“麥克斯韋”斷電了？NASA X-57項目將在不進行電動飛行的情況下結(jié)束

在歷經(jīng)了多年的各種技術(shù)問題和挫折后，美國國家航空航天局（NASA）于6月23日決定將在不進行試飛的情況下，于2023年9月底結(jié)束X-57“麥克斯韋”（Maxwell）電動飛機演示項目。

X-57“麥克斯韋”項目將在沒有實現(xiàn)電動飛行的情況下結(jié)束。

在宣布這一決定的同時，X-57項目還透露發(fā)現(xiàn)了需要很長時間才能修復的“故障”。X-57項目的首席研究員肖恩·克拉克表示：“在此前對電動機進行詳細分析和適航評估時，發(fā)現(xiàn)其在飛機飛行時有一些未在地面測試期間被發(fā)現(xiàn)的潛在故障模式。該電動機設(shè)計有幾個特殊的故障模式，并可能會在飛行中停車，以此對飛行員造成安全隱患。”

X-57項目的工作人員目前仍在分析和試圖解決這一問題，并拒絕透露該問題相關(guān)的更多細節(jié)?？死吮硎荆骸拔覀冋谕ㄟ^大規(guī)模的重新設(shè)計來修復電動機，但這需要很長時間才能完成和實施”。

這也促使X-57最終將在沒實現(xiàn)電動飛行演示的情況下落幕。

1.X-57項目概況

X-57“麥克斯韋”的命名是為紀念著名的物理學家麥克斯韋。該驗證機基于4座的“泰克南”（Tecnam）P2006T渦槳飛機改造而來，目的是驗證全電動飛機技術(shù)和分布式動力增升技術(shù)，后者是一架常規(guī)布局的輕型雙發(fā)飛機，機體結(jié)構(gòu)重量很輕，因此被選作為基準機。

X-57項目的根本任務(wù)是技術(shù)突破，這也符合X系列試驗機的一貫宗旨，研究的重點主要涉及氣動布局和能源系統(tǒng)。

在氣動設(shè)計方面，主要研究內(nèi)容包括機翼設(shè)計、螺旋槳設(shè)計和附面層控制技術(shù)。為了兼顧高速特性和低速特性，最終的機翼設(shè)計方案進行了折中考慮。高速飛行時，靠大展弦比和翼尖螺旋槳實現(xiàn)高效巡航，這兩個設(shè)計特征都可以減小機翼的誘導阻力。低速飛行時，機翼前緣的高升力推進器運轉(zhuǎn)，使機翼上方氣流加速，同時還有改善附面層狀態(tài)的環(huán)量分布的能力，借此獲得很高的升力系數(shù)，實現(xiàn)較短的起飛和著陸距離。

整個項目的關(guān)鍵是驗證分布式電推進技術(shù)，還包括電動機設(shè)計制造、電機熱管理技術(shù)、高能電池集成技術(shù)、電能分配與管理技術(shù)等等。

X-57項目的研究的重點主要涉及氣動布局和能源系統(tǒng)。

雖然X-57與P2006T都采用常規(guī)布局，但X-57的機翼和氣動力發(fā)生了很大變化。一是為提升氣動效率而增大了機翼的展弦比。二是將兩個動力螺旋槳移至翼尖，在提供巡航推進力的同時，也寄希望螺旋槳的旋流能夠抵消翼尖渦，降低誘導阻力。三是在機翼前緣沿翼展方向分布式加裝了12個電動螺旋槳，每側(cè)機翼各6個，這些被稱為“高升力推進器”，用于在起降階段增加機翼的升力，改善起降性能。在巡航階段，這些“高升力推進器”并不運作，螺旋槳槳葉也會折疊起來，以減小阻力。

按原本的計劃，X-57項目主要分為四個階段，NASA稱之為“構(gòu)型演進”，簡稱“Mod”，四個階段分別為Mod I、Mod II、Mod III和Mod IV。

Mod I階段：主要工作有兩部分，測試P2006T飛機基本性能并研究電力推進概念，包括明確研發(fā)需求，進行飛機結(jié)構(gòu)與子系統(tǒng)分析、設(shè)計與測試和分布式電推進系統(tǒng)的相關(guān)評估，會用地面試驗臺測試安裝分布式高升力系統(tǒng)的機翼。

Mod II階段：將P2006T的兩臺Rotax活塞發(fā)動機換為電動機，這一階段全機的構(gòu)型并未改變，只是將發(fā)動機在原位替換。目的是測試電動機、電池和儀表的性能，建立全電動系統(tǒng)的設(shè)計方法和對全電動系統(tǒng)的安全性進行驗證。

Mod III階段：將采用較薄的大展弦比復合材料機翼替換P2006T飛機的原始機翼，并將電動機和螺旋槳移至翼尖。機翼上安裝了分布式發(fā)動機的短艙，但沒有安裝電機和螺旋槳。該階段的目標是驗證全機的高速性能，研究大展弦比機翼和翼尖推進方案的減阻效果。

Mod IV階段：加裝分布式電機和螺旋槳，主要研究低速性能，測試12個“高升力推進器”的效能，并與原始機型進行對比分析。

X-57的4個研究階段及其構(gòu)型。

2.X-57項目的發(fā)展

2015年，NASA對一架P2006T飛機進行了試飛，收集了升力、推力、巡航效率、能源使用和乘坐體驗等數(shù)據(jù)。從2016年7月開始，用于X-57項目的P2006T機身和機翼開始在實驗系統(tǒng)航宇公司的工廠改裝，并與縮比復材公司共同負責將電力系統(tǒng)集成到P2006T機身。

NASA測試分布式高升力系統(tǒng)的地面試驗臺。

NASA阿姆斯特朗研究中心在2018年1月使用的“Airvolt”測試臺開始對巡航電動機進行地面測試；2019年完成Mod III和Mod IV階段的大展弦比機翼的載荷測試。NASA蘭利研究中心于2020年在低速氣動聲學風洞中完成了“高升力推進器”的測試。

最初，NASA計劃最快在2018年進行X-57 Mod II的電動首飛。但是由于存在電池系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和電磁干擾等技術(shù)問題，以及之后的新冠疫情的爆發(fā)，使得該項目的進度大大落后于計劃，目前仍停留在Mod II階段。

在2023年6月15日舉行的AIAA航空論壇上，X-57項目表示發(fā)現(xiàn)了使用的工業(yè)級滾珠軸承存在問題，迫使飛機重新設(shè)計了電動機，不過目前尚不清楚滾珠軸承問題是否與潛在的電機停車有關(guān)。

NASA格倫研究中心系統(tǒng)工程師戴夫·阿萬尼森表示，X-57的兩臺推進電動機中選擇的滾珠軸承等級“低于航空標準”，由此導致了無法預(yù)見的問題。由于滾珠軸承存在偏差，也導致在其他方面存在“超乎預(yù)期的振動”。 目前，由于種種故障與意外造成的監(jiān)督延誤，使NASA已經(jīng)放棄了Mod III和Mod IV的配置，轉(zhuǎn)而利用剩余時間嘗試使修改Mod II，即便Mod II版本也將不會飛行。NASA選擇將利用剩余的時間完成一些預(yù)期的技術(shù)驗證，并發(fā)表相關(guān)論文去分享技術(shù)成果。

//3.小編淺見

看到X-57將以這種形式結(jié)束，還是感到幾分意外，但或許也是情理之中。

一方面，在強調(diào)可持續(xù)航空的當下，電動飛機無疑是重要的發(fā)展方向。而隨著近年來的不斷發(fā)展，可持續(xù)航空燃料（SAF）、氫動力以及混合動力似乎是當下更為可行的選擇。許多航空公司與發(fā)動機制造商的已經(jīng)開始了SAF的試運營，Zeroavia的氫燃料驗證機也多次成功試飛，這些或許比純電動飛機有著更快、更現(xiàn)實的發(fā)展。

另一方面，全球電動飛機的發(fā)展或許比預(yù)想的要更快，尤其是在空中出租車領(lǐng)域。經(jīng)過了幾年的大浪淘沙，目前還留存在該領(lǐng)域的喬比航空、Lilium、Volocopter等公司都在逐漸殺出自己的道路，各型飛行器的動力模式也都各具特點，使得相關(guān)的電推進、電動機設(shè)計制造、熱管理、高能電池集成等技術(shù)的發(fā)展比預(yù)期的更快。