怎样实现静谧飞行？--动力篇

 

 

 

噪声是困扰航空发展的一大问题，经过上百年的演化，结合先进的仿真技术，飞机的噪声控制已经有了很大的进步，不过仍然没有出现革命性的变化；直到近年航空科技进入到电推进热潮之后，静谧飞行才变为可能。

 

 

典型客机噪声源（图源：达索）

 

本文介绍的电动静音飞行技术来自于Whisper Aero，这是一家新兴的电动航空科技公司，其公司的英文名称就已经表露了其初心，“Whisper”的意思就是很轻微的声音，就像耳边说悄悄话一样，别人听不见。该公司致力于推出高效安静的电推进系统，结合特有的气动布局，可使得飞机在百米开外飞行时几乎不会被地面人员听到任何噪声。公司的创始人是前Uber Elevate项目的核心推动者Mark Moore（曾经负责NASA多个研究项目，包括前缘异步电动螺旋桨技术LEAPTech，后演变为X-57）。

 

1.现有动力系统的局限性

电推进本身比涡轮发动机或者活塞发动机的噪音明显减小，然而光是将燃油发动机更换为电动机还远远不够，依然需要进行针对性的降噪设计。

（1）大电机螺旋桨

很大范围内，电机尺寸越小，电机功重比和效率可以做得越高，这个特性跟涡轮发动机、活塞发动机相反。大尺寸的电机散热问题和重量问题越趋严重，使得系统总的效率降低，功重比大幅下降，飞机性能也受到明显影响。

而且单个大电机带动的螺旋桨桨尖速度依然是接近音速的，螺旋桨的气动噪声并没有降低，只是没有了内燃机的轰鸣和振动。

 

 

 

 

图↑ 未优化的电动螺旋桨飞机噪声依然很大

 

 

 

（2）分布式电动螺旋桨

 

分布式的电动螺旋桨相比传统的涵道可实现更高的质量流量，消耗的功率更低，有明显优势。相比单个大电机螺旋桨，确实可以有效降低噪声，但是对于超静音来讲依然不够，而且带来了新的不利影响。分布式的电动螺旋桨，起飞的时候可以提供极大的机翼升力系数，但是在高速巡航的时候，由于螺旋桨的涡流效应，机翼展向升力分布很差，会带来更多的诱导阻力，锯齿状的升力分布会使得机翼的展向效率因子从常规的0.8降低到0.6，相当于增加了33%的诱导阻力。所以X-57在巡航的时候会把小螺旋桨折叠收起，只留下翼尖的专用推进螺旋桨。这样那些小的折叠桨在巡航的时候实际就是个死重，这是航空工程师最不希望出现的事情。

 

 

图↑ 分布式螺旋桨可实现5.0以上的升力系数

 

 

图↑ 分布式螺旋桨展向升力分布呈现锯齿状

 

 

图↑ 巡航状态的X-57收起了中间的分布式螺旋桨减小巡航能耗

 

在噪声方面，NASA通过LEAPTech项目，发现前缘分布式螺旋桨也会带来很大的噪声，主要是来源于螺旋桨滑流对机翼的冲击、以及机翼前方上洗气流与螺旋桨轴线的夹角所致循环载荷。另外分布式螺旋桨与机翼的上下位置关系，这个对气动特性影响很大。X-57是提升机翼上表面气流速度来增加升力，而且机翼不会有大的俯仰力矩产生。Electra Aero的螺旋桨更靠下，涡流效应降低，通过使用大襟翼偏转螺旋桨滑流来提高升力，Odys Aviation的联翼设计也是采用类似办法，但是这会导致更大的俯仰力矩，进而导致诱导阻力升高。

 

 

图↑ Electra 偏转滑流实现超短距起降

 

 

图↑ Odys Aviation偏转滑流实现垂直/超短距起降

 

（3）共轴反转螺旋桨

当然，还可以考虑采用前后串列的共轴反向螺旋桨推进，这也能有效减小涡流效应（如An-70），但是短舱的重量和结构复杂性增加，共轴反转螺旋桨噪音会更大，需要认真权衡。

 

 

图↑ An-70采用共轴反转螺旋桨短舱

 

 

（4）翼上喷气短舱

 

NASA早在1970年代开展的QSRA（Quiet Short-Haul Research Aircraft 静音短途飞机）项目就进行了机翼上表面喷流吹气增升测试（采用扁形的喷气口，提速气流，增大有效吹气区域），虽然只对中部机翼产生了作用，但是它也可以达到5.0以上的升力系数，使得飞机可以在航母上滑跑起降。不过燃气流会对机翼造成损伤和污染，而且涡轮发动机噪音巨大，如果能换成高效低噪音的电涵道，并覆盖整个机翼，这有可能是一个真正的解决方案。

 

 

 

图↑ NASA QSRA项目实现了高升力特性

 

2017年，ONERA（法宇航）推出的AMPERE（安培）电动飞机，就是采用了机翼前缘分布式电涵道推进，连贯性的加速机翼背部气流。当然，lilium也是采用了翼上喷气短舱，但是位于靠后的舵面上，其设计有很多问题，下一篇中将会讲到。

 

 

图↑ ONERA AMPERE

 

 

图↑ Lilium Jet

 

 

2.新一代的电涵道推进技术

 

 

图↑ Wihsper的新一代电涵道动力分解图

 

Whisper Aero 的愿景是从基本原理出发来开发新一代的电推进技术，以实现最安静、最高效的集成解决方案。当然，还必须考虑其他重要特性作为约束，例如安装重量和体积、可靠性、维护、冷却要求和推进系统成本等。

（1）电机尺寸和功重比特性

在当前的电机原理和制造工艺之下，电机的功重比并非尺度无关的。相同功率的情况下，电机的重量变化与电机数量n之间存在一个系数关系：1/sqrt（n）。举例来讲，如果一个大电机系统重量为100kg，若把它变成16个小功率的电机，电机的总重量可以降低到25kg。上述重量关系未考虑关联的致动器、控制器、联动结构等，但是电机重量的降低是显著的，当然系统的复杂度提高了。如果系统架构正确考虑了并行布线和控制路径，配电还可以提高电源系统的稳健性，从而降低单点故障情况。

 

 

 

（2）电机热管理

大型电机比如650kW，即使效率有95%，但是仍然有32.5kW的热量产生，这使得电机需要很强的散热系统比如液冷系统，直接大幅增加了重量，而且会需要专门的进排气系统，增加10%~15%的巡航阻力。散热量按照平方立方定律缩放：电机表面积与尺寸的平方成比例，但电机体积按立方函数缩放，尺寸越大，散热导致的重量增加越大。所以合适的电机尺寸和功率范围就显得重要了，可以避免复杂冷却的需求，大幅降低重量、降低阻力。

 

 

图↑ 大型电机导致更大的重量和散热阻力

 

 

（3）桨叶设计

选择非常多的桨叶数量、采用高实度桨盘，叶片通过频率 (BPF) 进入超声波范围，人类听不到，并且大气会迅速衰减（抑制）高频噪声，而低频噪声则非常有效地穿过大气。消除音调噪声，同时最大限度地减少宽带噪声源（2-6Hz）是 Whisper Aero 声学的关键策略，此方法不仅将推进器噪声降低到听不见的程度，而且还降低了噪声源的强度。

 

 

图↑ 噪声频率和传播距离

 

（4）一体化带护罩桨盘

采用整体桨盘，把转动桨叶的顶端连接起来形成护罩，消除了桨叶与涵道壁的间隙，没有叶尖涡流脱落情况，不再有以前涡轮叶片和涵道壁面之间的干扰气流噪声，提高气动效率，提高叶片系统刚度，保证了噪声频率在超声波范围。桨叶尖端护罩是在几乎任何尺寸直径下实现高转子效率的关键机制，Whisper Aero 已经证明转子（风扇）效率高达 92%，即使在15cm风扇直径下也是如此。

 

 

图↑ Whisper动力单元

 

（5）制造成本

 

该工艺利用新型热塑性复合材料，在大批量制造的情况下，与现有推进器成本相比，每磅推力的推进器系统成本可降低5-10 倍。

 

（6）声学特性

 

Whisper Aero的推进器在60m外听不到声音（测试背景噪音水平为 30 dB），这一数字已通过无人机飞行验证。正在进行的改进会把噪音进一步降低。

 

（7）应用情况

 

目前的推进器尺寸和功率都还比较小，已经开发15cm直径/4.5kg推力的典型动力单元，并在25kg级的侦查搜索无人机上进行了飞行测试，60m外地面人员无法通过声学方式探测到无人机，而对应重量的“扫描鹰”无人机，则需要在900m之外才能不被察觉到。

目前也正在开发更大和更小的静音动力单元，主要用于国防领域。其中直径60cm、推力250kg的版本已经用于美军的下一代高速垂直起降飞机项目（AFWERX HS-VTOL ）。