独具匠心的新设计

云凝

NASA用于验证LEAPTech技术的混合电力集成系统试验台。

今年3月，一个造型独特的验证机来到了NASA的阿姆斯特朗飞行研究中心，实际上这还不能说是验证机，只是将一个用于试验的机翼安装在一个专门改装的卡车上。这个由卡车带动的可移动地面试验台被称为混合电力集成系统试验台（HEIST），而在其上试验的，则是NASA支持的、可用于新型电动飞机的前沿异步螺旋桨技术（LEAPTech）项目。

LEAPTech项目开始于2014年，由来自NASA兰利研究中心和阿姆斯特朗研究中心的研究人员与两家加利福利亚的公司——位于庇斯摩海滩的实验系统航宇（ESAero）公司和位于圣地克鲁兹的宙比（Joby）航空公司——开展合作。其中，实验系统航宇公司是项目的主承包商，负责HEIST的系统集成和安装，而宙比航空公司则是本项目所采用的LEAPTech技术的研发者，负责设计和制造电动机、螺旋桨和碳纤维机翼段。

LEAPTech技术特点

电动飞机由于传动简单、可靠、低噪音、低维护等良好的环保特性，日益受到现代人的关注和支持。由于现有驱动电机的特性，使得目前研发、销售的电动飞机都采用了传统的空气螺旋桨推进器，而在传统的惯性下，绝大多数电动飞机的总体布局也沿袭了传统热机式螺旋桨飞机的布局。在此种布局中，电动机带动一个或者多个较大直径的螺旋桨，以产生推力。但在宙比航空公司的研究人员看来，这是不够合理的。首先，由于小型电动机一般适用于小扭矩、高转速的工况，用其来带动较大直径的螺旋桨时，就会产生明显的不匹配现象，会导致推进效率下降;其次，在传统的螺旋桨飞机上，螺旋桨滑流会对机翼的升力产生显著影响，但是位于螺旋桨滑流之中的机翼展长只占全部机翼的一小部分，所以导致其对总体升力的增益相对较小。而宙比公司推出的LEAPTech技术，正是为了综合这两方面的优点，规避其缺点，从而创造出了一种新的电动飞机构型。

在LEAPTech技术的实施方案中，最引人注目的，是其机翼前沿具有大量的小电动机及驱动的螺旋桨，例如装在HEIST试验台上的试验型机翼，为翼展31英尺（约9.45米）的碳纤维复合材料机翼，其前沿采用了18台（每侧9台）由磷酸锂电池驱动的电动机，各自带动一个小直径三叶螺旋桨。

这种新构型的最大优势，就是可以利用几乎均匀分布在机翼前方的螺旋桨，在产生推力的同时，利用螺旋桨滑流对机翼翼面气流的加速作用，大幅度提高机翼的升力系数。经过分析，由于螺旋桨滑流的影响，可以在机翼上表面形成较为均匀的低压区，这等于直接增加了机翼的升力。对于目前功率密度较低的电动飞机来讲，这可以显著降低机翼的失速速度，改善起飞和着陆性能;允许减小机翼弦长，在缩小机翼面积的同时，可以减少巡航阻力和结构重量;可以简化、甚至取消结构复杂的传统多级襟翼增升系统;此外，较小的翼面积可以减少阵风敏感度，有望显著提高小型电动飞机的乘坐舒适性。

另外，借助于电动力系统的良好调节性和短时过载性能，还能具备强大的推进控制能力，每一个电动机能够在不同的速度下单独操作，以优化性能。可以通过对各个推进器的运转进行实时调速、切换，使得动力系统的推进特性、机翼的升力特性和飞机的飞行条件实时配合，以实现与外界负载的最佳匹配。同时，数量众多的分布式电动推进器提供了巨大的冗余度，推进系统的可靠性得到了极高的保障。

LEAPTech技术中的螺旋桨设计也显著不同于传统的窄弦长、大直径、可变桨距螺旋桨，而是采用了小直径、宽弦长、固定桨距的设计。以目前装在移动试验台上的螺旋桨为例，其设计为三片桨叶，直径0.45米，这个直径是综合考虑了翼展和螺旋桨数目的匹配、降低空气噪音、推进性能以及生产成本等而确定的。当处于最大起飞推力（即最高转速）时，其叶尖速度仅有137米/秒，远远低于传统螺旋桨的近音速设计，噪音可以显著下降;较大的叶片弦长，则保证了形成足够有力的螺旋桨滑流，以产生增升作用;由于负荷较低，螺旋桨叶片采用较为便宜的玻璃纤维复合材料制造，在保证性能的同时可以降低成本;考虑到电动飞机的巡航速度较低，电动机的调速也很方便，采用了固定桨距的设计，通过调节转速来改变螺旋桨推力，这样就不需要设置复杂的可变桨距机构。

但是，三片桨叶方案螺旋桨是基于生产成本最优而设计的，目前宙比公司还在研究新型的五片桨叶方案螺旋桨，可以进一步提高推进性能，降低噪音。五片桨叶方案螺旋桨还设计了桨叶折叠功能，在较低负荷和速度、可以关闭部分发动机时，停止运转的桨叶可以折叠靠拢电动机舱，以降低迎风阻力。宙比公司也考虑过共轴对转螺旋桨方案，这个方案可以形成更强大的螺旋桨滑流，进一步提高升力系数，但其结构略显复杂，成本较高，噪音也较大，在目前的配装机型方案中没有明显优势，所以放弃了，但若LEAPTech技术日后成功大型化，则共轴对转螺旋桨方案仍不失为一个较好的选择。

设计方案的对比

目前LEAPTech设计方案为一架4座轻型飞机，在此设计中，沿翼展方向均匀设置了18个被安装在短舱内的电动机，其设计最大起飞重量为1 362千克，翼展9.45米，翼面积5.12平方米，展弦比17.4，设计巡航速度320千米/小时，巡航升阻比0.77。与之相比，西锐SR22是目前市场上已有的一种4座轻型飞机，其设计最大起飞重量为1 543千克，翼展11.68米，翼面积13.48平方米，展弦比10.1，设计巡航速度338千米/小时，巡航升阻比0.30。

从以上参数对比可以看出，LEAPTech设计方案在重量上占有一定优势，由于发动机和螺旋桨数量较多，导致巡航阻力略大，巡航速度略低，但机翼尺寸和重量均得以明显减小，巡航升阻比是SR22的两倍多，充分说明了该设计方案通过螺旋桨滑流来提高升力的显著增益。总体而言，LEAPTech设计方案的优势比SR22要明显。按照原定规划，LEAPTech设计方案的电池充电一次可飞行370千米，混合动力模式可飞行740千米，由于升力提高明显，起降距离也得以缩短，从跑道起飞的滑跑距离不超过610米，比美国联邦航空管理局（FAA）为小型客机推荐的滑跑距离短213米。

结语

目前，LEAPTech在HEIST试验台的测试仍在继续。据NASA宣称，LEAPTech技术对于减少对化石燃料的依赖性、增强飞机飞行性能和操纵性能、有效降低飞机的噪音有重大意义。LEAPTech技术是未来的十年中，NASA计划将飞机制造业向电子推进系统转化的重要环节。接下来，NASA计划改装一架意大利生产的泰克南（Tecnam）P2006T飞机，去掉其原装的发动机和机翼，换上经过进一步优化的LEAPTech机翼和发动机组件，在真实飞行中对LEAPTech机翼的性能进行测试。如果测试取得令人满意的效果，那么LEAPTech技术可望在未来的轻小型电动飞机上得到推广和应用，如果电动力技术获得突破性进展，能够提供跟现代化石燃料发动机相当的功率密度，LEAPTech技术还有望应用到更大的飞机上。

利用LEAPTech技术改装后的P2006T想象图。

责任编辑：王鑫邦