NASA研究新構型亞聲速X驗證機成本和可行性

近日，NASA分別授予4家公司（極光飛行科學公司、波音公司、洛馬公司和Dzyne技術公司）研究合同，研究提出其各自建議的超高效亞聲速運輸機（UEST）大尺寸飛行驗證機的系統需求，這是NASA於年初啟動的新地平線計劃（NAH計劃—未來10年投資106億美元研製一批X驗證機）的一部分。

目前，NASA在新地平線計劃下已經啟動了2個X驗證機，一個是X-57麥克斯韋分布式電推進驗證機，目前處於研製階段；另一個是安靜超聲速低聲爆驗證機（QueSST），目前正由洛馬公司臭鼬工場開展初步設計。

在NASA此次授予合同之前，其內部研究人員也對每種類型的布局進行了可行性研究，其研究成果將於本月提交給NASA領導層，供後者在綜合考慮成本和周期等因素後做出研製大尺寸X驗證機的決策。NASA集成航空系統計劃（IASP）主管艾德?瓦格納表示，NASA目前還沒有獲得NAH的經費，但正在積極推進相關工作，「我們開始考慮驗證不同技術的需求，我們要確保不會錯過任何機會。」

極光飛行科學公司獲得了290萬美元合同，同麻省理工學院合作研究D8雙氣泡飛機的系統需求。D8飛機具有寬大的機身和小型機翼，發動機採用半埋式安裝在機身尾部，利用了附面層抽吸（BLI）效應降低阻力。

波音公司獲得兩份合同，分別是187萬美元的翼身融合體（BWB）和257萬美元的桁架支撐機翼（TBW）布局系統需求研究。BWB布局是波音已經研究多年的一種將機翼和機身融合設計（共同提供升力和裝載空間）的新概念構型，具有較高的氣動和結構效率。TBW布局採用桁架支撐機翼，使得機翼具有較大展長和展弦比，從而極大降低了誘導阻力。

Dzyne公司獲得193萬美元合同研究小型客機/噴氣公務機級別的BWB布局系統需求。

洛馬公司獲得245萬美元合同研究混合翼身（HWB）布局系統需求。HWB布局在前體採用翼身融合設計，尾部採用傳統T型尾翼，可以說是結合了BWB布局和傳統有尾布局的優點，在具有較高氣動和結構效率的同時，提高了飛機的操縱性和穩定性。

NASA負責驗證機項目的副主管費伊?科利爾表示，他們正在尋找的是能夠滿足NASA中期目標（油耗降低50-60%，氮氧化物排放降低80%，相比FAA第四階段雜訊標準累積雜訊裕度達32-42dB）、在2025-2035年間服役的亞聲速運輸機方案，他希望亞聲速X驗證機能在2021年首飛。

上述4家公司將基於自己的布局方案開發系統需求，並研究如何降低研製和飛行試驗的風險。瓦格納表示，這將幫助NASA在2017年早些時候基於現有預算做出明智的決策。

NASA此前已經資助波音開展了大量關於BWB和TBW布局的研究。極光飛行科學公司則是在NASA和FAA的共同資助下推進D8布局的研究。洛馬公司則在美國空軍研究實驗室和NASA的資助下開展HWB布局研究。

NASA此次授予4家公司的合同周期為半年，最終將在2017年3月進行系統需求評審（SRR）。系統需求應包括飛行驗證機相關的外模線、結構、發動機、航電、儀錶、電氣和其他系統等的技術要求。在NASA確定驗證機項目後，下一階段的競標將採用競爭方式。這種方式類似於QueSST驗證機項目，洛馬在2017年7月完成QueSST驗證機初步設計（17個月，2000萬美元）後將方案提交給NASA，NASA再進行競爭招標，重新選擇製造商研製驗證機。瓦格納表示：「目前亞聲速驗證機如何競標還沒有確定，屆時將借鑒QueSST驗證機的經驗。」

此前，NASA進行過一輪能否將單個驗證機成本控制在1億美元內以及三年內首飛的可行性研究。研究結果是每個驗證機需要花費3億美元。

NASA研究了4種35%縮比的UEST驗證機——D8，BWB，TBW以及一款用於測試電推進在內多項技術的模塊化驗證機。NASA阿姆斯特朗飛行研究中心控制和動力學分部的主管斯蒂芬?雅各布森表示，如果X驗證機的系統需求同研究目標緊密結合，成本可以有所降低。最終的研究報告建議NASA聚焦每個X驗證機的研究目標，針對有限需求，限制驗證機的尺寸和降低複雜性。

研究發現，有人駕駛驗證機比無人驗證機成本更低。雅各布森表示：「你可以去除用於自動駕駛的子系統。雖然有人機需要額外的生命保障設備，但是如果限制飛行高度和包線，可以無需採用增壓技術和彈射座椅，這可以節省一大筆經費。」

使用保證安全運行的最簡單的控制系統也可以降低成本。「一套液壓系統成本為1000-1200萬美元，一套數字飛控系統為1000-2000萬美元，」雅各布森說，「雖然非傳統的BWB布局很可能需要採用電傳飛控技術，但是TBW布局可以沿用機械式飛控系統，就像縮比復材公司研製的白騎士2號一樣。」

研究報告建議，應使用有經驗的製造商研製X驗證機，制定有限目標和可行的驗證計劃。因為研究發現，非傳統製造商，包括極光飛行科學公司、縮比復材公司、雅各布森工程公司等研製X驗證機的一次性成本相比NASA歷史上的X系列驗證機「低很多」。

NASA在NAH計劃下將研製多款驗證機，包括「綜合的」和「特定目的」的兩種類型。綜合驗證機用來驗證一整套技術在飛機級的驗證;特定目的驗證機主要用來驗證某個專門的單項技術。NASA此前曾經表示極光飛行科學公司的D8、波音的TBW和洛馬的HWB布局屬於特定目的驗證機，而更加成熟的波音BWB（已經開展過小比例飛行驗證，X-48B/C）將是綜合集成驗證機的有力競爭者。

NAH計劃的核心是未來10年會有多個X飛行驗證機出現，該計劃從2017財年開始啟動。目前的計劃是X-57在2018年早些時候首飛，QueSST在2019年底首飛，第一架超高效亞聲速X驗證機2020年後首飛。NASA目前正在尋求更大的資金支持NAH計劃。截至目前，國會委員會批准的NASA2017財年經費為7.9億美元（2016財年為6.4億美元）。

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