即将发生的交通革命和三条革命道路

点看全图

比尔?盖茨和史蒂夫?乔布斯代表的是上一代创业英雄。他们改变了人类以纸和笔为基础的生活方式。上图是1985年的盖茨(戴眼镜者)与乔布斯。

新一代的创业英雄可以由下图代表:

点看全图

Oops,抱歉发错了,应该是由下图的“钢铁侠”马斯克(Elon Musk)代表:

点看全图

或者下图的“脸书”扎克伯格(Mark Zuckerberg,图中持飞机模型者)代表:

点看全图

或者下图的“亚马逊”贝佐斯(Jeff Bezos)代表:

点看全图

上图中“亚马逊”贝佐斯身后的火箭上印着他的新公司的名称:蓝之源(Blue Origin),和公司的标志——一片黑色羽毛。

“钢铁侠”马斯克和“亚马逊”贝佐斯超越大气层的火箭创业是革命的第二波,本文先谈谈马上就来的革命第一波:让每个人都能像鸟一样飞。

下图中那个让人坐在一个“蛋”上飞行的飞行器叫VC-1:

点看全图

这是德国的几个创业者在2011年10月,实现了人类首次载人电动多桨直升机的飞行。那个“蛋”是一个缓冲气囊,很可能是在沃玛特之类超级市场买的健身用充气球。如果试飞中出了意外,这个气囊能在直升机触地时给乘员提供一定的缓冲保护。

到了2016年,这个“空中飞蛋”已经进化成了可以载人飞行的VC-200“白女士”(White Lady),如下图所示:

点看全图

之所以叫白女士,大概是因为那个安装分布式电动螺桨的圆环像一位女士的裙摆吧。白女士的噪音远远小于常规直升机,一是因为电动机的噪音远远小于常规直升机的燃气动力发动机,二是因为大量小直径螺桨的桨尖速度远远小于常规直升机旋翼的桨尖速度,三是因为没有常规直升机复杂而且高速旋转的减速器。

除了噪音比常规直升机低得多,这种电动多桨直升机还拥有压倒性的经济优势。常规直升机需要高温燃烧、高速旋转的涡轮轴发动机带动拥有复杂的周期变距的传动和旋翼系统,不但造价高,维护费用也非常高。而电动多桨直升机则简单得多得多,既不需要涡轮发动机超高的转速,也不需要庞大的主减速器,还不需要高度复杂的变距系统,所以无论是造价还是维护费用也比传统直升机低得很多。下图是美国海军士兵在维护传统直升机MH-60“海黑鹰”复杂的旋翼桨叶变距机构,而电动多桨直升机则根本就没有这个系统:

点看全图

作为对比,下图是白女士的旋转部分特写,非常简单、轻巧:

点看全图

这种低噪音、小尺寸、而且比常规直升机费用低得多的新飞行器,可以实现很多常规直升机无法实现的用途,比如城市中的短程交通服务。

中国的无人机卖到了全世界,在电动多桨载人飞行上也同样走在前面。下图是亿航公司的亿航-184:

点看全图

与德国白女士采用大量小直径桨的设计不同,亿航-184走的是四组共八个大直径桨的路子。德国白女士大量小桨的优点是采用大量小电动机从而降低电动机的技术风险;缺点是控制如此数量众多而且分散布置的桨叶有较高的控制难度。而亿航-184的优点和缺点与德国白女士正好相反。

亿航-184比德国白女士的另一个优点是容易折叠从而便于储运,如下图所示:

点看全图

有消息说亿航已经获准在阿拉伯联合酋长国首都迪拜开辟空中出租车服务,就是用亿航-184,而且计划在2017年7月开始。祝亿航马到功成,让中东的酋长和人民了解一下中国的航空技术。下图是迪拜风光,这些人工小岛和高楼大厦的确是亿航-184理想的用武之地:

点看全图

不仅是像上面说的那些白手起家的创业者看到了交通革命的曙光,欧洲的空中客车公司也果断地撸起袖子怒怼德国白女士和亿航-184。

空中客车公司是传统空运界的巨无霸,下图中前面那个“小”飞机是波音公司的波音737,后面那个大飞机是空中客车公司的A380:

点看全图

现在,已经有210架A380翱翔在世界各地的天空,并且这个数量还在不断增加。每架A380通常以三个等级的客舱载客525人,航程大约15,700公里,最大起飞重量超过570吨。

空中客车认为未来的短程交通革命不仅仅局限在航空一个方面,而是由地面轮式交通与航空综合而成。下图是空中客车的Pop.Up方案:

点看全图

这个方案旨在综合各种手段迅速将人送到环境迥异的不同地点。从这个目标来看,Pop.Up可以翻译成“突现”。

Pop.Up由三大部分组成:轮式底盘、客舱、无人直升机。如下图所示:

点看全图

如果我的家在北京望京一个小区的楼群中,想去朝阳大悦城吃饭,我可以先坐在安装在轮式底盘上的Pop.Up客舱中,来到望京的SOHO广场。如下图所示:

点看全图

然后在望京SOHO广场,无人直升机把我的客舱带起来,脱离轮式底盘,向朝阳大悦城方向飞去,如下图所示:

点看全图

经过短暂的飞行后,无人直升机降落在朝阳大悦城前面的广场,我就可以去吃饭啦。而我的这个Pop.Up则要么载着刚刚从大悦城出来的乘客飞离,要么直接飞走去接别的地方的乘客。如下图所示:

点看全图

从上面这个例子可见,Pop.Up方案顺畅地衔接了人们短途出行的各个阶段,所以非常容易融入人们的生活,从而被广泛接受。

从技术上看,Pop.Up方案的无人直升机采用了涵道风扇的设计。这比亿航-184裸露的螺桨要安全得多,因为亿航-184的螺桨很容易打伤周围的人。涵道风扇的效率也更高一些,噪音也更小一些。这些是Pop.Up与亿航-184相比的优点。

与德国白女士相比,Pop.Up的无人直升机方案只有四个涵道,更容易控制。

总之,像空中客车这样的巨无霸一旦出手,白手起家的创业者们就显得稍微有些不太专业。不过,未来的交通会是什么样子,谁也下不了结论,无论是德国白夫人,还是亿航,还是其他的什么人或者公司,都有实现自己理想的希望。

上面说的基本都要涉及无人驾驶和类似出租车那样的服务,不但要保证安全迅捷的载人飞行,还要面对软件、硬件、系统集成等多方面的挑战。而一个叫小鹰(Kitty Hawk)的创业公司开发的小鹰飞行者(Kitty Hawk Flyer)却绕开了这些障碍。

下面的动图是小鹰飞行者:

点看全图

小鹰飞行者有一个井字形的骨架。骨架上共安装了八个电动螺桨。骨架的下方还有两个充气的气囊同时担负安全气囊、水上浮筒、起落架三个任务。骨架上方坐着驾驶员。骨架还撑起了一个安全网,防止旋转的螺桨打伤驾驶员。

这个有人驾驶的飞行器不是瞄准短途出行市场,而是瞄准体育、休闲、娱乐市场,所以干净利索地避开了Pop.Up、亿航-184必须面对的城市交通问题。虽然体育、休闲、娱乐市场的规模比短途出行市场小,但却因为技术要求低而更适合创业公司。

小鹰(Kitty Hawk)是一个地名。1903年12月17日,怀特兄弟在美国北卡罗来纳州的小鹰(Kitty Hawk)实现了首次载人飞行。让我们拭目以待,看看这个以小鹰命名的公司和他们的小鹰飞行者,能否受到人们的喜爱。

点看全图

上述几个例子都是利用电动多桨直升机实现交通革命的第一步,这就是第一条革命道路。

以上图片和动图均来自网络

美国陆军第七空中骑兵团第一营于1965年11月在越南德浪河谷进行过一次直升机机降作战。此战美军一个营450人对阵越南人民军第66团和33团一部共2,000人。越军这两个团是在奠边府战役大胜法国军队的王牌部队。最终空中骑兵在美军空中优势的支持下血战而胜。下图是这场战斗的照片:

点看全图

此战之后,直升机成为美军地面力量实现“兵贵神速”的关键工具。但是时光荏苒,在二十多年后的1993年,美军的直升机机降作战却在黑非洲遭到一次惨败。

当时由美陆军三角洲特种部队和第75游骑兵团所组成的一只精干行动队,以直升机机降方式在索马里首都摩加迪沙执行任务。他们的对手是基本没有受过系统军事训练,甚至连军装都没有的民兵。结果,美军如此精锐的部队居然有19人阵亡、1人被生俘、73人负伤,而且有两架UH-60“黑鹰”直升机被简陋的火箭筒击落。

从技术角度看,此战暴露出美军的主力运输直升机UH-60“黑鹰”体型过大,在城市等狭窄空间动作笨拙的问题。下面的动图是电影《黑鹰坠落》中一个游骑兵士兵在沿着绳索从黑鹰滑向地面时失手跌落的情景:

点看全图

在此战的73名负伤者中,的确包括一名因在直升机绳降中跌落而身负重伤的游骑兵士兵。这是因为黑鹰体型大而无法降落在摩加迪沙的街道上,只能悬停在低空让士兵沿绳索滑落地面。而绳降要求黑鹰在低空低速飞行和悬停,又使这种大体型的直升机成为地面火力的理想目标。

下面的动图是电影《黑鹰坠落》中一架黑鹰被火箭筒击落的情景:

点看全图

而美军另一种直升机却在此次摩加迪沙之战中表现良好,就是体型非常小的AH-6“小鸟”。小鸟可以迅速地直接降落在街道上,所搭载的士兵则一跃离开直升机,然后小鸟马上飞离。这种突然机降因为时间非常短,对手还没来得及反击,小鸟就已经飞走了。即使在低空活动,小鸟也因为体型小和动作灵活而没有被地面火力击落。下图是小鸟载着三角洲队员突然降落在摩加迪沙的街道上:

点看全图

不过AH-6“小鸟”虽然非常有效,但每架直升机载人很少。而如果要大量装备小鸟以运输大量人员,就需要大量的飞行员,所以难以实现。

能不能开发一种飞行器,让它不但像小鸟一样小巧灵活,而且不需要飞行员而能大量装备,从而让数量众多的地面部队能突然出现在敌人意料不到的地方呢?

2009年,美军启动了一个叫Transformer(变形金刚)的计划,并在2013年选中了洛克希德公司为美军开发ARES(战神)。ARES是Aerial Reconfigurable Embeded System(嵌入式可重构空中系统)的缩写,而这个缩写正好是古希腊神话中战神阿瑞斯的名字。

点看全图

战神非常小巧,如下图所示:

点看全图

图中左侧黄色区域内是战神,右侧红色区域内是AH-6“小鸟”。可以看出战神比小鸟需要的着陆区域还要小。另外战神也比小鸟更安全、更适合在条件复杂的地点起降。因为战神用的是涵道风扇,涵道有利于使高速旋转的风扇叶片避开树枝等危险的地面物体。而AH-6“小鸟”不但有开放的旋翼,还有开放的尾桨,非常容易在起降时打到树枝、电线之类的东西而发生事故。

战神不但能像直升机一样垂直起降,而且在飞行时能转换到固定翼飞机状态,飞行效率比直升机高得多。下图是战神从垂直起飞,到水平飞行,然后垂直着陆的过程:

点看全图

战神是通过倾转机翼和涵道风扇来实现直升机和固定翼飞机之间的转换。上面图中在垂直起降的直升机状态,战神的两个涵道风扇处于水平位置,产生垂直的升力;机翼也是竖立状态。而在上图中间的固定翼飞机状态,战神的涵道风扇处于水平位置,产生水平推力推进飞机飞行;机翼也处于水平位置,产生升力。在直升机和固定翼飞机之间的转换状态,战神的涵道风扇和机翼可以在从水平到竖直位置之间调整,从而保证两个状态之间的顺利转换。

战神可以直接“抓起“轻型军用车辆,越过车辆根本无法通过的山川河流等复杂地形,抵达目的地。如下图所示:

点看全图

或者吊挂一个救护舱,在战场中撤离伤员:

点看全图

或者把弹药、医药、食品等装在补给舱里,直接送到战场的最前沿:

点看全图

战神不但适用于陆地作战,也可以用于海上作战。通过吊挂不同的任务舱,战神可以在非常小的军舰上起降,执行诸如反潜、侦察、监视、中继制导等等任务:

点看全图

在网络中心战和人工智能支持下,士兵们通过军用手机或军用加固平板电脑召唤战神来到,或指示战神飞离。战神自己飞行,并自行选择着陆地点。

因为需要运输轻型车辆和全副武装的士兵等重量比较大的载荷,也因为战场环境的严酷,战神没有选择电动动力,而采用了涡轮轴发动机。而且为了在遭受一定战斗损伤后仍能继续执行任务,战神使用了两台涡轮轴发动机并把传动系统设计成即使一台发动机失效,另一台发动机仍可以同时驱动两副涵道风扇工作。下图中,黄色中央翼上方那一前一后两个棕色的装置就是两台涡轮轴发动机的排气口:

点看全图

战神的发动机、减速器、控制系统、燃油油箱,都布置在这个厚厚的中央翼里面。

战神在气动和控制上也是一个巨大的进步。除了创造性的倾转涵道和机翼以实现转换飞行,战神还省略了常规直升机和常规飞机都需要的垂尾、平尾等控制面,而仅仅以一对涵道风扇和平直机翼来实现所有的控制功能。下图可以看到安装在涵道上、位于风扇后面的控制面:

点看全图

战神不但在传统航空技术范畴有突破,更重要的突破是在网络和人工智能上。就是士兵用军用手机通过简单的指令就能指示无人驾驶的战神执行任务。战神一旦开发成功,美国陆军、海军陆战队等地面力量的机动能力就会有质的飞跃,并演化出新的作战方式。

而战神的技术一旦进入民用领域,就会引起交通革命。比如我想从秦皇岛去大连,只需通过简单的手机设定,战神民用版甚至能直接“抓“起我的汽车,飞越渤海湾来到大连。民用的战神也可以改为电驱动,成为载重量虽小一些,但是噪音和造价也大幅度减小的市内交通工具。

现在是2017年,洛克希德开发战神已经四年。这个由变形金刚计划产生的战神项目是否能成功,以及一旦成功后会是什么样子,都还是未知。但是战神所代表的思路却非常有革命性。就是用一种无人飞行器,垂直降落在狭小的地方,通过吊挂各式各样的挂载完成五花八门的任务,而且兼具直升机的垂直起降能力和常规飞机的巡航效率。这就是第二条革命之路。

既然战神项目来自变形金刚计划,就以一张变形金刚的图画结束本文:

点看全图

本文的所有图片和动图均来自网络。

本系列文指出的第一条革命道路是在现有电动无人直升机基础上放大的纯直升机载人飞行器,比如空中客车公司的Pop.Up“突现”空中吴钩:【原创】即将发生的交通革命和三条革命道路(上)

点看全图

本系列文指出的第二条革命道路是基于传统的旋翼/风扇并能在直升机和固定翼飞机之间转换的载人飞行器,比如洛克希德公司的ARES“战神”空中吴钩:【原创】即将发生的交通革命和三条革命道路(中)

点看全图

现在,本系列文在这里指出第三条革命道路,就是基于创新性的分布式动力系统并在直升机和固定翼飞机之间转换的载人飞行器,比如百合(Lilium)公司的百合喷气(Lilium Jet):

点看全图

上图中的百合喷气是一个鸭式布局的小飞机。在鸭式前翼和主翼的上,排列着深色的电动风扇。其中一对鸭式前翼上有12个风扇,一对主翼上有24个风扇。这总共36个风扇安装在各自翼面上整体式涵道中。

百合喷气创造性地利用了电动力的一个特点,就是电动马达驱动的风扇不但本身非常轻小,而且增加马达和风扇的数量所导致的额外增重非常小。百合喷气把电动风扇以分布式布置在翼面上方的后部,巧妙地实现了垂直起降和固定翼飞机的结合。

首先,垂直起降是通过把风扇涵道倾转到竖直方位来实现的:

点看全图

上图是百合喷气的原型机在2017年4月首飞时的照片。图中鸭式前翼和主翼上的36个涵道风扇都已经偏转到竖直方位,以产生垂直起降的推力。

首飞是以垂直起飞开始的:

点看全图

上图中,可以清晰地看到主翼后缘的涵道风扇已经偏转到了竖直方位以提供垂直起飞的推力。此时的百合喷气垂直地离了开地面。

然后,越升越高:

点看全图

从侧面看垂直起飞中的原型机,是这个样子的:

点看全图

之后,这36个风扇开始从竖直方位向水平方位倾转,推动原型机开始前飞,并逐渐加速:

点看全图

前飞速度的增加导致机翼产生的升力也随着增加,最终机翼能够不需要涵道风扇的帮助,仅凭自己的升力就支持飞机平飞。此时涵道风扇大致位于水平方位并做小角度的偏转调节,提供前飞的动力和飞行控制。这样,百合喷气就成了一架固定翼飞机,从而比直升机飞得更快、飞得更远。

百合喷气的分布式风扇与机翼的组合产生了两个非常关键的综合效应:增升和控制。

先说增升。

当涵道风扇向下偏转时,不但风扇本身推力的竖直分量在支承飞机飞行,而且风扇对流经机翼上表面气流的加速和偏转作用还提高了机翼的升力。尤其关键的是,这种组合保证了飞机在直升机模式和固定翼飞机模式之间的顺畅转换。

点看全图

上面图中左侧是百合喷气创造性的分布式风扇与机翼组合,右侧是常规的机翼。图中两种机翼都处于襟翼以较大角度下偏的状态,这是典型的低速飞行状态,也是百合喷气在直升机和固定翼飞机之间转换的状态。此时流经百合喷气机翼上表面的气流被分布式风扇加速并吸入风扇涵道,这使得机翼即使在低速下仍然获得稳定的高速气流,从而在传统机翼已经开始失速的低速下仍然可以产生升力。然后,被吸入涵道的气流经进一步加速后从涵道的后缘向斜下方高速喷出,又产生了向斜上方的推力。这个推力的水平分量驱动飞机平飞,竖直分量则与机翼产生的升力一道克服飞机的重力而把飞机支承自空中。而传统机翼在相同的速度下,已经从襟翼后缘开始失速,从而丧失升力。

再说控制。

点看全图

百合喷气的分布式可偏转涵道风扇同时是所有飞行状态下的控制装置。在直升机状态,直升机的升降通过推力大小的调节来实现;抬头/低头和左右倾斜通过前后和左右的推力差来实现;前飞/倒飞/原地旋转通过同步或差动调节风扇的倾转角度来实现;向左/右平移飞行通过先左/右倾斜然后调节涵道风扇推力来实现。

在固定翼状态,前翼上的涵道风扇通过偏转实现传统鸭式前翼的功能,主翼上的涵道风扇通过偏转实现传统机翼上副翼的功能,而主翼上的分布式涵道风扇通过调节左右两侧推力的不同实现传统垂尾的功能。

在直升机与固定翼的转换状态,飞机的控制方式也处于转换之中。当速度很低时,以直升机方式控制;当速度较高时,以固定翼方式控制。百合喷气的分布式涵道风扇对机翼的增升作用,使得这种转换何以顺畅衔接。

点看全图

上图是从侧后方看百合喷气。仅仅以涵道风扇的偏转角度和推力大小两种形式的调节,喷气百合就实现了直升机和固定翼飞机模式的控制,以及两种模式转换之中的控制。

分布式动力系统的另一个关键优势是非常安全。即使是在垂直起降时少数风扇故障,仍然可以通过其他风扇的补偿而保证飞机不会坠毁:

点看全图

上图中红色的三部风扇发生故障,但是这一侧的主翼上仍然有九部运行良好的风扇,它们可以通过增加推力的方式补偿因这三部风扇故障而丧失的推力。

而且涵道的保护作用使得故障风扇的叶片即使断裂,也不会被高速的旋转甩出涵道以外,打伤其他风扇和飞机结构。

因为百合喷气是非常小、非常轻的飞机,所以还采用了整个飞机的降落伞来提供最后的安全保障:

点看全图

百合喷气不但可以狭小的市内垂直起降,而且能避开繁忙的地面交通,快速飞到很远的地方。在营运上,百合喷气打算采用类似网约车的方式:

点看全图

尤其令人关注的,是开发出如此创造性飞行器的百合公司,是一个很小的创业公司。这家位于德国慕尼黑的小公司成立于2013年,短短四年之后的2017年,就制造并成功试飞了一架原型机。

点看全图

上面的图就是在百合公司内部的原型机。与设想中仅仅在鸭式前翼的上翼面布置涵道风扇不同,这个原型机在鸭式前翼的上下翼面都布置了涵道风扇,形成柱状的风扇组。随着控制技术的成熟,后续的百合喷气大概会演变成设想图中那种只在鸭式前翼的上翼面布置涵道风扇的设计,以更高效地利用翼面升力。

点看全图

上面的图是技术人员在调整主翼后缘的涵道风扇。这个已经成功试飞的原型机被设计成可以搭载两名乘员,但百合公司计划中的营运型百合喷气是搭载五名乘员的更大一些的飞机。

美国也在开发类似的技术,但与德国不同的是,美国是在军方资助下的以作战为目的的项目。这个项目是XV-24A“闪击”(Lightning Strike):

点看全图

上图就是美国极光公司在美军资助下开发的XV-24A“闪击”的想象图。闪击也实现了原型机的成功飞行。

总之,无论是旨在获取革命性战场机动能力的美国极光闪击,还是旨在实现民用交通革命的德国百合喷气,都在告诉我们这条交通革命的第三条革命之路。

本系列文指出的三条革命道路中,放大现有电动无人机以载人的第一条道路技术门槛最低;把传统风扇与机翼组合的第三条道路用途最灵活、最广泛;把分布式风扇与机翼组合的第三条道路在技术上最有创造性。而且这三条道路都有创业的小公司或者巨无霸的大公司在开发具体的项目。我们虽然不知道哪一条道路,或者哪些道路会成功,但是有一点是肯定的,就是很多人在为一个梦想而奋斗:让每一个人都能像鸟一样飞翔。

就以电影AVATAR(阿凡达)的一幅剧照作为本文的结尾吧:

点看全图

本文所有图片均来自网络。

全文完。

Advertisements
此条目发表在未分类分类目录。将固定链接加入收藏夹。

发表评论

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / 更改 )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / 更改 )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / 更改 )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / 更改 )

Connecting to %s