美國空軍正在全方位的推動(dòng)電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)在軍事行動(dòng)中的應(yīng)用

2020年2月，美空軍發(fā)布“敏捷至上”（Agility Prime）計(jì)劃招標(biāo)書，通過演示驗(yàn)證等方式探索電動(dòng)垂直起降（eVTOL）航空器在短距運(yùn)輸、搜索救援等軍事任務(wù)中的應(yīng)用。

電動(dòng)垂直起降航空器可實(shí)現(xiàn)低成本、低噪聲的短途運(yùn)輸，借助民用城市空運(yùn)（UAM）市場(chǎng)的浪潮，相關(guān)技術(shù)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(guān)技術(shù)引入軍事行動(dòng)領(lǐng)域，從而在短途任務(wù)中替代傳統(tǒng)直升機(jī)、傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)等航空器，大幅降低任務(wù)成本、打造敏捷任務(wù)能力。

這一計(jì)劃是繼2020年年初美國航空航天學(xué)會(huì)科技大會(huì)上美空軍研究實(shí)驗(yàn)室公開混合電推進(jìn)固定翼飛機(jī)概念方案之后，美空軍再一次關(guān)注電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)，相關(guān)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(dòng)電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)在軍事行動(dòng)中的應(yīng)用。

基于eVTOL 航空器的城市空運(yùn)生態(tài)

XV-24 概念圖

美空軍推動(dòng)電動(dòng)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(yùn)需求，電動(dòng)垂直起降航空器技術(shù)得到了廣泛關(guān)注和快速發(fā)展。電動(dòng)垂直起降航空器的典型運(yùn)行場(chǎng)景是航程100千米以內(nèi)、垂直起降、巡航高度數(shù)十至數(shù)百米，一般采用全電推進(jìn)，為了拓展航程也可采用混合電推進(jìn)， 但會(huì)相應(yīng)提高平臺(tái)技術(shù)復(fù)雜度。目前，以優(yōu)步為代表的交通運(yùn)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(dòng)垂直起降航空器市場(chǎng)，以期取代直升機(jī)，構(gòu)建高效、低噪聲、低排放的短途運(yùn)輸新范式。

2019年8月，白宮通過行政備忘錄指出美國應(yīng)當(dāng)將電動(dòng)垂直起降航空器作為優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域。對(duì)電動(dòng)垂直起降航空器的支持是美國政府2021財(cái)年高級(jí)運(yùn)輸領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃的新增內(nèi)容。2019年10月， 美空軍研究實(shí)驗(yàn)室首次表示，希望探索將民用電動(dòng)垂直起降航空器技術(shù)應(yīng)用于空軍的軍事行動(dòng)中。

電動(dòng)垂直起降航空器的典型軍事應(yīng)用場(chǎng)景包括相對(duì)短距離的貨物運(yùn)輸、少量軍事人員運(yùn)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(bǔ)給的后勤任務(wù)，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(wù)， 需要使用傳統(tǒng)直升機(jī)或者特種飛機(jī)，以美空軍V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)為例，其每飛行小時(shí)運(yùn)行成本高達(dá)9000美元，同時(shí)需要消耗大量維護(hù)成本和人員工時(shí)。電動(dòng)垂直起降航空器完美契合此類任務(wù)需求，其運(yùn)行和維護(hù)成本極低，所需的人員工時(shí)也很有限。

實(shí)際上，本次提出的“敏捷至上”計(jì)劃并非美軍首次關(guān)注電動(dòng)垂直起降航空器。早在2013年，美國防部國防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）就啟動(dòng)了“垂直起降實(shí)驗(yàn)飛機(jī)”（VTOL X）計(jì)劃，由極光飛行科學(xué)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(jìn)布局、傾轉(zhuǎn)翼結(jié)構(gòu)，具有24個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的變距涵道風(fēng)扇，可實(shí)現(xiàn)垂直起降并轉(zhuǎn)換為平飛巡航模態(tài)。羅羅公司提供AE1107渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，裝于機(jī)身中央，驅(qū)動(dòng)3臺(tái)1兆瓦發(fā)電機(jī)， 為推進(jìn)系統(tǒng)提供電能。2017年4月，完成了1/5縮比驗(yàn)證機(jī)試飛，驗(yàn)證了電推進(jìn)系統(tǒng)、傾轉(zhuǎn)翼等設(shè)計(jì)的可行性。但由于霍尼韋爾在1兆瓦發(fā)電機(jī)研發(fā)過程中遇到了熱管理困難、同時(shí)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(xiàng)目。時(shí)隔7年，美空軍重啟電動(dòng)垂直起降航空器的軍事應(yīng)用研究，是美國對(duì)軍用電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)的新嘗試。

“敏捷至上”計(jì)劃內(nèi)容

美空軍“敏捷至上”計(jì)劃的核心是基于“比武”的采購計(jì)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(shí)間條件下的航空器演示驗(yàn)證，基于參與者的表現(xiàn)為其提供軍方安全認(rèn)證機(jī)會(huì)乃至簽署采辦合同。該計(jì)劃對(duì)航空器的要求主要包括以下5方面：

——機(jī)械結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)垂直起降航空器簡(jiǎn)化，從而降低維護(hù)成本和周期；

——應(yīng)用自主飛行技術(shù)，提高安全性、降低人員操作需求；

——經(jīng)濟(jì)性，可批量生產(chǎn)應(yīng)用；

——采用分布式電推進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)低噪聲；

——靈活、敏捷，減少對(duì)基礎(chǔ)設(shè)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(jì)劃要求參與者提供的驗(yàn)證機(jī)具有足夠的技術(shù)成熟度，能夠在2020年實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的任務(wù)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(yàn)證機(jī)的首飛，且需滿足如下技術(shù)指標(biāo)：

——有效載荷3～8人；

——可采用全電推進(jìn)或混合電推進(jìn)；

——航程大于161千米（100英里）；

——飛行速度大于161千米／時(shí)（100英里／時(shí)）；

——航時(shí)超過60分鐘。

“敏捷至上”計(jì)劃提出的技術(shù)指標(biāo)較現(xiàn)有城市空運(yùn)領(lǐng)域eVTOL航空器的設(shè)計(jì)指標(biāo)更高，以典型的城市空運(yùn)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(yùn)需求的典型值， 但根據(jù)美空軍的需求，軍事任務(wù)需要更大的航程。此外，軍事任務(wù)的環(huán)境條件與城市存在顯著差異，需要考慮結(jié)冰防護(hù)等多種環(huán)境控制問題。美國Joby飛機(jī)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(zhuǎn)旋翼構(gòu)型，采用全電推進(jìn)系統(tǒng)，4座，巡航速度320千米／時(shí)， 航程240千米；該公司近期獲得了豐田領(lǐng)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(yùn)航空器企業(yè)。

“敏捷至上”計(jì)劃并不會(huì)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(fēng)洞、電磁干擾（EMI）試驗(yàn)室、聲學(xué)試驗(yàn)室、試飛空域等在內(nèi)的資源，并獲得非商業(yè)適航認(rèn)證的快速通道權(quán)利，進(jìn)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(jì)劃還為相關(guān)技術(shù)研究者開放， 包括自主飛行、機(jī)載系統(tǒng)、感知與避障等。

小結(jié)

當(dāng)前，以電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)為代表的新一輪航空科技革命正在重構(gòu)航空產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局，電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)以其節(jié)能、減排、降噪的收益獲得了世界主要航空強(qiáng)國的高度關(guān)注。電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)的應(yīng)用目前主要集中在民用飛機(jī)領(lǐng)域，在全球巨額資金投入推動(dòng)下，電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)正處于高速發(fā)展中。

由于發(fā)電、配電、能量控制等機(jī)載系統(tǒng)技術(shù)具有高度軍民融合的特征，民用電動(dòng)飛機(jī)相關(guān)技術(shù)可迅速應(yīng)用于軍用航空領(lǐng)域。美空軍充分利用民用電動(dòng)飛機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展成果，推動(dòng)了電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)在國防領(lǐng)域的多方位應(yīng)用。

通過電動(dòng)汽車等行業(yè)的大力投入，我國在動(dòng)力電池、能量管理等領(lǐng)域已有豐富的技術(shù)儲(chǔ)備。我國應(yīng)高度關(guān)注電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)，大力推動(dòng)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(shù)革命中占據(jù)先機(jī)。