能量密度達到400?500瓦·時/公斤時，電力推進系統(tǒng)對于航空業(yè)來說將變得經濟可行。NASA的X驗證機計劃在電池組能量密度約200瓦·時/公斤的情況下飛行，能夠飛行322公里。如果超出這一距離，就需要更高能量密度的電池組，或進行空中充電。

　　除推進效率提升、運營成本降低外，NASA預測新型飛行器的噪聲相比當前螺旋槳驅動的通用飛機可降低15分貝。西銳公司SR22輕型飛機的槳葉葉尖速度為274.3米/秒，X-57驗證機上的高升力槳葉的葉尖速度僅為122?152.4米/秒。另外，還可通過每一組槳葉在略微不同的轉速下工作來進一步降低噪聲。

　　NASA宣稱，前緣分布式電推進技術的優(yōu)勢還包括較高的推進系統(tǒng)冗余度（能夠承受任何單個推進器故障）以及基于推力增強的魯棒性飛行控制。電動機在30?60秒內能夠產生超過50%的動力，以抵消槳葉或其他電動機的損失，也可以通過提升流過機翼的氣流速度來避免失速。

　　未來發(fā)展規(guī)劃

　　未來，根據計劃NASA還將替換P2006T飛機的機翼和發(fā)動機，但保留機身和尾翼不受影響。在第一階段，NASA將采集P2006T飛機的飛行數據，以建立直接與X飛機比較的基線性能。第二階段，在研發(fā)新型機翼的同時，原有飛機機翼的翼尖將安裝巡航電動機和槳葉，取代P2006T的活塞發(fā)動機，并開展飛行試驗來檢查電池組、電動機和控制系統(tǒng)。第三階段將包括翼尖采用電動機以及前緣采用短艙的分布式電推進機翼飛行試驗。第四階段將進行包括前緣分布式電動機和折疊槳葉構型的飛行試驗。

　　NASA的另一個目標是幫助建立分布式混合電推進飛機的取證標準。NASA正與一些標準研發(fā)機構，如ASTM國際等開展合作，以推進新的能同時用于電動推進系統(tǒng)和通用飛機取證的一致標準。根據計劃，X飛機將向FAA提出虛擬取證申請，從而了解電動飛機取證可能面臨的問題，這將有助于引領規(guī)則的制定。

　　在NASA的長期規(guī)劃中，X-57飛機僅僅是在更大的主流商用飛機上使用電力推進系統(tǒng)的第一步。NASA技術路線圖的下一步是9座短距通勤飛機驗證機，預計在2021年首飛，并作為2026年首飛的混合電推進支線飛機驗證機的縮比原型機。

　　其他可能應用到未來分布式電推進飛機的技術還包括：低阻大展弦比機翼和機身邊界層抽吸技術、穩(wěn)健的冗余電力結構以及混合增程的輔助動力裝置等。NASA正計劃將這些技術引入到早期的選用市場，在對這些技術完成驗證后，將逐步應用到更大的民用飛機市場。（文/齊�。�