2016大学航空设计挑战赛冠军,NASA计划开展分布式

作者:航天科技

来自佛吉尼亚大学13名学生组成的团队因其电动通勤机设计拔得NASA 2015-2016大学航空设计挑战赛的头筹。

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[据美国航空周刊网站2014年7月10日报道] 航空尚未进入喷气时代的黄昏,而到下一种推进模式的几十年的旅程却可能已经正在进行。NASA已经在一系列的计划下开始了探索,通过地面和飞行试验确定混合和分布式电推进系统是否成为民用航空的下一个革命性的转折。

该工程设计竞赛由NASA航空研究任务部资助,特别要求学生们在其面向2025年服役的飞机概念设计中加入分布式电推进。DEP旨在用一些电动螺旋桨或风扇替代常规喷气发动机,这些螺旋桨或风扇分布在飞机多处,通常分布在机翼上或机翼内。

中新网6月28日电 6月22日,IEEE CVPR 2018在美国盐湖城落下帷幕。IEEE CVPR是IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition的缩写,即IEEE国际计算机视觉与模式识别会议。该会议是由IEEE举办的计算机视觉和模式识别领域的顶级会议。CVPR是IEEE一年一度的学术性会议,会议的主要内容是计算机视觉与模式识别技术,它是世界顶级的计算机视觉会议(三大顶会之一,另外两个是ICCV和ECCV)。WAD(Workshop on Autonomous Driving)是国际上唯一以自动驾驶视觉为核心的顶级评测大赛,以数据规模大、难度高著称。在今年的CVPR大会上,来自搜狗公司的视觉研究团队参加了WAD自动驾驶识别挑战赛,在其中的Task-2“道路目标检测”(Road Object Detection)项目中获得了冠军,代表中国向全世界展现了强大的技术实力。

上方装载机翼的卡车于11月在位于加利福利亚州爱德华兹空军基地沿干涸的湖床的试验能够提供首次有效数据,以验证分布式电推进系统能够带来预期的好处。31英尺跨度的机翼将携带18个小型电驱动螺旋桨,是NASA新的变革性航空概念项目中小型X-飞机验证机的前身。

为驱动螺旋桨的电动机提供电力有多种来源,如燃料电池等,但此次对学生团队的要求是使用涡轮电发电系统(turboelectric generator system),电池作为备用电源。该飞机设计方案需能载客19人,巡航速度250海里小时,飞行高度28000英尺,起飞或着陆场长不长于3000英尺,能在包括结冰的所有天气条件下飞行。另一项考虑是飞机的经济性,该机要能买得起、运营成本不高,可与通勤机市场上90%的飞机竞争。

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同时,在接下来的5年内,机构将研发紧凑型、高功率密度、能够产生1-2兆瓦电能的电动机,以满足全电通用航空飞机或直升机、许多小发动机以更安全和更能量高效的方式分布在飞机上的混合涡轮电力支线飞机或大型运输机的动力需求。

佛吉尼亚大学学生的设计满足了所有要求,并采用了NASA研究人员和合作伙伴研究得出的一些航空技术创新。该学生团队的设计称为“BLItz”,一种分布式电推进通勤机,在一个小型机翼上嵌入了8个风扇,每个机翼翼尖装有一个涡轮电发电机。机翼上装的风扇加速了机翼表面的空气流动,改善了升力还实现了边界层吸入,该项技术利用飞机周围的气流实现风扇运营更高效并降低阻力。该飞机设计方案还采用了复合材料实现减重,使用常规筒形机身加机翼结构以便于制造。综合运用所有新技术后,该飞机设计理论上满足了NASA针对该类型飞机提出的油耗、排放和噪声的绿色航空目标。

道路目标检测技术,是自动驾驶视觉中最重要的几个基础研究方向之一,更是国内外科技企业争相研究的主要计算机视觉技术。据了解,搜狗公司在CVPR 2018大会上展示的目标检测技术,在faster-rcnn的基础上使用了CoupleNet,同时再结合rainbow concatenation,这样不仅提高了目标检测的精准度,小物体目标检测难的问题也得到了很好的解决。

NASA固定翼飞机项目经理表示,第一代电力飞机需要1-2兆瓦的电能。然而,机构也看到了无人和友人飞行器在电能和增加自主方面的分岔口,这也开始了小型无人航空系统和轻型飞机之间的螺旋式探索。

佛吉尼亚技术大学7人团队的“Ion”设计方案和另一7人团队的“Partior Q-1”设计方案分别获得第二和第三名,前者为两侧机翼装有10个风扇,其中6个在巡航阶段折叠隐藏;后者为机翼前缘共装了8个螺旋桨,巡航阶段有6个隐藏。

搜狗公司在目标检测技术上的研发和突破,对整个行业都有重大意义和深远的影响,因为目标检测技术有非常广泛的应用场景。它可以应用于智能驾驶,通过算法来模拟人眼对环境的感知;它还可以应用于人脸识别技术和智能安防领域,快速检测分析出指定的图像信息,节省人力物力;另外,在智能零售领域,通过引入目标检测技术,则可以实现防盗、自动结账等功能。

分布式电推进系统能够实现气动和推进效率的大幅提升,将降低噪声和能源成本。

目标检测技术是人工智能的“眼睛”,决定了人工智能的行动力和判断力,语音识别和机器同传技术是人工智能的“耳朵”,让人工智能更懂人类的语言,而这是搜狗公司一直以来的强项。看来,在掌握了人工智能的“耳朵”和“眼睛”之后,搜狗所代表的国产科技力量,离人工智能时代的大门越来越近了。

然而,电推进系统并不是没有缺点。能量存储重量比这些航空燃油要差得多,而且电池组成本更高。但是在宽的速度范围内电动机均比涡轮或活塞更高效,而且功重比也更高,更安静、更紧凑、更可靠、零排放,能量成本也比航空燃油更低。而且,对于飞机设计最关键的是效率和功重比与尺寸无关。

为了试验更紧凑电力推进系统-飞机集成是否能够带来效率、安全性、环保性和经济性方面的收益,NASA与实验系统航宇公司开展合作,并有可能将前沿异步螺旋桨技术验证机作为X-飞机试验台用于分布式电推进系统。

传统的轻型飞机需要大的机翼以满足取证时低失速需要,但是这导致巡航效率底下。LEAPTech用一个1/3机翼尺寸来取代大机翼,能够实现更低阻力,并具有3倍机翼载荷来提供更好的飞行质量。NASA预测,200mph的巡航升阻比将超过20,相比Cirrus SR22仅为11。

为了实现这种小机翼的失速速度达到61节,LEAPTech延机翼前缘安装了一组小型螺旋桨,能够使得气流沿着机翼加速,增加机翼前缘的动压,并使得低速下的最大升力系数CLmax翻番。CFD计算的升力系数为5.5,而61节失速所需的升力系数为4.5。不费吹灰之力,全跨度福勒襟翼可以配置到40°,CLmax对应为2.7。

为了降低噪声,对低速、小直径、高可靠性螺旋桨的优化需要低的叶尖速度,约450英尺/秒,相应SR22的叶尖速度达到了919英尺/秒。另外,所有的桨叶均工作在有细微差别的速度下来传播频率,并降低相互干扰。螺旋桨气流吹过机翼用于起飞和降落,但是巡航时向后折叠以降低阻力,此时翼尖螺旋桨优化为高速提供推力,并工作在翼尖涡内以提高效率。

LEAPTech的目的是通过新机翼来修改TecnamP2006T轻型双发飞机,以提供传统动力和分布式电推进系统的直接对比。但是,第一步是安装在卡车上的混合电力一体化系统试验台,NASA能够开展全尺寸机翼在61节失速工况下地面试验,且比风洞试验成本更低。

国家全尺寸复杂气动风洞室的成本比Heist的整个预算要多得多。机翼将“漂浮”在卡车的安全气袋系统,以使得来自湖床的振动最小化,而且剩余的噪声在后处理过程中将被去除,以确保升力测量误差在5%以内。

ESAero是Heist的主合同商。Joby航空正在建造试验台、机翼、电动机和螺旋桨。组合在一起,18组螺旋桨将能够产生300hp功率,而且机翼能够提供3500磅的升力。ESAero公司将在11月份的湖床试验前在铺设的跑道上开展试验,以获得地面振动情况。

同时,NASA开始基础研究,以理解并克服电动推力的挑战。现在阿姆斯特朗研究中心具体成形的Airvolt试验台将用于试验推进系统的每一个部件,从电池组到螺旋桨。未来一年将升级到采用罗罗公司M250涡轴发动机、电动机/发电机以及放大的电池组组成的Airvolt混合推进系统,并将用于验证类似混合推进系统的动力转换稳定性问题。

2016年,NASA阿姆斯特朗研究中心计划开始Heist能量管理和分配的地面试验。这将是一个与Airvolt处于同一地方的静态推进试验台,并将用作长期研发平台。NASA计划评估类似混合电总线结构的内在稳定性问题,验证多发电机的总推力控制技术,研究增推的偏航控制法则,并评估功率产生和消耗问题。

当将机翼从卡车上移除并放在静态试验台上时,需要开展功率分配研究,其中包括了电池组和涡轮驱动发电机之间的转换,分布式电源总线的反馈,以及发电机的高频电载荷的稳定。同时,将开展如何安排偏航功率、如何集成健康监测系统,其中包括电动机上的传感器。

飞行员通过分布式推进电控制器将推力目标输入转化为每一个推进器的单独推力命令,同时管理功率生成、存储和消耗之间的平衡。控制法则将管理发电机的加载、能量存储缓冲器的实时能力以及来自推进器聚集的功率需求。另一个法则将合成基于总推力目标以及发电机的和存储的功率可用性的单个推进器命令。

Heist将使用100-120伏电力系统。NASA计划改为600伏系统,以降低分布的配线重量。同时,NASA计划开展硬件在环路的试验,以将类似飞行的电推进系统硬件与模拟的飞机飞行控制结合在一起,下一步将采用真实飞机操纵面、真实飞行控制系统和类似飞行能量存储部件来开展飞机在环路的铁鸟试验。铁鸟试验将试验千瓦级分布式电推进系统X-飞机、LEAPTech和一个1-2兆瓦混合电推进飞行验证机。铁鸟试验将用于评估真实的电推进系统执行情况,如真实体积和重量的约束,验证失效模式和恢复策略,识别并分辨推进系统和其他系统之间的相互依赖关系,确认获得的气动推进效率,并验证推进系统和飞机一体化所带来的真实性能优势。

虽然看起来是非传统的,但是分布式电推进系统在不远的将来将应用于轻型飞机。Joby和Zee. Aero等公司正在通过该概念设计私人飞机,并正在等待电池组和发电机性能的提高。Joby计划在1-2年内试飞S2飞机,并将在几年后进行取证。

NASA相关负责人相信,电推进系统与自主控制将引发航空需求的突破,该技术在未来将影响到更大型的飞机。

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