極短距起降能替代電動垂直起降嗎？

格雷厄姆·沃里克

在電動垂直起降概念大熱的背景下，另有觀點認為，技術的進步使得短距起降能更快的通過認證，率先打入城市空中交通和支線飛機市場，并能實現有益的經濟效益。

雖然目前許多航空初創企業都將重點放在電動垂直起降（eVTOL）和城市空中交通（UAM）上，但另有部分觀點認為，極短距起降（Super-STOL，SSTOL）和支線服務可能更容易獲得認證，且短期內在經濟上更可行。

這一觀點源于20世紀70年代的一種短距離運輸的設想，即利用短距起降（STOL）飛機解決主要機場日益嚴重的擁堵和噪聲問題。美國航空航天局（NASA）和聯邦航空管理局（FAA）都把安靜、清潔的短距起降飛機，視為能使因城市化而陷入困境的機場得到更好利用的方式之一。不過，在當時的技術情況下，這種設想的經濟效益卻并不理想。

進入21世紀20年代，隨著電動推進技術的發展，短距起降能力重新被認為極具潛力。短距起降能更好地釋放電動推進的優勢，且技術挑戰較小，短期內的經濟回報也更高。

而電動垂直起降的機遇在于，可通過便利的城市垂直機場條件實現運營，使航空運輸更便利。但也存在的挑戰，一是垂直飛行對能量效率的要求高；二是若升空和控制都使用電推力，會容易逼近電源失效邊界。

電動短距起降（eSTOL）的機遇是其在能量密度和適航認證方面的障礙小，但挑戰是必須具有足夠的進近性能，起降距離要短到能使用和電動垂直起降飛行器一樣的機場完成進場。優點是當進入分布式電推進（DEP）飛行和升空時，螺旋槳和空氣動力相互作用，可在低空速下實現高升力。這些因素結合在一起，使短距起降能以較低的重量和成本實現極高的性能潛力。

20世紀60年代的STOL飛機——941渦槳運輸機

20世紀60年代的布雷蓋（Breguet）941渦槳運輸機就是一個很好的例子，其展示了采用傳統推進技術的短距起降飛機的性能和復雜性。941飛機的設計起飛高度為185m，可搭載60人，通過全翼展開縫的襟翼使4個超大螺旋槳的滑流偏轉。

941飛機的動力來自4臺透博梅卡·特爾莫（TurbomecaTurmo）渦槳發動機，每臺發動機都有一個自由渦輪驅動貫穿機翼的主軸。主軸通過一根軸連接到每個螺旋槳，確保來自發動機的動力能均勻地分配到各個螺旋槳。如果其中一臺發動機故障，其自由渦輪將被隔離，但螺旋槳將繼續轉動。

941飛機于1961年首飛，1964年在巴黎伊西萊穆利歐和布魯塞爾市中心阿勒維特的直升機停機坪之間進行了演示飛行。941飛機和生產型的941S在美國飛了兩次，在1964-1965年作為麥克唐納公司的188飛機飛行，在1968-1969年再次作為麥克唐納·道格拉斯公司的188飛機飛行，其中包括為美國航空（AA）和美國東方航空（EAL）進行演示。

圖1 電動短距起降的機遇是能量密度和適航認證方面的障礙小。

但由于拿不到航空公司的訂單，運營成本便成為一大障礙因素，941飛機早早退役。但短距起降的研究仍在繼續，NASA于1978年試飛了“安靜短途研究飛機”（QSRA）。這是一架加拿大德哈維蘭（De Havilland）DHC-5“水牛”運輸機，改裝了新機翼，有4個Avco公司萊康明YF102渦扇發動機提供上表面吹風。“安靜短途研究飛機”于1993年退役，但其為波音C-17運輸機的設計做出了貢獻。

圖2 20世紀60年代的布雷蓋941渦槳運輸機就是一個短距起降飛機的經典的例子。

皮卡公司的eSTOL無人機和Metro Hop飛機概念

美國加州的初創公司皮卡（Pyka）正在新西蘭使用eSTOL無人機進行作物噴灑作業。皮卡公司生產的飛機由機翼和尾翼上的3個20kW的電動機提供動力，能在45m的高度飛行，可攜帶280kg的任務載荷。該飛機設計為不使用動力升空，而是有一個類似帆板的機翼，加帶全翼展襟翼，可在低速時實現高升力。巡航速度為140km/h，可在兩次飛行之間更換電池，每小時的作業面積可覆蓋85～135英畝（約34～55公頃）。

該系列另有一種Metro Hop飛機概念，由德國斯圖加特大學的e-Genius電動飛機團隊為皮卡公司設計。這是一個兩座的eSTOL飛行器，被設計為能在60m的高度進行起降，可攜帶450kg任務載荷、以400km/h的速度飛行160km。

皮卡公司首席執行官布魯諾·莫布里尼（Bruno Mombrinie）表示，Metro Hop概念最初設想的應用是將醫療用品從中央倉庫快速運送到各地醫院。從倉庫屋頂的平臺上起飛時，飛機的電動機首先在4～5s內將飛機加速至96km/h，然后主起落架的架腿會推動機頭向上旋轉來進行起飛。而為了進行精確著陸，飛機會先測量自身到屋頂平臺的距離，然后在著陸標志上方伸出電動起落架與地面接觸，之后機翼升力被破壞，同時進行剎車減速完成著陸。貨物裝卸和電池替換則使用機器人完成。

英國法拉第公司的生物電動混合飛機概念

英國初創公司法拉第（Faradair）憑借其生物電動混合飛機（BEHA）概念，采取了不同的STOL區域運輸方法。BEHA能在300m以下的高度起降，能以370km/h的巡航速度飛行1850km，其具有一個高升力的三重機翼，三個交錯的升力面通過垂直安定面連接在翼尖。法拉第常務董事尼爾·克勞利（Neil Cloughley）表示，建模分析表明，BEHA飛機能以75km/h、16°迎角和類似于波音747的升阻比升空。

圖3 皮卡公司一架電動eSTOL 無人機在新西蘭進行作物噴灑。

圖4 德國斯圖加特大學設計的Metro Hop飛機概念。

BEHA飛機由一臺1600shp的渦輪發動機和500kW的電動機提供推力，驅動管道中的反向旋轉風扇，增加推力，降低噪聲，并為飛行控制提供矢量推力。起飛時主要靠電池供電完成，以減少噪聲和排放，然后過渡到渦輪發動機巡航并為電池充電，以便在發動機出現故障時提供備用電源。

BEHA的設計巡航速度為370km/h，在更高的速度下，來自機翼和管道的阻力代價將太大。但法拉第公司主要瞄準了和直升機的競爭，聚焦使飛機飛行速度更快、飛行距離更遠、效率更高且噪聲更小。克勞利認為BEHA可以完成一架大型直升機90%的任務。

BEHA概念飛機家族中計劃的第一個成員是MH1，這是混合動力BEHA的初級版，采用非增壓客艙設計，翼展16.8m，可在搭載18名乘客、裝載3個LD3貨運集裝箱或5t重任務載荷的選項間快速切換。目前，MH1正在斯旺西（Swansea）大學進行最終設計優化，目標是在2023至2024年首飛，2025至2026年取證。

法拉第公司近期將遷至劍橋郡的達克斯福德（Duxford）機場，開始開發BEHA的全尺寸原型機。達克斯福德機場是歐洲最大的航空博物館所在地，該公司正與帝國戰爭博物館（IWM）和土地所有者，即劍橋大學的岡維爾和凱斯學院合作遷址。按計劃應在9月1日遷入新址，該公司也將成為首家參與“達克斯福德航空技術”區域發展計劃的公司，這項計劃是岡維爾和凱斯學院在帝國戰爭博物館的支持下提出的，要在博物館建立一個航空技術中心。

除了初級版MH1外，法拉第公司還計劃推出無人版的MH1T，主要用于軍事后勤和消防。全電動的BEHA E1預計于2030年投入運營，將使用電池或氫燃料電池，該公司還表示MH1將可通過補充型號認證修改升級到E1。

圖5 主動式起落架腿和電動車輪為Metro Hop 概念提供了STOL性能。

麻省理工學院的4座SSTOL

極光飛行科學公司（現并入波音）創始人兼前首席執行官約翰·蘭福德（John Langford）成立了電氣航空公司（Electr.Aero），旨在開發一種極短距起降（SSTOL）混合動力飛機，使用分布式電推進（DEP）和動力升空以實現支線交通。他與麻省理工學院的一個團隊合作，該團隊一直在研究SSTOL作為eVTOL的替代品用于城市空中交通。

麻省理工學院的研究生克里斯托弗·考廷（Christopher Courtin）表示，eVTOL飛行器存在的問題是，如果在升空和控制中都使用推力，會逼近電源的失效邊界，為此需要更大的冗余度和復雜性，這將導致飛機的成本、重量和認證時間都有所增加。與之相比，固定翼的SSTOL飛機在發生故障時，其性能將與現有單發飛機的性能相當，這為SSTOL的認證提供了很好的鋪墊。

此外，SSTOL可使用更小的電動機，可為能源儲備或載客容量留出更多的重量空間。同時，與eVTOL飛行器相比，SSTOL飛機的推重比更低，升阻比更高，使其具有提高速度、航程和任務載荷能力的潛力。

麻省理工學院在研究一種4座的SSTOL，作為受停靠基礎設施限制的eVTOL替代方案。分布式電推進通過在機翼前緣安裝螺旋槳，使其沿翼展大部分方向吹動后緣襟翼，實現極短距起降性能。基于風洞試驗結果，麻省理工學院的研究團隊認為采用分布式電推進的動力升空可以實現30m高度內的起飛和降落，距離之短足以與eVTOL競爭。

圖6 法拉第公司的BEHA概念采用三重機翼，可在低空速下提供高升力。

圖7 麻省理工學院的30%無人機縮比模型，顯示了分布式電推進性能應用于短距起降的潛力。

在極光飛行科學公司的資助下，麻省理工學院研究團隊在2019年試飛了一個30%比例的SSTOL概念縮比無人機模型。該模型重量不到18kg，翼展約4m，機翼前緣有8個螺旋槳，有單開槽襟翼和副翼，還有一個常規尾翼。

像布雷蓋941那樣利用機翼的襟翼使螺旋槳的滑流偏轉，這樣一方面使螺旋槳的射流旋轉，另一方面抑制了機翼和襟翼上氣流的分離，以這種方式來增加升力。與傳統的渦槳發動機相比，分布式電推進允許使用多個小螺旋槳，小螺旋槳產生的小射流提高了吹氣效率，因此飛機可以只使用簡單的機械式單縫開槽襟翼，與以前的外吹式襟翼布局飛機相比省去了高升力系統的重量和成本。

麻省理工學院進行縮比模型測試的目的是為確定飛行中是否可以實現高升力，并評估操縱品質和觀察螺旋槳直徑改變對氣流旋轉效率的影響。分布式電推進的電動機沿機翼前緣均勻分布。在起飛模式下，所有8個電動機都由一個油門桿共同控制。在著陸模式下，有6個電動機通過旋鈕控制，提供大部分吹氣，而外部的一對電動機由油門控制。

研究團隊用直徑為22.86cm的雙槳葉和直徑為17.78cm的五槳葉螺旋槳對飛機進行了測試，發現用較小的螺旋槳可以顯著降低飛行速度，研究團隊認為這可能是由于較小的射流能被襟翼更有效地偏轉，從而以更低的功率獲得更大的升力。

不過在低速飛行時，飛機的側向操縱品質下降，使得飛機難以控制。由于很難讓飛機保持穩定的飛行狀態，測量升力系數變得困難，但五槳葉螺旋槳提供了最好的高升力性能。

這架縮比無人機能在約兩倍于自身長度的距離內起飛，并保持早期水平升空姿態。研究團隊認為，這表明飛機的起飛距離受限于未吹過的尾翼在低空速下能產生的旋轉速度，同時起飛時的最大升力系數也不如設想的那么高，這表明飛機的地面滾轉受限于水平尾翼的控制能力。

由于操縱面上的動壓較低，飛機很難操縱。在襟翼發生高偏轉且升力系數較高時，襟翼末端的上洗流會誘導機翼在該位置失速。尾翼也是一個因素，它的配平能力限制了可達到的升力系數。研究團隊表示，對于該飛機的控制策略是下一步的重要研究領域。

麻省理工學院的研究團隊將與電氣航空公司進行下一步合作，下一步的計劃是在新冠疫情限制解除后的一年內，試飛一架全尺寸的兩座概念驗證機，以解決飛行控制上的挑戰，展示極短距起降的潛力。研究團隊正在關注4座、9座、19座和35座的飛機并進行市場調研，以確定首先推出哪些機型。電氣航空公司認為在介于小型的城市空中出租車和大型的支線飛機之間的市場存在機會，即可在30～100m的高度飛行、飛行距離為80～240km的飛機，這一距離的出行市場目前仍由汽車支配。