电动短距起降eSTOL的现状和未来
电动短距起降eSTOL的现状和未来
近些年，电机和电控系统越趋小型化和轻量化、效率更高，功率密度和扭矩密度大幅提升；同时，电池的能量密度也提升到了300Wh/kg，500-1000Wh/kg的各种电池也在加快研制中，这催生了现在的eVTOL热潮。而另一方面，有部分电动航空人士发现eVTOL在当下的一些潜在问题，比如能耗太高、有效载重和航程系数小、系统复杂、适航认证存在未知等，转而开展了滑跑起降的eSTOL研究。
分布式电推进飞机布局不再受笨重的燃油发动机的限制，全机造型可以更加优雅和灵活，分布式的螺旋桨还可以改善机翼流场大幅提升飞机起降性能。NASA在2014年开展的LAEPTech（前沿异步电推进技术）项目，验证常规动力飞机更换为分布式电动螺旋桨能带来的好处。2016年正式立项为X-57，机翼前方共有14个螺旋桨，内侧的12个螺旋桨为5叶桨，巡航时可折叠；翼尖两个三叶螺旋桨偏大，用于巡航。其计算的起飞最大升力系数可达4以上，不过由于机翼面积远小于此前的原型P2006T，全机升力还是偏小，难以实现超短距起飞。X-57项目进展一直比较缓慢，而其他企业的类似技术研究走得更快，使得停滞不前的X-57成为了鸡肋，最终于2023年6月宣布项目将关闭。本文选择了部分典型eSTOL设计进行介绍。
SibNIA TVS-2MS验证机
安东诺夫设计局研制的An-2是一型具有很大改装潜力的飞机，不只是在中国有很多变种（运-5系列改进），在俄罗斯也是，西伯利亚航空研究所就进行了多种改进研究，曾经想用来作为数量庞大的An-2后继机或延寿机型。
图↑ 6秒起飞
上图的这架TVS-2MS改型飞机，采用了霍尼韦尔的涡桨发动机（850kW）作为巡航动力，然后在下机翼前方还有8个可折叠的2叶电动螺旋桨，起降时打开实现短距起降，巡航时关闭收起。该机可以使用大部分Mi-8直升机的起降场，场地尺寸为30m×50m。在2021年的莫斯科航展上，该机现场表演了6秒起飞，并进行了超低速度通场飞行，全程飞行中也完整地使用了小螺旋桨的启动和折叠收起功能，这个“本应该”由X-57来展示的场景，却出现在莫斯科，不胜唏嘘。
图↑ 巡航状态小螺旋桨收起
图↑ 可收放的电动螺旋桨
图↑ 停机状态
题外话：
西伯利亚航空研究所An-2还有一种复合材料机翼的构型，这个就是重新设计的TVS-2DTS，原来是计划作为An-2的后继机型。
图↑ An-2 TVS-2DTS
当然，由于该机型采用了西方的发动机和设备，以及国外的碳纤维材料，俄罗斯当局有些担心，在2019年8月要求立项研制新的单翼飞机来替代An-2，最后获胜的是乌拉尔民航厂全铝的LMS-901（代号贝加尔），LMS-901可以采用克里莫夫VK-800涡桨动力，该机2022年1月首飞。
图↑ 2022年1月首飞的LMS-901
Electra Aero
Electra由前Aurora Flight Sciences（极光飞行科学公司，现属于波音）CEO John Langford 创立，在2020年的时候，公布的方案是鸭式布局+V尾的DEP设计，之后逐步回归到了常规布局方案。在获得洛克希德·马丁风险投资后，于2022年6月收购了正在做同样事情、也有丰富经验和实力的Airflow公司（前空客Vahana团队2019年创立），两家形成了合力，共同开发超短距起降的分布式电动螺旋桨飞机。Electra瞄准的是80-800km旅行市场。
图↑ Electra早期方案
图↑ Airflow早期方案
图↑ Airflow的后期方案
Electra的eSTOL飞机可搭载9名乘客、2名飞行人员（最大有效载荷1135kg），采用前沿螺旋桨加速机翼气流并配合后退式襟翼的吹气增升技术（BLOWN LIFT TECHNOLOGY），使得飞机起飞滑跑距离只需要30m，总起飞场长91m，最大平飞速度为324km/h。为了保证航程，采用混合发电的动力组成方式，最大航程740km，飞机不用押注于未来电池的进展，在当下即可获得很好的载荷与航程。
图↑ 螺旋桨吹气增升
著名的电动航空行业评论家Mark Moore（NASA LEAPTech领导人、Uber Elevate 的前任领导者，现任Whisper Aero的CEO）一直认为Electra和Airflow的设计问题很多，主要是低速短跑道的情况下，飞机受突发顺风的影响太大，对于完全靠机翼升力面来控制的飞机而言是很危险的，而eVTOL此时是靠灵活的旋翼直接升力控制，只有eVTOL才是未来，而且，超短距eSTOL的出现将影响UAM机场的建设规划，Mark Moore建议eSTOL的跑道长度加倍才安全，这样也与eVTOL机场彻底分开了。
图↑ 获得美国空军“ 敏捷至上”项目支持
Electra表示自己的飞机进场速度为48km/h，即使突然遇到顺航向大风，速度降低到37km/h，分布式动力吹气升力系统依然可以保证飞机不失速。在两个动力失效的情况下，依然可以在46m滑跑起飞。同时，eSTOL方认为eVTOL在垂直降落的时候，会被城市里的乱风（因高楼等影响）吹得大幅度摇摆，很不安全。具体如何，只有各自的验证机实际飞行后才知道了。
Electra在2022年已经获得洛克希德-马丁的风险投资，2023年获得了美国空军8500万美元的资助。在2023年6月推出了2座的验证机EL-2 Goldfinch（金翅雀），该机将演示46m地面滑跑起飞，并证明低速下尾翼是有效的。由于使用了一些现有通用飞机的零部件，飞机造型有些跟不上时代，不过对于获取测试数据可能足够。之后还会制造全新的1:1验证机。
图↑ 验证机下线
图↑ 验证机有大的T尾用于抵消俯仰力矩
验证机的机翼是基于赛斯纳172改进而来的，采用双缝襟翼，副翼也可以同时下垂。最终设计的机翼在动力加速气流、大面积的开缝襟翼对气流转向（作用最大）的合力下，升力系数将达到7左右，实现超短距起降。
图↑ 内侧电机位置更靠下以与襟翼位置匹配
图↑ 双缝襟翼和单缝襟副翼结构
低速下仅机翼有用而尾翼失效的话，飞机也是无法控制的。为保证低速下平尾依然有效，平尾前缘设计有高升力槽稳定流场，使得平尾也很难进入失速状态。
图↑ 平尾高升力槽设计
验证机安装有一台150kW的涡轮发电机，为全机提供电力来源，进气口在机头，排气口位于机身左侧 。生产型的涡轮发电机功率为600kW，并配备50kWh的电池。
图↑ 涡轮发电机
图↑ 涡轮发电机排气口
目前内侧的4个螺旋桨尺寸较大，外侧的尺寸较小（考虑到对应位置吹气升力技术的不同要求以及机翼和舵面的强度刚度），但是他们都是采用的相同的电机，未来将会统一为同一种螺旋桨。
图↑ 未来8个螺旋桨尺寸将相同
ONERA AMPERE
ONERA（法宇航）2017年发布其主导的技术研究项目AMPERE（安培），该机采用大量电动涵道螺旋桨加速气流，提高升力，实现短距起降。该机可乘坐最多6人，采用氢燃料和电池，航程500km，巡航速度大于250km/h。
图↑ 电动涵道位于机翼后方（后来Lilium采用类似布局）
图↑ 电动涵道位于机翼前方的常规布局
ONERA对比分析、风洞试验和优化后，最终的AMPERE飞机采用32个电动涵道螺旋桨，位于机翼顶部前方。其相关技术研究成果也在后续的其他项目中得到应用发展。
图↑ 风洞试验
图↑ 优化后的设计
题外话：
ONERA还有一个概念设计“DRAGON”，这是150座M0.8的客机，由尾部的两个涡扇发动机发电，和电池系统组合后驱动机翼后下方的高速电涵道螺旋桨，相比2014年投入运营的客机，1400km航程预计可降低油耗25%。这个设计虽然无法短距起降，但相比常规客机，起飞滑跑距离可以大幅缩短。
图↑ ONERA DRAGON
EcoPulse
EcoPulse是2019年由法国大合（Daher）、空客和赛峰联合发布，用于“评估集成混合动力电动分布式推进系统的运行优势”。该机具备低排放、长航程、短距起降的优势，并且得到了法国政府的大力支持，各家分工如下：
大合：集成空客和赛峰的组件，开展飞行测试和适航工作，进行总体分析和协调。
空客：开发高压高能量密度电池、分布式推进系统的气动和声学设计及系统集成、飞控系统设计开发。
赛峰：提供分布式混合动力系统集成、涡轮发电机、电力管理系统、电机螺旋桨系统。
图↑ EcoPulse的布局
图↑ EcoPulse在试飞（6个电动螺旋桨未工作）
该机是经过改装的Daher TBM 900 涡轮螺旋桨飞机，于 2022 年使用传统燃油发动机进行了首次飞行（分布式的螺旋桨并未工作），2023年下半年完成混合电动推进系统首飞，未来还有可能使用氢燃料。该演示机在电动螺旋桨顺桨的情况下飞行了约 27 小时（2023巴黎航展之前）。
空中客车研发的电池为800V高压直流，重量为350kg，最大持续功率350kW，该电池的技术将来还会用到空客的Cityairbus Nexgen。
赛峰ENGINeUS 50电机持续功率为50kW，带电调控制器后的额定功重比为3.5kW/kg，电机配有不可折叠的3叶螺旋桨，整流罩前部中央为冷却空气进气口，后部有环形的冷却空气出口，与常见的电机整流罩外形有所不同。发电机的持续功率为100kW，在飞行中可以给电池充电或者与电池并联为6个螺旋桨提供电力。
图↑ EcoPulse动力短舱在风洞中
小结
eSTOL的一些优势：
1.在有机场的地区，可以常规起降；在跑道条件不足的情况下，可以短距起飞，多一项能力（尤其是军用）。可以利用现有广泛的直升机机场和小型机场起飞，甚至在eVTOL机场也可以起飞；
2.没有垂直起降的大能耗阶段，航程和载客能力相比eVTOL大幅提高；
3.没有垂直到过渡的飞行转换，相对更安全；
4.相比燃油动力，每个电机可独立控制，有效降低噪声污染和振动；
5.沿翼展分布的螺旋桨，可提高横航向操纵能力，降低舵面载荷，实现减重减阻；
6.前方的螺旋桨可加速气流、增大环量，提高机翼升力特性；
7.法规更健全，从适航取证到盈利周期更快。
eSTOL的典型缺点：
1.在低速超短距起降阶段，一旦遇到顺航向突风，飞机升力将损失大半，需要电机转速调整敏捷，避免坠落；
2.低速下转弯等机动的风险高，需要尽量避免；
3.需要考虑起飞爬升和滑降落轨迹空间需求，受周边环境制约；
4.需要考虑中止起飞的要求，这个与短跑道限制矛盾。
不过，总的而言，eSTOL是在常规起降基础下进行了能力扩展，关键时刻具备独当一面的特殊能力，其应用前景依然广阔。