揭秘NASA配置十个发动机的垂直起降无人机

核心提示： 设计保证了93%的飞机重量在向前飞行中由机翼负担，7%由机尾负担，这就有更短的跨度，同时空气动力学效率更高。North说：“我们的目标是做历史上空气动力学效率最高的VTOL飞机——空气动力学效率为旋翼飞机巡航时的4倍。

揭秘NASA配置十个发动机的垂直起降无人机

揭秘NASA配置十个发动机的垂直起降无人机

中国航空新闻网讯：据英国《航空周刊》网站报道，NASA(美国国家航空航天局)在展示垂直起降(VTOL)概念飞机中迈出了关键的第一步。VTOL飞机能够高效巡航，引领从长程无人机到个人飞机的潜在设计方式，从而确保高效且无需跑道。

今年4月份，美国宇航局兰利研究中心(NASA Langley)公布了正处于研发之中的一款新型电动飞机“闪电”(Greased Lightning，也称为GL-10)。该无人机有10个电动螺旋桨：8个位于侧翼上，2个位于尾翼上。

试验中的分散式电力推进系统在最初的飞行中由电池提供动力，但NASA计划在今年后期将飞机升级为混合动力：由一个小型的内置燃烧引擎带动发电机，为飞机巡航提供动力，在起降时由电池进行补偿。

“闪电”因此得名，即将柴油和电力结合，保证无人机20英尺的跨度、275镑的垂直起飞重量和高达24小时的巡航能力，之后垂直降落。10英尺宽，重达62磅的GL-10是为后续机型设计的50%版本，之后还会有许多5磅和25磅重的机型。

航空工程师David North说：“我们已经展示了飞机如何稳健地从徘徊于翼载飞行和翼转回过渡，对之前所有的VTOL设计而言，并不能完全达到。此外，对所有动力而言，我们完全能够在过度范围内的每一个点上控制动力。”

过渡范围是机翼角度和飞行速度的结合体，在推动飞行和翼载飞行间的转化中，飞行中的飞机必须保持在一定范围内，并且维持足够的控制。他指出：如果机翼向下倾斜太快而没有足够的向前飞行速度，那么它就会掉下来。

偏转翼飞机可能遇到气流分离和机翼失速等问题，到目前为止已经限制了机翼能够倾斜的角度。“闪电”使用了多个推进器，它们对机翼和副翼转弯力在转化中提供了稳健的飞行控制。

航空工程师Bill Fredericks说：“之前的倾翼飞机只能在过渡速度范围内工作，这使机翼位于失速攻角之下，这限制了飞机的运行能力。问题的原因是它们没有有效控制，只是飞行员的事情。”

GL-10是遥控飞行的，但稳定的补偿和控制分配是自主的，这包括了过渡中的补偿和控制分配。飞行员的控制有三种设置：选择翼和尾垂直;中间点或是缓慢向前飞行，机翼和机尾部分倾斜;同时还有完全向前飞行，机翼和机尾水平。

在试验飞行中，飞机通常垂直起飞至10到15英尺，部分转换到缓慢向前飞行，安全爬升到大约500英尺的林木线以上，之后完全过渡。在后续的工作中，NASA计划使飞机更加自主并且更快转化。

在转化中，倾斜大约45°，机翼和机尾完全失速，但仍然能够产生足够的提升力，它与螺旋桨推力结合起来，使飞机飞行并且处于控制之中。North说：“机载控制器会巧妙并且很快稳定不安全的飞机，控制效果器有足够的动力将它推向稳定状态”。

飞机没有使用任何机械设备保持机翼上的气流。底侧是失速气流不稳定的地方，形成了减稳旋转和偏航力矩。在内部氧化物机型试验中，NASA的工程师发现了档位令人头疼的趋势，从左翼到右翼以及机尾，震动的非常快。Fredericks说，“这非常难于解决。”

最终，他们找到了一个控制设置方法，可以提早消除这一现象。当飞机一开始旋翼，发动机的“继电控制”和副翼阻止这一动作，并且使飞机重回到水平飞行。他说：“气流被分离开了，但控制器以很高的频率，利用分散分布的推进器作为控制效应器，进行稳定补偿”。

在转化中，变化的发动机推力产生控制弯矩，它几乎与翼弦轴正交，而副翼产生与翼弦平行的弯矩。他说：“推力与副翼之比在一开始不正常，但我们将它变得更加有利。”。在GL-10中，左侧机翼上的4个引擎同时接受指令，右侧机翼上的4个引擎及尾翼上的2个引擎也是如此。

“闪电”有一个后掠翼，但这样设计并不是为了飞的更快，而是在机翼和机尾垂直切换，以及水平巡航中，都使飞机保持平衡。同时推力的80%在机翼上，20%在机尾上。设计保证了93%的飞机重量在向前飞行中由机翼负担，7%由机尾负担，这就有更短的跨度，同时空气动力学效率更高。

Fredericks认为，后掠翼的另外一个好处是GL-10没有起落架，在倾斜时机翼和机尾端部向下，这样就可以减轻重量。在过渡中，机尾以低速倾斜时，水平尾翼上的二面角提供了风向标方向稳定作用。

计划的下一步是展示巡航效率，通过在向前飞行中，关闭翼尖推进器以外的所有部件来完成。North说：“我们的目标是做历史上空气动力学效率最高的VTOL飞机——空气动力学效率为旋翼飞机巡航时的4倍。GL-10的升阻比应该为14左右，其他VTOL没有一个有那么高。”

除了这以外，NASA计划用混合电动引擎更换巡航电池。发电机由现成的单缸无人机引擎驱动，会产生巡航所需的足够电动力，但同时也不得不由电池进行1到2分钟的补偿，它需要在垂直起降时使用。

NASA同样在筹划完全自主的飞行，也在对噪音更低的推进器进行试验。该局与Launch Point科技公司共同开发异步发动机，每个都在以稍微不同的速度推进。

Fredericks称，将VTOL与高效巡航飞行结合起来应该能够开启一个潜在的市场，这个市场在今天还没有被看到，这是因为其他配置耐久性的限制。他说，目前多种直升机，流行的VTOL无人机配置“将走入死胡同，他们的效率非常低。升阻比仅为3或4，航程非常有限，飞行时间仅为30分钟。而‘闪电’能携带很大的起飞重量飞的更远。”(普林斯/编译)

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