空客“瓦哈那”演示驗證計劃詳解(上)

穆作棟

“瓦哈那”演示驗證計劃歷時4年的投入，實現了從需求到概念方案，再到全尺寸演示驗證機的跨越，驗證了電推進技術、傾轉旋翼布局設計技術、自動駕駛模式的可行性。同時，加深理解城市空運的商業運營模式，

成果極為豐富。

電推進技術以高效率、低排放、低噪聲的顯著優勢，催生了航空運輸的全新范式，為應對全球城市化引起的地面及地下交通網絡承運能力的不足，城市空運（Urban Air Mobility、UAM）已成為熱門創新領域，

面對城市空運的廣闊市場，空客A0創新中心于2016年初正式啟動“瓦哈那”（Vahana）電動垂直起降（eVTOL）、自主飛行無人機演示驗證計劃;2019年11月，“瓦哈那”全尺寸驗證機在美國俄勒岡州彭德爾頓基地完成第138次，也是最后一次飛行試驗，標志著為期4年的演示驗證計劃圓滿收官。

本文重點闡述“瓦哈那”演示驗證計劃的實施概況、無人機技術特點、主要成果及里程碑，以期對我國相關領域研究提供參考。

“瓦哈那”演示驗證計劃概況

2015年前后，城市空運市場開始逐漸受到業界關注。一方面城市化帶來了空運市場需求;另一方面客觀條件能支撐電動汽車、電動無人機、互聯網等行業的快速發展，電池的安全性與能量密度開始滿足城市空運的需求，低成本、高性能機載系統供應商涌現，機器視覺與人工智能技術為自主飛行、空中避障創造了可能，先進復合材料加工技術推動了小型飛行器生產。

在市場需求與技術創新的推動下，空客于2015年在美國硅谷建立了空客A³創新中心，旨在吸引人工智能、自主飛行、數據分析等先進技術領域的人才，推動技術創新。“瓦哈那”是空客A³創新中心的首批研究任務之一，于2015年被提上日程，項目團隊共有100余名研究人員。通過融合電推進、機器視覺、人工智能等技術，實現了全電動的自主飛行及垂直起降能力。

“瓦哈那”演示驗證計劃于2016年初正式啟動，首先經飛行器構型多學科技術優化研究確定了“瓦哈那”的構型，2017年完成全尺寸驗證機的裝配工作和數百次縮比樣機的飛行測試;2018年1月31日，全尺寸驗證機在美國俄勒岡州彭德爾頓無人機系統基地（PendletonUAS Range）以自動駕駛模式完成首飛，當時的飛行高度為5m;2019年5月3日，“瓦哈那”在第58次飛行測試中完成首次垂直起飛與前向飛行的完整姿態轉換;2019年6月，“瓦哈那”在巴黎航展進行了展示;2019年11月14日完成第138次飛行測試，標志著該驗證項目結束。在研究過程中，空客A0創新中心共制造了兩架全尺寸驗證機，型號分別為Alpha 1和Alpha 2。

結構布局及關鍵參數

“瓦哈那”最初的構型始于研究者在餐巾紙上隨手畫出的草圖，隨后研究者根據概念可行性以及技術成熟度不斷調整。逐步形成最終構型。

“瓦哈那”是單人座艙無人機，采用傾轉旋翼布局實現垂直起降與水平飛行兩種姿態間的轉換，該機機身前后部各安裝4臺電動機，每臺功率45kW，總共由8臺電動機提供升力與動力。“瓦哈那”驗證機翼展6.25m，機高2.81m，重量726kg，巡航速度190km/h，續航時間20min。航程50km。采用全電推進的動力系統，機身后部配備有2組可裝卸電池組，每組電池重136kg，容量為38kW·h，約占驗證機重量的40%。

機載系統

“瓦哈那”的機艙空間僅供一名乘客使用，艙內正前方設置有一臺高清屏幕，可顯示驗證機的飛行航線等信息。由于“瓦哈那”機上無人駕駛，因而沒有設置飛行員的座艙。

“瓦哈那”的機載系統包括GPS、慣性導航單元、大氣數據探測器等設備，可獲取驗證機的位置和姿態信息。感知和規避系統包括能夠探測和追蹤空中目標的雷達與相機，利用激光雷達掃描著陸區域的固定及移動障礙物。激光雷達和相機集成了近地自動化技術（Near Earlh Autonomy）公司“游隼”（Peregrine）傳感器。

在俄勒岡州彭德爾頓基地開展的飛行測試中，驗證機處于遠程控制狀態，依靠遠程操控實現起飛降落等飛行測試。

驗證機按預先設定的航線飛行，采用自動駕駛模式飛行，通過機身前部的機載智能傳感器識別空中和地面的障礙物。飛行控制系統通過脈沖輸入控制。具體而言，脈沖輸入包括短程滾轉、俯仰、偏航或推進等命令。技術人員在飛行測試期間，詳細了解每個飛行階段如何響應這些輸入，這一過程非常重要。通過觀察和分析驗證機的反應，能夠完善飛行控制系統的開發。“瓦哈那”飛控系統在垂直起降、懸停及水平飛行的姿態轉換過程中發揮了關鍵作用。姿態轉換時。驗證機的飛行速度高達148～167km/h。

三項成果

（1）實現全電動垂直起降及飛行。

研究團隊設計了全電動推進系統，包括電池、電動機、逆變器、高壓配電系統和作動器，實現了傾轉旋翼飛行。全尺寸驗證機累計完成138次飛行試驗，總計飛行900km，總飛行時間超過13h。此外，完成上千次縮比驗證機的飛行試驗。

（2）提升自主飛行能力。

深入研究自主飛行核心技術，包括實時監測與避障技術。研究團隊開展了先進傳感器設計，結合監測數據確定避障策略、開發控制律并最終形成控制軟件。

基于“瓦哈那”的飛行測試，空客A創新中心進一步提出了單獨的“尋路者”（Wayfinder）自主飛行研究計劃。“尋路者”計劃將開發通用自主飛行軟件及硬件，推廣應用于包含城市空運的飛行器和大型客機在內的各類飛行器。一方面基于計算機視覺等技術提升飛行器感知能力，另一方面基于機器學習等技術為飛行器提供決策與自主導航能力，通過數據驅動方法能夠將飛行員的大量飛行經驗應用到飛行控制系統。“尋路者”計劃與空客開展的自主滑行、起飛和降落（ATTOL）研究，均為空客單人駕駛模式的大型商用飛機的研究框架組成部分。

（3）加深理解城市空運的商業運營模式。

相關研究評估了驗證機性能對未來城市空運開展商業運營的可行性，推動空客戰略決策實施。基于“瓦哈那”計劃的經驗，空客于2018年中期成立了城市空運部門。

主要里程碑

作為空客A。創新中心的首批項目之一，為期4年的“瓦哈那”演示驗證計劃可大致分為兩個階段，2016-2017年為第一階段。主要開展研究團隊組建、技術與經濟可行性分析、方案設計和驗證機加工裝配等工作;2018-2019年為第二階段，主要開展飛行試驗。

第一階段里程碑

（1）2016年9月，“瓦哈那”項目對外公開。

在項目對外公開時，研究團隊已完成概念方案設計等多項重要研究工作。在空客A3創新中心建立了由侶名研究人員組成的“瓦哈那”項目組，完成技術和經濟可行性研究。

研究團隊確定了概念方案，并邀請來自業界及空客內部的專家審查方案。方案確定后，推進飛行器空氣動力學設計和工業造型設計，制造出兩架縮比驗證機Omega 1和Omega2，并完成試飛。

開展關鍵分系統的設計和采購，同時確定全尺寸驗證機加工制造的合作方。總之，2016年9月對外公開項目時，全尺寸驗證機已進入機體結構制造與系統開發階段。

（2）2017年2月，“木烏”地面試驗臺交付。

2017年伊始，研究團隊注冊了兩架全尺寸驗證機的尾號。分別為N301VX和N302VX，其中301和302表示對空客3X0系列飛機的繼承，V表示“瓦哈那”項目，X表示驗證機。

完成縮比驗證機Omega 3的制造，完成閉環控制飛行，制造并測試應急機制單元，該單元在緊急情況下會斷開強電系統并開啟降落傘。

“木鳥”（Wooden bird）全尺寸地面試驗臺交付完成，類似于“鐵鳥”，該試驗臺可供研究團隊開展硬件布局設計和配電網絡設計等工作。

（3）2017年9月，集成首架全尺寸驗證機各系統。

2017年3月交付前機翼部件、變距風扇轂以及近地自主降落評估傳感器，并完成訓練規避系統模型的數據集。

2017年4月開展前機翼承載力試驗，包括+38g和-1.5g的飛行條件試驗，以及4g著陸條件試驗，同月完成起落架初步設計審查和風扇轉速500RPM測試，此時風扇達到最大轉速的15%。系統方面，空客防務與空間公司啟動電池組研發工作;研究團隊基于大量數據訓練了飛行控制系統的深度卷積神經網絡算法。

2017年6月，完成顫振分析，結構設計具有較大的顫振余量;7月完成首架驗證機集成裝配機翼、用于懸停測試階段的電機等部件;8月完成第二架驗證機的機身測試與交付;9月全面完成首架全尺寸驗證機的系統集成，包括集成航電、配電、作動器等全部設備。

（4）2017年12月，全尺寸驗證機實現地面起動。

Alpha 1驗證機被運送到彭德爾頓基地并重新裝配，準備開展相關試驗。研究團隊開展了硬件在環飛行模擬測試。同時通過FAA進行安全審查，以獲得試飛特殊適航證（Special AwarenessCertificate）oAIphal在地面進行通電測試，電機成功轉動，標志系統正常運行。

第二階段主要里程碑

（1）2018年1月，Alpha 1驗證機完成首飛。

當地時間2018年1月31日上午8：52開啟試飛，Alpha 1在彭德爾頓無人機基地順利爬升到5m高度，懸停、起降全過程持續53秒。自此。Alpha 1驗證機成功完成首次懸停飛行試驗。整個首飛測試采用自動駕駛模式，未搭載乘客。

（2）2018年5月，更換電動機后再次完成飛行試驗。

2018年2月1日。也就是Alpha 1完成約1min的首次懸停飛行試驗后的次日，研究團隊更換了它的電動機和控制器。

由于相關更改需重新獲取FAA的試飛特殊適航證。因此，3個月之后才能繼續開展飛行試驗。2018年5月2日，更換了新電動機的Alpha 1重新開始飛行試驗并完成試飛。

（3）2019年5月，完成首次完整姿態轉換飛行試驗。

2019年5月3日，Alpha 1驗證機在彭德爾頓基地進行第58次飛行試驗時，首次完成從懸停到前飛的姿態轉換。

此次姿態轉換飛行試驗，Alpha 1首先垂直起飛A73m高度，隨后前后機翼傾轉，進入向前平飛狀態。平飛一段距離后，傾轉機翼減速到懸停狀態并改變航向180°，再次轉換到垂直降落姿態，回到起飛地點，最后再次轉換到懸停狀態并降落。試驗中，驗證機巡航速度達到167km/h。

據研究團隊當時披露的數據，雖然全尺寸驗證機飛行試驗僅開展了58次，但縮比驗證機的飛行試驗次數已超過1200次。

（4）2019年11月，演示驗證計劃結束。

2019年11月14日，“瓦哈那”驗證機在彭德爾頓基地完成了第138次，也是最后一次試飛，項目宣布結束。

空客已成立了城市空運部門，“瓦哈那”計劃的研究成果能有效指導空客并行發展的“城市空中客車”（CityAirbus）演示驗證計劃的后續工作。同時，有力支撐空客在城市空運新興市場的快速發展。