美國空軍正在全方位的推動電動飛機技術在軍事行動中的應用

2020年2月，美空軍發(fā)布“敏捷至上”（Agility Prime）計劃招標書，通過演示驗證等方式探索電動垂直起降（eVTOL）航空器在短距運輸、搜索救援等軍事任務中的應用。

電動垂直起降航空器可實現(xiàn)低成本、低噪聲的短途運輸，借助民用城市空運（UAM）市場的浪潮，相關技術迎來了空前發(fā)展，吸引了全球巨額資金投入。美空軍希望將相關技術引入軍事行動領域，從而在短途任務中替代傳統(tǒng)直升機、傾轉旋翼機等航空器，大幅降低任務成本、打造敏捷任務能力。

這一計劃是繼2020年年初美國航空航天學會科技大會上美空軍研究實驗室公開混合電推進固定翼飛機概念方案之后，美空軍再一次關注電動飛機技術，相關研究已經(jīng)覆蓋了大型固定翼和小型垂直起降兩種形式，體現(xiàn)了美空軍正全方位推動電動飛機技術在軍事行動中的應用。

基于eVTOL 航空器的城市空運生態(tài)

XV-24 概念圖

美空軍推動電動垂直起降

航空器發(fā)展的背景和需求

近年來，為了滿足城市空運需求，電動垂直起降航空器技術得到了廣泛關注和快速發(fā)展。電動垂直起降航空器的典型運行場景是航程100千米以內、垂直起降、巡航高度數(shù)十至數(shù)百米，一般采用全電推進，為了拓展航程也可采用混合電推進， 但會相應提高平臺技術復雜度。目前，以優(yōu)步為代表的交通運營商、以空客/波音/貝爾/羅羅等為代表的傳統(tǒng)航空制造商、以Joby/Volocopter等為代表的初創(chuàng)企業(yè)， 以及以韓國現(xiàn)代等為代表的汽車企業(yè)均已布局電動垂直起降航空器市場，以期取代直升機，構建高效、低噪聲、低排放的短途運輸新范式。

2019年8月，白宮通過行政備忘錄指出美國應當將電動垂直起降航空器作為優(yōu)先發(fā)展的技術領域。對電動垂直起降航空器的支持是美國政府2021財年高級運輸領域研發(fā)計劃的新增內容。2019年10月， 美空軍研究實驗室首次表示，希望探索將民用電動垂直起降航空器技術應用于空軍的軍事行動中。

電動垂直起降航空器的典型軍事應用場景包括相對短距離的貨物運輸、少量軍事人員運送、搜索與救援等，在特種作戰(zhàn)中尤為常見。例如，為小型作戰(zhàn)單位提供補給的后勤任務，僅需投遞數(shù)十千克武器、彈藥、飲水等。目前為了完成上述任務， 需要使用傳統(tǒng)直升機或者特種飛機，以美空軍V-22“魚鷹”傾轉旋翼機為例，其每飛行小時運行成本高達9000美元，同時需要消耗大量維護成本和人員工時。電動垂直起降航空器完美契合此類任務需求，其運行和維護成本極低，所需的人員工時也很有限。

實際上，本次提出的“敏捷至上”計劃并非美軍首次關注電動垂直起降航空器。早在2013年，美國防部國防預先研究計劃局（DARPA）就啟動了“垂直起降實驗飛機”（VTOL X）計劃，由極光飛行科學公司（現(xiàn)屬波音）、羅羅公司和霍尼韋爾公司合作開發(fā)，名為XV-24。采用分布式電推進布局、傾轉翼結構，具有24個電機驅動的變距涵道風扇，可實現(xiàn)垂直起降并轉換為平飛巡航模態(tài)。羅羅公司提供AE1107渦軸發(fā)動機，裝于機身中央，驅動3臺1兆瓦發(fā)電機， 為推進系統(tǒng)提供電能。2017年4月，完成了1/5縮比驗證機試飛，驗證了電推進系統(tǒng)、傾轉翼等設計的可行性。但由于霍尼韋爾在1兆瓦發(fā)電機研發(fā)過程中遇到了熱管理困難、同時DARPA沒有找到合適的軍方合作方，因而DARPA于2018年初取消了該項目。時隔7年，美空軍重啟電動垂直起降航空器的軍事應用研究，是美國對軍用電動飛機技術的新嘗試。

“敏捷至上”計劃內容

美空軍“敏捷至上”計劃的核心是基于“比武”的采購計劃，美空軍為研究方提供資金和政府資源支持，開展多種載荷與飛行時間條件下的航空器演示驗證，基于參與者的表現(xiàn)為其提供軍方安全認證機會乃至簽署采辦合同。該計劃對航空器的要求主要包括以下5方面：

——機械結構較傳統(tǒng)垂直起降航空器簡化，從而降低維護成本和周期；

——應用自主飛行技術，提高安全性、降低人員操作需求；

——經(jīng)濟性，可批量生產(chǎn)應用；

——采用分布式電推進技術實現(xiàn)低噪聲；

——靈活、敏捷，減少對基礎設施的依賴。

區(qū)別于初創(chuàng)企業(yè)基于概念方案的早期融資，“敏捷至上”計劃要求參與者提供的驗證機具有足夠的技術成熟度，能夠在2020年實現(xiàn)可重復的任務飛行。具體而言， 參與者必須在2020年12月17日前完成全尺寸演示驗證機的首飛，且需滿足如下技術指標：

——有效載荷3～8人；

——可采用全電推進或混合電推進；

——航程大于161千米（100英里）；

——飛行速度大于161千米／時（100英里／時）；

——航時超過60分鐘。

“敏捷至上”計劃提出的技術指標較現(xiàn)有城市空運領域eVTOL航空器的設計指標更高，以典型的城市空運航空器為例，貝爾公司于今年1月提出的Nexus 4EX概念方案航程為95千米，現(xiàn)代汽車公司同期提出的S-A1概念方案航程同樣約為100千米，這一數(shù)值是城市空運需求的典型值， 但根據(jù)美空軍的需求，軍事任務需要更大的航程。此外，軍事任務的環(huán)境條件與城市存在顯著差異，需要考慮結冰防護等多種環(huán)境控制問題。美國Joby飛機公司的S4航空器是滿足這一需求的為數(shù)不多的航空器之一，其采用傾轉旋翼構型，采用全電推進系統(tǒng)，4座，巡航速度320千米／時， 航程240千米；該公司近期獲得了豐田領投的5.9億美元融資（豐田投資3.94億美元），成為全球融資最多的城市空運航空器企業(yè)。

“敏捷至上”計劃并不會提供巨額資金支持航空器研發(fā)，其提供的條件是政府資源。通過“比武”的參與者能夠獲得包括風洞、電磁干擾（EMI）試驗室、聲學試驗室、試飛空域等在內的資源，并獲得非商業(yè)適航認證的快速通道權利，進一步可能獲得軍方采購合同。除了航空器制造商，“敏捷至上”計劃還為相關技術研究者開放， 包括自主飛行、機載系統(tǒng)、感知與避障等。

小結

當前，以電動飛機技術為代表的新一輪航空科技革命正在重構航空產(chǎn)業(yè)競爭格局，電動飛機技術以其節(jié)能、減排、降噪的收益獲得了世界主要航空強國的高度關注。電動飛機技術的應用目前主要集中在民用飛機領域，在全球巨額資金投入推動下，電動飛機技術正處于高速發(fā)展中。

由于發(fā)電、配電、能量控制等機載系統(tǒng)技術具有高度軍民融合的特征，民用電動飛機相關技術可迅速應用于軍用航空領域。美空軍充分利用民用電動飛機市場的發(fā)展成果，推動了電動飛機技術在國防領域的多方位應用。

通過電動汽車等行業(yè)的大力投入，我國在動力電池、能量管理等領域已有豐富的技術儲備。我國應高度關注電動飛機技術，大力推動民用和軍用航空裝備兩條路線同步發(fā)展，在新一輪航空技術革命中占據(jù)先機。
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