极短距起降能替代电动垂直起降吗？

格雷厄姆·沃里克

在电动垂直起降概念大热的背景下，另有观点认为，技术的进步使得短距起降能更快的通过认证，率先打入城市空中交通和支线飞机市场，并能实现有益的经济效益。

虽然目前许多航空初创企业都将重点放在电动垂直起降（eVTOL）和城市空中交通（UAM）上，但另有部分观点认为，极短距起降（Super-STOL，SSTOL）和支线服务可能更容易获得认证，且短期内在经济上更可行。

这一观点源于20世纪70年代的一种短距离运输的设想，即利用短距起降（STOL）飞机解决主要机场日益严重的拥堵和噪声问题。美国航空航天局（NASA）和联邦航空管理局（FAA）都把安静、清洁的短距起降飞机，视为能使因城市化而陷入困境的机场得到更好利用的方式之一。不过，在当时的技术情况下，这种设想的经济效益却并不理想。

进入21世纪20年代，随着电动推进技术的发展，短距起降能力重新被认为极具潜力。短距起降能更好地释放电动推进的优势，且技术挑战较小，短期内的经济回报也更高。

而电动垂直起降的机遇在于，可通过便利的城市垂直机场条件实现运营，使航空运输更便利。但也存在的挑战，一是垂直飞行对能量效率的要求高；二是若升空和控制都使用电推力，会容易逼近电源失效边界。

电动短距起降（eSTOL）的机遇是其在能量密度和适航认证方面的障碍小，但挑战是必须具有足够的进近性能，起降距离要短到能使用和电动垂直起降飞行器一样的机场完成进场。优点是当进入分布式电推进（DEP）飞行和升空时，螺旋桨和空气动力相互作用，可在低空速下实现高升力。这些因素结合在一起，使短距起降能以较低的重量和成本实现极高的性能潜力。

20世纪60年代的STOL飞机——941涡桨运输机

20世纪60年代的布雷盖（Breguet）941涡桨运输机就是一个很好的例子，其展示了采用传统推进技术的短距起降飞机的性能和复杂性。941飞机的设计起飞高度为185m，可搭载60人，通过全翼展开缝的襟翼使4个超大螺旋桨的滑流偏转。

941飞机的动力来自4台透博梅卡·特尔莫（TurbomecaTurmo）涡桨发动机，每台发动机都有一个自由涡轮驱动贯穿机翼的主轴。主轴通过一根轴连接到每个螺旋桨，确保来自发动机的动力能均匀地分配到各个螺旋桨。如果其中一台发动机故障，其自由涡轮将被隔离，但螺旋桨将继续转动。

941飞机于1961年首飞，1964年在巴黎伊西莱穆利欧和布鲁塞尔市中心阿勒维特的直升机停机坪之间进行了演示飞行。941飞机和生产型的941S在美国飞了两次，在1964-1965年作为麦克唐纳公司的188飞机飞行，在1968-1969年再次作为麦克唐纳·道格拉斯公司的188飞机飞行，其中包括为美国航空（AA）和美国东方航空（EAL）进行演示。

图1 电动短距起降的机遇是能量密度和适航认证方面的障碍小。

但由于拿不到航空公司的订单，运营成本便成为一大障碍因素，941飞机早早退役。但短距起降的研究仍在继续，NASA于1978年试飞了“安静短途研究飞机”（QSRA）。这是一架加拿大德哈维兰（De Havilland）DHC-5“水牛”运输机，改装了新机翼，有4个Avco公司莱康明YF102涡扇发动机提供上表面吹风。“安静短途研究飞机”于1993年退役，但其为波音C-17运输机的设计做出了贡献。

图2 20世纪60年代的布雷盖941涡桨运输机就是一个短距起降飞机的经典的例子。

皮卡公司的eSTOL无人机和Metro Hop飞机概念

美国加州的初创公司皮卡（Pyka）正在新西兰使用eSTOL无人机进行作物喷洒作业。皮卡公司生产的飞机由机翼和尾翼上的3个20kW的电动机提供动力，能在45m的高度飞行，可携带280kg的任务载荷。该飞机设计为不使用动力升空，而是有一个类似帆板的机翼，加带全翼展襟翼，可在低速时实现高升力。巡航速度为140km/h，可在两次飞行之间更换电池，每小时的作业面积可覆盖85～135英亩（约34～55公顷）。

该系列另有一种Metro Hop飞机概念，由德国斯图加特大学的e-Genius电动飞机团队为皮卡公司设计。这是一个两座的eSTOL飞行器，被设计为能在60m的高度进行起降，可携带450kg任务载荷、以400km/h的速度飞行160km。

皮卡公司首席执行官布鲁诺·莫布里尼（Bruno Mombrinie）表示，Metro Hop概念最初设想的应用是将医疗用品从中央仓库快速运送到各地医院。从仓库屋顶的平台上起飞时，飞机的电动机首先在4～5s内将飞机加速至96km/h，然后主起落架的架腿会推动机头向上旋转来进行起飞。而为了进行精确着陆，飞机会先测量自身到屋顶平台的距离，然后在着陆标志上方伸出电动起落架与地面接触，之后机翼升力被破坏，同时进行刹车减速完成着陆。货物装卸和电池替换则使用机器人完成。

英国法拉第公司的生物电动混合飞机概念

英国初创公司法拉第（Faradair）凭借其生物电动混合飞机（BEHA）概念，采取了不同的STOL区域运输方法。BEHA能在300m以下的高度起降，能以370km/h的巡航速度飞行1850km，其具有一个高升力的三重机翼，三个交错的升力面通过垂直安定面连接在翼尖。法拉第常务董事尼尔·克劳利（Neil Cloughley）表示，建模分析表明，BEHA飞机能以75km/h、16°迎角和类似于波音747的升阻比升空。

图3 皮卡公司一架电动eSTOL 无人机在新西兰进行作物喷洒。

图4 德国斯图加特大学设计的Metro Hop飞机概念。

BEHA飞机由一台1600shp的涡轮发动机和500kW的电动机提供推力，驱动管道中的反向旋转风扇，增加推力，降低噪声，并为飞行控制提供矢量推力。起飞时主要靠电池供电完成，以减少噪声和排放，然后过渡到涡轮发动机巡航并为电池充电，以便在发动机出现故障时提供备用电源。

BEHA的设计巡航速度为370km/h，在更高的速度下，来自机翼和管道的阻力代价将太大。但法拉第公司主要瞄准了和直升机的竞争，聚焦使飞机飞行速度更快、飞行距离更远、效率更高且噪声更小。克劳利认为BEHA可以完成一架大型直升机90%的任务。

BEHA概念飞机家族中计划的第一个成员是MH1，这是混合动力BEHA的初级版，采用非增压客舱设计，翼展16.8m，可在搭载18名乘客、装载3个LD3货运集装箱或5t重任务载荷的选项间快速切换。目前，MH1正在斯旺西（Swansea）大学进行最终设计优化，目标是在2023至2024年首飞，2025至2026年取证。

法拉第公司近期将迁至剑桥郡的达克斯福德（Duxford）机场，开始开发BEHA的全尺寸原型机。达克斯福德机场是欧洲最大的航空博物馆所在地，该公司正与帝国战争博物馆（IWM）和土地所有者，即剑桥大学的冈维尔和凯斯学院合作迁址。按计划应在9月1日迁入新址，该公司也将成为首家参与“达克斯福德航空技术”区域发展计划的公司，这项计划是冈维尔和凯斯学院在帝国战争博物馆的支持下提出的，要在博物馆建立一个航空技术中心。

除了初级版MH1外，法拉第公司还计划推出无人版的MH1T，主要用于军事后勤和消防。全电动的BEHA E1预计于2030年投入运营，将使用电池或氢燃料电池，该公司还表示MH1将可通过补充型号认证修改升级到E1。

图5 主动式起落架腿和电动车轮为Metro Hop 概念提供了STOL性能。

麻省理工学院的4座SSTOL

极光飞行科学公司（现并入波音）创始人兼前首席执行官约翰·兰福德（John Langford）成立了电气航空公司（Electr.Aero），旨在开发一种极短距起降（SSTOL）混合动力飞机，使用分布式电推进（DEP）和动力升空以实现支线交通。他与麻省理工学院的一个团队合作，该团队一直在研究SSTOL作为eVTOL的替代品用于城市空中交通。

麻省理工学院的研究生克里斯托弗·考廷（Christopher Courtin）表示，eVTOL飞行器存在的问题是，如果在升空和控制中都使用推力，会逼近电源的失效边界，为此需要更大的冗余度和复杂性，这将导致飞机的成本、重量和认证时间都有所增加。与之相比，固定翼的SSTOL飞机在发生故障时，其性能将与现有单发飞机的性能相当，这为SSTOL的认证提供了很好的铺垫。

此外，SSTOL可使用更小的电动机，可为能源储备或载客容量留出更多的重量空间。同时，与eVTOL飞行器相比，SSTOL飞机的推重比更低，升阻比更高，使其具有提高速度、航程和任务载荷能力的潜力。

麻省理工学院在研究一种4座的SSTOL，作为受停靠基础设施限制的eVTOL替代方案。分布式电推进通过在机翼前缘安装螺旋桨，使其沿翼展大部分方向吹动后缘襟翼，实现极短距起降性能。基于风洞试验结果，麻省理工学院的研究团队认为采用分布式电推进的动力升空可以实现30m高度内的起飞和降落，距离之短足以与eVTOL竞争。

图6 法拉第公司的BEHA概念采用三重机翼，可在低空速下提供高升力。

图7 麻省理工学院的30%无人机缩比模型，显示了分布式电推进性能应用于短距起降的潜力。

在极光飞行科学公司的资助下，麻省理工学院研究团队在2019年试飞了一个30%比例的SSTOL概念缩比无人机模型。该模型重量不到18kg，翼展约4m，机翼前缘有8个螺旋桨，有单开槽襟翼和副翼，还有一个常规尾翼。

像布雷盖941那样利用机翼的襟翼使螺旋桨的滑流偏转，这样一方面使螺旋桨的射流旋转，另一方面抑制了机翼和襟翼上气流的分离，以这种方式来增加升力。与传统的涡桨发动机相比，分布式电推进允许使用多个小螺旋桨，小螺旋桨产生的小射流提高了吹气效率，因此飞机可以只使用简单的机械式单缝开槽襟翼，与以前的外吹式襟翼布局飞机相比省去了高升力系统的重量和成本。

麻省理工学院进行缩比模型测试的目的是为确定飞行中是否可以实现高升力，并评估操纵品质和观察螺旋桨直径改变对气流旋转效率的影响。分布式电推进的电动机沿机翼前缘均匀分布。在起飞模式下，所有8个电动机都由一个油门杆共同控制。在着陆模式下，有6个电动机通过旋钮控制，提供大部分吹气，而外部的一对电动机由油门控制。

研究团队用直径为22.86cm的双桨叶和直径为17.78cm的五桨叶螺旋桨对飞机进行了测试，发现用较小的螺旋桨可以显著降低飞行速度，研究团队认为这可能是由于较小的射流能被襟翼更有效地偏转，从而以更低的功率获得更大的升力。

不过在低速飞行时，飞机的侧向操纵品质下降，使得飞机难以控制。由于很难让飞机保持稳定的飞行状态，测量升力系数变得困难，但五桨叶螺旋桨提供了最好的高升力性能。

这架缩比无人机能在约两倍于自身长度的距离内起飞，并保持早期水平升空姿态。研究团队认为，这表明飞机的起飞距离受限于未吹过的尾翼在低空速下能产生的旋转速度，同时起飞时的最大升力系数也不如设想的那么高，这表明飞机的地面滚转受限于水平尾翼的控制能力。

由于操纵面上的动压较低，飞机很难操纵。在襟翼发生高偏转且升力系数较高时，襟翼末端的上洗流会诱导机翼在该位置失速。尾翼也是一个因素，它的配平能力限制了可达到的升力系数。研究团队表示，对于该飞机的控制策略是下一步的重要研究领域。

麻省理工学院的研究团队将与电气航空公司进行下一步合作，下一步的计划是在新冠疫情限制解除后的一年内，试飞一架全尺寸的两座概念验证机，以解决飞行控制上的挑战，展示极短距起降的潜力。研究团队正在关注4座、9座、19座和35座的飞机并进行市场调研，以确定首先推出哪些机型。电气航空公司认为在介于小型的城市空中出租车和大型的支线飞机之间的市场存在机会，即可在30～100m的高度飞行、飞行距离为80～240km的飞机，这一距离的出行市场目前仍由汽车支配。