五千年(敝帚自珍)

主题:【原创】茗谈199:羽人-280B -- 本嘉明

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  • 家园 【原创】茗谈199:羽人-280B

    (零)

    接下来,我要出的这一篇,有点另类。

    首先,如果哪位河友的娃,大学是读航空类专业的,可以替他收藏一下,写本科毕业论文时可以拿来作素材。

    如果该娃需要我帮忙鸡一下(就是说你鸡不动他,别激动,一鸡强过一鸡是人世常态),我们可以在河里讨论。

    这个主题,现在很热门:设计一款飞行汽车。这要扩展成一篇本科论文,拿A估计没问题。这篇可以作为论文骨架,细节你自己填满。

    但我这篇不能纯拿来照抄,因为:

    1) 现在国外成型的样车,都是注重商业可行性,车身过轻(500公斤级)、尺寸过小(便于上高速和泊车),动力偏弱(100马力左右),设想的路面行驶机会要多于飞行机会。但我设想的是陆军、武警用小飞机,不怎么考虑商业因素(当然考虑了交通法条),车身重(1.5吨起步)、折叠后尺寸仍然偏大(但不会比主战坦克更大,别的军车能过的路/隧,它就能过)、飞行机会多于行驶机会,只是由于陆军的高度机动性,有时不如随装甲车队行驶3—50公里,这点里程飞一个起落没有必要,也暴露部队行踪。所以我这个案例,应该不是目前飞行汽车的主流设计思路。

    2) 设计中涉及的一些计算,我也不是特别擅长,比较粗糙地算,比如算出来百分之十八点几,我会说成是20%,肯定有误差,但误差不会大到你真造一架出来后“实样测出来是30%”那么大。娃写论文想要在某些细节上打磨得精细一点,我可以提供计算思路。

    3) 全须全尾做这个案例,反而让我怀疑“私人飞行汽车”的可行性,因为真的下沉到工程细节后,发现有大量很难克服的困难。我受SABA战场小飞机的影响很深,设计中不考虑怎么省油,怎么省制造成本(就是说,商业可行性经常被忽略掉,但安全性没有被忽略)。这样设计完,安全性、使用便利性、飞/驶转换可靠性、商业可行性等各方面,还是无法令自己满意地平衡。

    4) 我在微电子方面的知识积累不足,很多新潮流/新技术都不了解,因此主要考虑机械类的硬件子系统和法规环境、市场大气候这些我平时比较关心的方面,而且这些知识点十几二十年不会过时。

    就是说,我肯公开这个设计草案的原因很简单:它不能赚钱,不能商业化。

    谁照抄都不能赚钱,马斯克都不能。

    那么我们就来玩玩呗,群策群力,一起打磨一哈。

    通宝推:夏侯,胡一刀,桥上,
    • 家园 【原创】Flying Car 双雄 -- 有补充

      既然有人现在还在收藏这篇,那我就再更新一些新进展。

      今年,美国民航局(FAA)总共只给两家加州的初创公司颁发了飞行汽车的初步认证。FAA贵为YYDS,做完整一个认证基本是三生三世万里桃花,波音很多民航机种已经上市多年,现在还在为FAA进行后续演示。FAA这个初步认证,间接支持了这两家公司号称的“2026年实现商业化(上市售卖)”,无疑对于忽悠风投很有帮助。

      在美国,任何起飞重量超过55磅(25公斤)的小型飞行器,都必须获得对应的适航认证。

      这两款飞行汽车,是Alef Aeronautics 的 Alef flying car,和ASKA公司的A5。

      (一)

      Alef flying car,在设计思路上相当令人惊艳。

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      它的卖点是:

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      1,螺旋桨封闭在车体内,对人没有威胁。

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      2,人员舱是个球体,起飞后可转动。

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      3,无论外形和尺寸,都比A5更像一部汽车。

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      4,车身很轻,商业化后,号称售价30万美元左右。

      但依我看,它的缺点也非常明显:

      1,过于简陋。飞机与飞机相撞的概率很小,但开车就不同了。这部“车”的结构过于脆弱。

      2,由于车身过轻,很多设备无法配置。现在虽说微电子化了,但每件设备都是有自重的,腾不出载荷来容纳这些设备,说起来不带也行,但必然带来隐患和漏洞。这次美军在约旦的“Tower22”基地遇袭,原因就是有一架美军自己的无人机归来,恐怖组织的自杀无人机就紧跟在后面。限于载荷,美军的无人机没有足够的设备可以360°观察空域,也没有敌我识别应答能力。地面的美军为了防止误触发防空导弹系统,在自己的无人机降落阶段,关闭了雷达。假如这是一架有人驾驶的“淘宝机”,这种情况不会发生,因为友军地面雷达不必关闭,而飞行员也会随时观察后方。

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      3,车体的碳纤维网格,在地面行驶遇撞变形后,必须全换,因此全寿命维护费用太昂贵。

      4,没有固定机翼,在动力系统失能时,无法滑翔自救。

      5,万一螺旋桨桨叶或其他部件脱落,会高速破击网格,网格碎片可能会像炮弹弹片一样砍进驾驶舱。就是说,这些螺旋桨没有裸露在空气中,其实更加危险。

      (二)

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      A5,固然外形丑陋,但我们从专业角度看,介孩子顺眼多了。A5现在只有一部原型机,也就是FAA批准了飞行测试的对象。Alef比ASKA更早与FAA接触,但ASKA坚称A5是第一辆启动FAA型号认证程序的飞行汽车,就是因为A5抢先得到了飞行测试的资格。这部原型车体积接近F-350皮卡,重量超5000磅(2.3吨),胖是胖了点,架不住唐玄宗本宗,喜欢。

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      A5的预计售价为80万美元,已经接受上百架的预定。其实它的设计思路,跟我们的“羽人-208B”,相当接近。比如说:它预计在地面行驶,每次不超过16公里;由于车轮必须有足够的横跨间距,因此飞在空中时,不收进机身;机翼折叠方式,也是我们在208B里的第二方案。

      A5与208B比较大的差异,在于:

      1,A5是驾驶舱双人并排。208B从军用考虑因此是单排,单排的优点,第一是减少正面被弹面积,不易被地面火力击中;第二是减少风阻,增加飞行速度和航程。

      2,A5更注重电力推进,需要增程时才加装燃气轮机和油箱,用于发电。这种思路,不太适合208B,第一太依赖锂电池,单机成本增加很多;第二充电需要较长时间,不利于频繁出击。

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      3,因为上述第二点,A5上驱动四个轮胎在地面行驶时,四台电动机就在轮胎的内侧。这种设计相当别致。

      A5既可以垂直起降,也可以短跑道起落。这种6个可转向螺旋桨的设计,值得208B借鉴。

      单机80万美元还是贵。美国人玩小飞机,要么是马斯克,直接买个湾流喷气机;要么是马克思,苦逼穷人开空中拖拉机糊口。80万不上不下,反而落入了《繁花》里说的那个“空门”。所以ASKA号称要搞“共享机”,这下搞大了,FAA严正警告:你买了自己开,摔死活该,俺们马马虎虎给你认证通过也是可以滴,新生事物嘛;如果想载付费乘客,卖票赚钱,那我们认证的标准要提到顶格,不然的话,一切责任均在美方,不是,卖方。

      (三)

      美国政府遇到的头痛问题,有很多。安全性先不讲,当前形势,它们的股价跑赢波音,估计也办得到。噪音就是大问题了,你但凡飞过大疆就知道,那个噪音有多大,然后是2吨多一个大块头,而且到共产主义实现的那会子,加班到半夜的下班高峰时段,雷军们吃完大排档抹抹嘴,BCD中关村那嘎达,一次起飞五百多架,空中搭出个“给全国人民拜年”,那首都人民还活不活了?

      其次,这要坠机砸着人了,是交警总队管,还是民航总局管?

      通宝推:桥上,燕人,
      作者 对本帖的 补充(1)
      家园 【讨论】再补几张照片 -- 补充帖

      我赞成“(不用时)把固定翼完全折叠”,但折叠后飞机的净高太高,旱桥、隧道不易通过,也不能藏在民用室内停车场。

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      前后轮特写,观察其悬挂结构和内置电动机:

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      • 家园 老板不是直升机吗?

        八十万要这个干嘛?

        我刚才去网上查了一下:helicopter for sale. 单人用的二手的也就是10万到30万左右。比这个还安全可靠。不想玩了还可以搞直升机观光业务。

        你说的马克思开的飞机有五万多的,还没有皮卡贵。还有美国人自己拿手攒的,据说成本才一万多。网上有教程。

        有科比那个例子,估计大家对这些东西都怕了。

      • 家园 到现在也许可以走多旋翼直升机方案

        对外形的影响也小

        • 家园 【讨论】多旋翼的话,安全性差了很多

          因为每个旋翼分配到的功率要完全一致,否则就会翻鳖。即便各桨的功率一致了,如果起飞时有阵横风,那就完了,总裁或者秘书们的车技对付不了这个楼道风。

          当年美国的X-22A,使用4台喷气发动机和4个风扇,为了功率分配平衡,不是一台发动机对接一个涵道风扇,而是把4个发动机的输出功率先汇总,再平均分配下去。

      • 家园 前段时间看CES新闻,有提到过一些飞行汽车,好像有XPENG

        具体我没仔细跟踪,也许你可以追究一下,看看合理性和实际用途前景怎样。

        你这个帖中的这两款,感觉都不怎么看好。

        第一款,螺旋桨占的空间太大,不知道车的驱动能够放到哪里。第二款,看上去过于复杂,就算能飞,估计出故障的几率也很大。

        • 家园 【讨论】XPENG就是小鹏

          小鹏汇天

          这个设计,没有固定翼,无法滑翔,丧失动力的话只能往下掉。

          所以我认为最后在工程学和安全性上,值得搞的方案,就是前述A5,和以下这个Luft car:

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          上二图:机舱部分就是一辆车,可以与机翼、螺旋桨分离。

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          这类“倾转螺旋桨”设计的好处,是不论垂直起降和平飞,没有死重,所有螺旋桨都能工作。但这个不太有用,因为A5的设计思路,就是雷军们从BCD大厦顶层的总裁办公室下来,开A5开出去16公里,到三环处的小机场,短跑道起降。这样走法是该飞机全寿命使用中的主流走法,“环保减排,降低噪音危害”那都是屁话,唯一重要的是雷老虎们比较安全。

          坦率讲,比较下来,我认为208A设计方案,仍有可取之处,因为比A5要简单。一旦简单了,不但省钱,而且更安全。当然与时俱进,很多小细节完全可以借鉴A5。

    • 见前补充 4958162
    • 家园 茗谈199-2

      这一楼,主要围绕“Flying Car”展开,有不少枯燥的技术细节,行文的“气”也不够通顺,不过我也难得能回到少年时光,享受一次工科男干巴巴的“文字美学”,虽然风骨还赶不上北大的韦神,面目可憎是一定的了,大家担待。

      值此高考季,向冲刺的同学们致敬;向勤勤恳恳做学问,率先垂范我等河友的桥上兄致敬。

      总之,本篇里最后一句废话:挽起袖子干起来。

      (一)

      美国通用航空私人飞机的年销售额,2020年为199亿美元,此后预计会以3%的增长率逐步上升到2026年的240亿。在2020年由于疫情,销售额短暂下调,但随着医疗物资和病人紧急空运等需求急增,以及大富豪们要避开民航客机、高净值人数随政府大放水迅速增大等等因素,商务用途或休闲小型飞机的需求量反而在放大。

      这些飞机,分四大类:直升机;固定翼活塞发动机小飞机;固定翼涡桨动力小飞机;固定翼喷气商务机。其中占了3/4的,是喷气商务机。

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      在亚洲,主要市场分为5个:中国、日本、印度、韩国、其他国家。

      固定翼活塞发动机小飞机,最大的买家是各种初级航校,只有极少数的狂热玩家或者竞速赛发烧友会自费购入。讲真,中国的初级教练机用昂贵的涡桨-9,不是很明智的选择。活塞动力的小飞机,其制造端,被三巨头垄断:Cirrus Design Corporation, Piper Aircraft Inc., 和 Diamond Aircraft Industries。

      全球小飞机使用量中,美国占了压倒性多数。

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      在美国,每架飞机要办“空中行驶证”,每个飞行员要办“空中驾驶证”。美国90%的民用“空中行驶证”,对应的是通航小飞机;“空中驾驶证”方面呢,共有48.72万名有美国飞行执照的飞行员(其实还有相当多的人会开飞机但还没有花钱办驾照或没有美国颁发的驾照,所以另一种统计口径说实际有66万飞行员)。通用航空工业,每年为美国经济贡献1500亿美元的GDP。美国农业部的数据,2012――2019,农用小飞机(空中拖拉机)增长了15%。

      假如不仅仅看活塞小飞机,综合上述全部四大类飞机,供应商中的大玩家有:Bombardier Inc.,(加拿大)、 Textron Inc., Gulfstream Aerospace Corporation, Embraer SA(巴西), 和 Dassault Aviation SA(法国)。

      但是,通航小飞机事业在美国也经历过大低潮(1980――2000)。那之前一个高峰在1978年,小飞机制造商们交付了1.8万架。但到了1994年,只交付了954架,比起巅峰,失去了2万个飞机厂就业和8万个辅助工作岗位。内卷的最大原因,是大量事故赔偿的诉讼案。美国国会不得不修改了Federal Aviation Act of 1993,给飞机制造商们松绑,到1998年,年交付量回升到2200架。

      1993年的统计,在美国共有13228个机场,其中4712个有夜间降落所需的跑道灯,4690个为1000米以上的水泥跑道。在2014年,美国还有5145个对公众开放经营的机场,到2019年减少到5080个。

      不对外开放的私人小机场,2014年有13863个,2019年增加到14556个。

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      2019年,全美保有的私人通航小飞机数量略超21万架; 供民航客运服务的,60座以上大型客机(for-hire carrier fleet )有7,628 架。

      在1970年前,美国的私人小飞机没有年检和年费制度,大量已经毁弃的小飞机还在国家报表上“幽灵存在”,所以现在还能查到的1970年前的数据是不太真实的。

      以上数据说明什么呢?

      第一,当今私人小飞机在美国的年销售额是200亿美元,但通航工业对经济的拉动作用是1500亿美元。这是因为今天卖出去的,3/4是喷气商务机,市场已经趋于高端/狭窄;而保有在民间的其他20万架,是相当简陋(甚至一部分是很老旧)的低端小飞机,对这些“存量”的服务,是1500亿里不可忽视的一大块。

      第二,由于大批农用飞机是老飞机,开飞机的是老农民,因此美国民间涵养的,紧急时能培训为军用机(不一定是战斗机,运输机、加油机、直升机都算)飞行员的青壮年,数量也没那么吓人。

      通常而言,一个大国的空军,战斗机飞行员与现役战斗机的比例,略小于2:1,因为培养一个合格的三代以上喷气战斗机飞行员,太烧钱了。而假设中国各军种配置有五千到七千架“羽人-280”,多数给陆军(100万人)和武警(150万人);人头只按一线野战部队算的话,估计不到200人能摊到一架。因为部队里到处都是,大家也不太当回事,管得比较宽松;这飞机功能简单,不难学会。那么,每架飞机对应有4-5名能开上天的小兵蛋子,其中很多人还没驾照,也就是央求着营长,拜师偷开偷学(你看看任何仓储货运公司,有几个员工会开铲车,其中又有几个是有证的),是做得到的。当然,这其中会摔掉不少架,但这飞机有滑翔能力,有双发,其实摔不死几个泼天大胆的。比起最后有4万多名初级飞行员的实打实储备,那还是值得的。这些飞行员不但是年富力强的军人,而且不少人凭着“羽人-280”出过实战见过血,真打举国之战时从中选拔尖子紧急培训,开上“快消品(歼-10F,枭龙block5)”跟入侵者拼消耗,多数选手是给力的。

      按我的计算,一架民用“羽人-280”,飞行/公路两用版,基本款在美国的卖价不会超过65万美元(根据申请适航证难易程度、销售架数多寡,售价会有上下波动),在中国国内的军方/警方购置费不到400万人民币(如果改用军标制造会稍贵,基础版价格估计600万元),7000架也就280--400亿人民币,任何一个3线城市上马一条地铁的预算都不止这个数。

      (二)

      在美国,一架小飞机的平均寿命是27年,极端的有40年长寿的。这造成的缺点是,在役民用小飞机的技术升级相当迟缓,老梆子们对玻璃座舱极不适应(你试试教你爷爷用智能手机)。所以美国国内事关民航的大量法规,不是强调安全,就是推动技术革新,又当爹又当妈。

      以下讲的,是假设我们把“羽人-280”民用版,销售到美国民用飞机市场这么一个虚拟故事(案例),以了解在美国市场上将会面对的各种细节,文字中 不另强调“美国”二字。由于“羽人-280”的整体布局,太“借鉴”OV-10D,拿不出手,我在这里使用“羽人-280B”替代。“羽人-280B”是在Cessna-337D(更准确说,军用版的O-2,多国军方订购了500多架)基础上,改每排双座为每排单座,修窄座舱迎风面面积的版本,其80%以上零部件与“羽人-280”可以互换。

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      上图:O-2

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      上图:羽人-280的重量分配,羽人-280B与其类似。

      “羽人-280”系列这两个款,都需要一个“多适应性变速箱continuously variable transmission,CVT”,以便既满足空中飞行,也满足公路行驶(以及路面行驶中的刹车和倒车)。

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      德国奥迪有类似的产品(Audi Multitronic CVT,用一根钢质plate link chain在两种尺寸的pulley之间传递动力)。 这个CVT变速箱有0.4米长,0.25米宽,100公斤重(包括冷却油)。奥迪这个变速箱,变态的地方是地面行驶要满足近乎跑车的起步性能,“0到100公里/时”加速所用的时间,比Audi A6 2.8的五档自动变速箱,他妈的居然还要快了0.1秒,我们这里根本用不着好不?能摹个“菜鸟版”出来就足够了。

      空中飞行时,多数情况下要求发动机以一个恒定的转速(RPM)长时间地工作(顺便说一句,开民用飞机其实是很单调很闷的工作,开大飞机还高大上一点,钻在苦逼小飞机里的基本就是土匪+农民工);而地面驾驶汽车时干扰多,需要转速不停变换(加速、减速、遇红灯怠速、倒车),对机械而言,真的是两种不同的玩法。

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      我在前面讲过,美军越来越希望装备这类“飞车”,就是看中一,不把它当飞机,只当它是车,大大降低驾驶员的资质标准,从而省钱(培训费、阵亡抚恤);二,这货能在路上跑;三,起降不依赖专门的跑道,适用性强。陆军的小飞机,跟着大队转移,有时候路上行驶个5--30公里,比特意飞一个起落要方便/隐蔽多了。所以,就算增加一个“路面行驶”的功能很烦人,我们给“羽人-280B”还是备上,当然只是作为辅助功能。假如CVT的国产化一时搞不定的话,还有一种办法,就是两台发动机中,一台单用于飞行,第二台自带发电机,飞机落地后发电,用电力驱动车轮行驶。假定路面行驶时车重2吨,最大行驶速度100KM/H,需要功率25KW,大致是其中一台活塞发动机输出功率的1/4。

      美国著名的飞行汽车初创公司Terrafugia(吉利汽车已经收购其部分股权,这已经是中美合资企业)的Transition款样车,就用了“路面电力驱动模式”,该车空重440公斤,使用一台奥地利活塞发动机Rotax 912ULS (100HP)和一台Hybrid-electric motors(用于路面行驶)。油箱容量87升(64公斤),巡航时耗油19升/小时(飞172公里),经济速度路面行驶时油耗6.7升/100公里。座舱最宽处1.2米,并排坐2人。

      那么,CVT和“混合动力”这两条技术路径,选哪条为好呢?研发赶时间就选“混合动力”,不赶时间的话,把CVT啃下来,将来其他地方也用得着。

      一款民用“飞行汽车”,能飞能跑,就必须满足两方面法规的监管:一个是民航领域,Federal Aviation Regulations (FAR,今天演变为FAA) 的Part 23,界定了8.6吨以下/除飞行员以外19乘客座以下的小飞机的一系列应用法规,这类小飞机就此称为“Part 23 飞机”;一个是公路交通领域,the National Highway Transportation Safety Advisory (NHTSA,后演变为National Highway Traffic Safety Administration,简称不变)。同时把这个行业从1980年代大滑坡中拯救出来的还有包括NASA和大批大学在内的泛行业组织 Advanced General Aviation Transport Experiments (AGATE,推动发明安全、创新、可负担、易操作的通航飞机)、Small Airplane Transportation System (后改名为Small Aircraft Transportation System)。美国走过的路告诉你:发展通航,不是一个行业的事,是一个国家的事。

      设计之初,我们先选发动机。航空活塞发动机的特点就是大约(输出功率)1KW,对应发动机自重1公斤,功率越大机器越重。“羽人-280”系列这二款飞机,都是双发,先用145匹马力的,未来各自的“动力加强版”可以换用300匹马力的,机身空间和结构承受能力现在都预留了冗余度。但更大只的(比如500KW的金鹰航发,自重515Kgs)就不欢迎了。

      巡航时的经济航速(油耗比较小的工况),一般是在高度3000米,功率是最大功率的80%。C145是四冲程四缸水平对置发动机(一些高级跑车用这种水平对置设计),最大起飞功率105KW(5800RPM),最大连续功率90KW(5500RPM);自备废气涡轮增压器,可以在海拔3000米的高原机场起飞,临界增压飞行高度5000米,最大飞行高度7200米。这些都满足我们的要求,就是RPM偏高,落地后跑公路不太方便。

      C145另一个优点是自重轻,“功率/自重(功重)比”达到1.31KW/公斤。所用的燃油是95+号车用汽油或航空汽油,对于陆军的后勤体系也适配。发动机尺寸是0.67米X0.58米X0.54米。高原型C145HT,已经装配于无人直升机AR500C,完成首飞,这种高原专用无人直升机对于中印边境上的解放军部队意义重大。C145再配上宗申自研的“变距螺旋桨”,2019年就用于翼龙-1D无人机。

      当然,我们不是替宗申打广告,“芜湖钻石航空发动机”的AE300(123.5KW)也可以考虑,但那个发动机的功重比数据查不到,可能偏重,所以放在备选。

      螺旋桨的选择上呢,我选三叶桨(这种小功率发动机,顶天也就用到三叶)。一,宗申给C145配套自研的变距螺旋桨,就是三叶桨,直接拿来,省钱了。二,三叶桨的转速可以调得低一些,从而降噪。这个三叶桨的直径,大约是1.7—1.8米。

      机舱尾部安装第二台活塞发动机,会带来一个困扰,就是不易冷却(机头的发动机无此问题)。解决方案是设置一条冷空气引流管,气冷尾部发动机。这条引流管的横截面面积约0.1平方米,需要一台200W左右的电扇送风。

      所以设计图就完成了:

      点看全图

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      (三)

      280B不仅仅是O-2的瘦身,还要兼顾路面行驶,这确实带来很多烦恼。

      第一就是机翼咋整?

      这机翼呢,第一,要足够大,飞起来后,单位翼面上的载荷低,飞机轻巧,人喂过来一个火箭弹,你得腾挪。第二,要足够小,小了,地面行驶前稍微折叠掉一块,就能上路不刮不擦,残留的无法折叠部分也不会太作妖,不然京东的苦逼小哥远远看见红灯一个踩刹,直接拉弧圈过了新街口,然后南京特斯拉客服就打电话进来了:“亲,撞哪座天桥了?” “那倒没有,扎在五楼的窗户眼里呢,送个梯子过来。”

      FAA 23.201条款规定,小飞机如果太简陋以至于未配备明显有效的襟翼的话,失速速度(stall speed)不能高于113公里/时。Transition的失速速度是100公里/时。

      点看全图

      113KM

      假如“羽人-280B”的失速速度是110公里/时,那么起飞滑跑速度就是1.2倍(132公里/时),降落速度是1.3倍(143公里/时)。

      按这个推算,飞机的升力面(所有能产生升力的,水平状态的机翼)面积不能小于16.5平方米。于是引发了第二场车祸:折叠后的最小翼展?

      我们本打算让“羽人-280”开上国道参与“长假大堵局”来着,幻想着折叠后,残留机翼宽度小于2.25米。就像每个年度减肥计划一样,1月9号前,我就断然决定放弃了:拿“羽人-280B”来说,折叠后剩下的宽度是3.15米(这个折叠是机翼上翘,折叠后还会增大净高)。有很多现在在试验中的Flying Car样车做到了”瘦身到一个车道以内“,但我认为对于“羽人-280”介孩子,不减肥的人生也挺好的,躺平也是一种美德。

      我们也可以选择另一种折叠机翼方式:

      点看全图

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      但这样就必须经常”拆/装支撑杆“,这对于飞机的结构强度不利,但折叠后不必增加净高。作为一架必须参加作战的飞机,这不是好的选择。

      虽然绕过了第二车祸现场,我们还是要直面惨淡的人生:机翼翼型(Airfoil)?

      这个问题,我交给SKYMASTER(Cessna-337D)大神同学回答: 机翼翼根是NACA 2412 , 翼尖是NACA 2409 。

      但是照抄SKYMASTER的话,有可能会导致起飞时划手机,不是,划跑道的距离偏长。一个可能的解决办法是:在机头两侧装鸭翼,起飞时展开铺平,形成升力,把机头抬起来,完成起飞动作后收起鸭翼,贴在机头两侧。

      那个巨大的,令人联想到足球场上的门框的水平尾翼,是什么翼型呢?

      我考虑打赏自己一个嘴巴:谁叫你多嘴??

      SKYMASTER同学的水平尾翼是个什么鸟翼型,我真的查不到。我自己发梦,觉得可以用NACA 0012。

      说到两片垂尾,除了空气舵面外,其余固定不能动的部分,也要起到小翼(winglets)的作用哦(小翼一般是指有些主翼末端上翘的那个小尾巴,鹰扬-2000就有小翼),所以也是有翼型的。

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      上图:鹰扬-2000

      280B的垂尾翼型可以用NACA 0008。当然,因为这两片垂尾的面积比通常主翼尖上的小小翻翘,要大很多,所以如果觉得懒政为好,多一事不如少一事,那也是可以的。

      第二个毛病就是起落架。 O-2的起落架相当简陋,

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      但我们280B是要在公路上跑长途的。O-2用的引擎是210马力/台,我们用的是145马力/台,但280B瘦身成功,迎风阻力减少,自重也减轻,因此在空中的飞行性能不会输给O-2。“中国制造”也能省一块成本,但省下来的这些成本、性能,都扔在了“公路行驶”这个该死的新增功能里了。

      想走就走,在路上跑个30来公里,如果继续用三点式起落架,司机大爷恐怕有点累,所以前起落架(鼻轮)最好改为左右双轮,这就没法完全收纳在“羽人-280B”那窄窄的机鼻里,不过这倒还好,不就是霸气侧漏吗?走光好了。

      但主起落架也有麻烦了好不?在滑跑起降时,主起落架(你硬要把羽人-280B看作是一辆车的话,我们就是在聊那对后轮)的正确位置,必须在飞机重心的稍微后面一点点,而且起落架支柱不是与地面垂直的,最好有15°倾角,因为飞机是昂着机头起降的。拿这个点位和姿势趴在高速上跑,看在交警总队眼里,那都是祸害:车本儿拿过来,非法改装是吧?!

      (四)

      Cessna 182的起飞重量1410公斤,起飞时功率170KW(227Hp),起飞滑跑距离230米。“羽人-280B”标准起飞重量2080公斤,起飞时功率输出290马力,滑跑距离加上飞机飞到净高度15米以上,水平位移距离共470米-----比较下来,这个表现还算争气。

      拼完起飞拼降落。如前文所说,降落过程中,280B在离地面15米高度,以4米/秒的垂直速度下降,降低高度的同时保持平飞速度为143公里/时,4秒内高度降为0,此时向前飞出160米。第一个脚轮触地后,滑跑距离控制在340米以内。此时飞机的总重不超过1.7吨,普通高速公路可以承受。

      在民用小飞机市场上,这个降落性能,并不输给同行。

      而这样的起降表现,就需要四条好汉,不是,四条好胎。

      “羽人-280B”用什么胎,取决于一件事:它到底是“披着羊皮的狼”,还是“披着狼皮的羊”?就是说,飞的时候多,还是滚的时候多?

      我的看法,还是老老实实,前后起落架都仿F-16主起落架的结构;民用版可以考虑改用汽车轮胎(只换轮胎,其他还是要遵照军品标准),那么前轮可以用P165/75 R14 (Load Index 81),rim diameter是14英寸,胎宽16.5厘米,轮胎总直径60.5厘米;后轮可以用P175/75 R13 (Load Index 85),rim diameter为13英寸,胎宽17.5厘米,轮胎总直径59.3厘米。四条胎的胎压都是24psi。

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      飞行时,起落架完全收起,但轮胎仍然外露;路面行驶时,起落架伸出一半后锁住,机腹离地0.35--0.4米,前螺旋桨拆除(否则桨叶会磕到路面);跑道滑跑时,起落架机构充分展开,把机身抬高,以便前后螺旋桨旋转,两排轮胎前后间距4.2米。左右前轮之间距离车身中线2.9米;后轮之间距离4米。

      这样,下个课题就是悬挂系统(suspension system)了。

      悬挂系统要有四个功能:

      一,起飞时,后轮悬挂能自动收缩,使得后车身伏低一点,造成的结果,车底盘不再与地面平行,而是有-1°的倾斜,前高后低,于是主翼与地面也有1°的夹角,帮助起飞。

      二,转入平飞后,前后起落架收拢,减少风阻。但并不完全收入机身。这跟A-10的主起落架设计思路是一样的,前后4条轮胎都是半露,万一战斗中受损,紧急降落时液压系统故障,导致轮胎放不下来了,靠外露的轮胎,一样可以在跑道上滚动,但此时车身低趴,机腹离地面极近,前螺旋桨会触地折断。

      三,降落时,机构完全展开,以便充分吸收触地时的冲击力,同时确保车身有足够高度,前螺旋桨不会刮地。

      四,路面行驶时,同一排里的左右两轮要尽可能趴开(拉开距离),以求抓地更稳。

      我们以“底盘离地面高度”数据来模拟上述四种情况:

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      这个底盘离地高度,如果场景是越野行驶,那还不大够。但这个“车”,经不起越野的颠簸,离不开固化路面,所以不用考虑。当然打仗打急眼了也可以硬闯碎石滩,不过开回家后地勤兵就惨了。

      假设1.9吨的降落时车重,4米/秒的下降垂直速度,143公里/时的降落平飞速度,车体触地的刹那,重力加速度基本会超过0.5G,轮胎触地部分的压强不小于800N/平方毫米(对应的起落架主承力支杆必须要3厘米直径以上那么粗),悬挂系统里的液压筒,会被压回0.15到0.25米------这是任何汽车悬挂系统都无法应付的恶劣工况。

      以“羽人-280B”为例,它的标准起飞重量2080公斤(燃油未装满。油箱最多可装640升,此时只装了350升);最大起飞重量视乎跑道条件(长度和硬度)大致在2500公斤上下。对前轮的悬挂系统而言,最大起飞重量时滑跑起飞,液压筒至少会被压回12—17厘米;0.5G加速度冲击下降落,前轮液压筒会被压回18—22厘米;震动频率大约1.5Hz。

      同样的,对后轮的悬挂系统而言,最大起飞重量时滑跑起飞,液压筒会被压回14—18厘米;0.5G加速度时降落,后轮液压筒会被压回20—25厘米;震动频率大约1.4Hz。

      不管怎么说,不考虑空战桥段,降落仍然是这架飞机最危险的飞行时刻,我们这里纸面上推算了一下,但很多关键数据只能靠实测来摸索。

      起落架+悬挂系统,是除了CVT之外,这个项目里研发难度最大的子系统。

      (五)

      我们设想,“羽人-280B”路面行驶的最高速度为150公里/小时,“零到百公里速度”的加速耗时25秒以内。因为战场上任何危险都会存在,有时候为了躲轰炸而暴走,连滚带爬吃相难看,是必须提倡的。

      我们前面说过,用“两头翘”方式折叠主翼后,280B的剩余翼展(受支撑杆位置的限制)仍然长达3.15米,搁民用是无法跑公路的,你一个就占俩车道,下个高速,倆岗亭都被你撸残,还不如不收你的小钱钱。但这是小事,军队到时候征用公路,两头一封,大螃蟹们还不是随便横着走?

      问题是,真跑到150码的时候,这厮会不会飘起来?

      有一腚的可能。到这个速度,剩余升力体(部分主翼+水平尾翼)仍能产生升力,最大升力值可达到标准起飞重的20%左右,而且不均匀;此时再来阵切变风,弄不好要耍个托马斯回旋。解决的唯一办法,就是非得跑得这么喘的时候,就往车里塞铁,5箱高机子弹落肚,恭喜,你的人品稳了。

      那么,你跑到150码后,需要急刹,多远能停下?

      “羽人-280B”有个巨大的水平尾翼,这是个隐患。刹车或拐弯太急的话,尾翼翘起,机头啃泥,车身会向前纵翻。按一般的公路行驶法规,150码速度下急刹,允许大约160米的停止距离;“羽人-280B”可能需要200米,因为能跑到150,它已经肚子塞满,惯性很大了。

      由于机鼻要装一台发动机,前座飞行员的视野是有所局限的,俯视视角大约只有19°,仰视视角可以有80°。作为民用飞机在空中无害飞行,这个视野勉强还OK;对于在战场上空,向下观察以及路面驾驶,这个视界有点不足。

      下一节,说说”飞行汽车“另一个非常淡疼的地方:车手操控装备,也就是”飞/驾转换“的设计思路。

      通宝推:脑袋,桥上,北纬42度,海峰,真历啊,
      • 家园 茗谈199-3

        (六)

        关于飞控,我们有两个选择:较传统的“机械飞控(mechanical link)”,或者“线控(Fly-By-Wire)”。尤其你还要考虑到,机舱里还得有一套汽车方向盘啥的,一国两制么。

        各类飞机的飞行控制,分几种:

        一,机械飞控(mechanical Flight control systems)

        就是飞行员使出吃奶的劲儿怼那啥,钢索把你的体力传到七八米远的舵面。所以,二战那时战斗机的尺寸是根据飞行员的尺寸来造的,真的,打不了拳击的肯定不是王牌飞行员。

        二,液压机械飞控(Hydro-mechanical)

        用液压来帮助你的动作,类似今天汽油汽车的刹车,你脚轻轻点一下刹车板,液压助力系统强化这个动作,给刹车片施加很大的压力,把车轴抱住不让滚。用在飞机上,这就是“可逆助力操纵系统”。“可逆助力操纵系统”虽然有助于解决飞行员战胜驾驶杆往往过于劳累的问题,但在超音速飞机上会出现杆力反向变化,使飞行员产生错觉而无法正确驾驶飞机。为此,二战后的飞机设计师又在系统中增加了人工载荷机构以及其他改善操纵特性的装置,形成了”不可逆助力操纵系统“。

        “不可逆助力操纵系统”再分三种:

        A,虚拟感觉回馈Artificial feel devices:50年代的古董技术,加拿大的CF-105和美国F-8用过。你知道一下名字就行了。

        B,震动警告器Stick shaker:这个装置联在操纵杆上,一旦飞机的液压系统失灵可能导致飞机失速,这个警告器会令操纵杆剧烈震动以警告飞行员(绝大多数飞行员手不离杆,所以能保证及时收到警告),并同时激活备用系统。

        C,力传飞控(力控,Power-by-wire)

        三,线传飞控(令控,Fly-by-wire control systems)

        简单说,飞行员表达意思(通过摇杆,甚至口述指令,将来我预计会脑-机联线),主控电脑理解了飞行员的意志后,通过解算,把命令转化为不同机构复杂的几十种动作,一瞬间电子信号发送到各处,协调完成,最后达成飞行员希望的飞行姿态。

        “力传飞控”跟“令传飞控”不同之处在于:飞机变换姿态时,机身各处的舵面要依次变化,甚至高频摆动,这需要液压装置来施加巨大的机械力去推动。令控模式里,只是把一个电子信号或光信号传过去,那里有独立的电动机和电池,会受命打开/关闭液压阀门,释放出液压唧筒里的蛮力,传递给转轴,推开飞机外呼啸的气流而转动舵面。而力传模式里,电力通过电缆线传到该机构(机构本身没有独立电池),驱动液压阀。

        比起老式的液压机械飞控(靠遍布飞机各处的液压管线里液压油的流动来驱动离飞行员很远的舵面),“力控模式”只需要动力电缆线,易组装易保养,它比老式液压模式要轻便,但比“令控”要笨重一些。实际上“力控模式”比“令控模式”要来得更可靠(各机构不可能因为程序错乱/误解信号而擅自启动),F-35上就部分采用了“力控模式”。

        所以准确说,Power-by-wire是“力控”,Fly-by-wire是“令控”,这两者都是“线控”(电传飞控),线的粗细和功能不同而已。

        电传飞控的使用,主要是为了解决大型客货飞机上旧式机械助力操纵机构的重量问题,而且容易实现数字条件下的自动化控制(比如自动飞行功能)。其实单套的电传操纵系统的可靠性,不如单套的纯机械系统,所以必须用冗余设计来保证(加一套冗余后,双倍重量还是轻于机械式),而且会留有最基本的机械备份操纵作为最后的退路。波音Max空难的本质,就是电传飞控过度扩张权限,侵蚀了“飞行员+机械备份操纵”的守门员角色,其实特斯拉刹车门事故中,也可能是类似的情况。

        小型飞机上,现在这几种操控技术体系都共存,都适用,技术已经很成熟了。就小飞机的安全性而言,最重要的一点是:万一出现大故障,能够一,用纯体力操控替代一切”有助力操控“,返朴归真;二,如仍无效果,飞机必须有良好滑翔性能,可以做到“无动力可控迫降”。(因为这第二点,我只考虑古典固定翼飞机款,放弃所有多旋翼飞行方式)

        小型飞机的操纵,主要有两种方式:一杆两舵,或者一盘两舵。(两舵,是方向舵和升降舵,由脚蹬板操纵)

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        一杆,是中央操纵杆joystick(三代喷气战斗机普遍是这种模式),

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        上图:L-15教练机的中央杆

        或者是侧杆(五代机):

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        中央杆位于飞行员的两腿之间,通过双手操作,前后运动,控制飞机绝大多数动作。中央杆可以双手操纵,像汽车方向盘一样绕转轴旋转,也可根据个人习惯进行单手操作。

        中央杆以外,现在流行的是“主动侧杆”。欧洲阵风、歼-20、F-22、F-35、F-16V等最新锐战斗机,均使用它,这是今后的大趋势。侧杆通常位于飞行员身体的右侧,飞行员无法双手交替操纵驾驶杆。

        中央杆,整套装置的零部件比侧杆要多,包括伺服电机等,其重量与占用的空间一般是侧杆的几倍。中央杆不便于拆卸,整个装置大多只能在日常维修时更换;而侧杆可在20-30分钟内完成更换。

        对应于“主动侧杆”的,还有“被动侧杆”,战斗机只用“主动侧杆”。“被动侧杆”则大规模应用在空客民航机上(波音由于现役机种太多,要照顾旧款,没有统一换用侧杆)。

        主动侧杆引入了“力反馈作动器”,通过作动器将飞机本身在飞行中的一些反馈信息,通过反作用力的形式施加到操纵杆上,这样,飞行员跟飞机之间,有一种“两个棋手对弈”的状态,飞机现在是什么“脾气”,通过飞机主动布一个棋子(牵动侧杆),来告诉飞行员,而飞行员仅凭手上的触觉,就能感受飞机状态,不必万事通过液晶屏和仪表盘才能知道。其实用触觉交流,远远胜过用视觉交流,这是人类的本能,通过触觉交流,飞行员更容易有“人机合一”的感觉。侧杆比中央杆更受飞行员欢迎,除了侧杆操纵确实省力(手臂搁在托架上),这个心理因素应该也是原因之一。

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        一盘,是类似于汽车方向盘的操纵盘(驾驶盘)。驾驶盘属于软式传动,飞行员双手把盘,操纵力大,系统反应速度慢,精确性低,适合机动性不高,长时间保持在同一飞行状态的中大型飞机,能节省飞行员体力。客机、轰炸机、运输机常用驾驶盘操纵。

        电传飞控最大的优点,是战斗机飞行员在作战过程中,可以大胆机动而不必担心飞机超出边界限制,因为机载电脑作为飞机上的“二把手”,在领会了飞行员用意后,会通过高速运算来更安全地操控飞机。此时飞行员可以将更多的精力投入于各种信息获取及瞄准目标方面,这就是战斗机飞行员常说的“无忧虑操纵”。

        现有的飞行汽车,怎么设计的呢?通常是把“飞行操纵盘”,与“路面驾驶方向盘”合二为一。

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        现在说说我的方案。大家可能没有注意,280B的座舱内宽度,大约0.85米。一般飞行座椅单人的宽度在60—65CM,所以我们座舱是比较宽大的。

        前座飞行员,看起来只有一张椅子,其实这是两张独立的座椅,右侧一张是标准的飞行员座椅,宽度65CM,椅背后有弹射系统。椅子净重40公斤,弹射系统重65公斤。

        在飞行椅的左侧,紧挨着是一张特制的窄椅,坐垫宽仅20CM。两张椅子的座垫紧紧挨在一起,看上去是一张完整的长排椅。

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        飞行员坐进飞机后,如果是要飞上天,就坐到右侧,扣上飞行员的双肩保险带,使用右侧杆操纵飞机,两脚前伸蹬舵。一般在飞机上,如果飞行员使用右侧杆的话,会在另一侧大腿处有一个“中控台”,供他的左手操作一些按钮。280B的中控台,收缩在机鼻里(在前发动机底座里占一个小空间),这样飞行员不论从哪边上飞机,都不会绊脚。等坐稳后,飞行员一摁钮,中控台滑出。

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        在这里,也可以安排为中央杆,但我比较倾向于右侧杆。

        等飞机落地,需要改为路面驾驶时,飞行员先解开保险带,摁一下钮,”飞行中控台“被收回,脚下空间畅通无阻,飞行员挪一下屁股,蹭到长椅的左侧。此时他屁股坐着20CM窄椅的全部,和65CM飞行椅的左半部,然后扣上汽车保险带,再一摁另一个钮,汽车中控台滑出;汽车方向盘由“收起状态”(紧贴主控台台面)自动释放,伸近飞行员,最后停留在一个飞行员事先调好的,对他驾驶汽车最舒服的位置;飞机外,机翼自动折叠,起落架也收起一半,地勤兵把前螺旋桨拆下。此时280B进入“路面驾驶”模式。

        280B最重要的功能是什么?不是作战,而是培养初级飞行员。它不是教练机,但事实上它起到的是“野生教练机”的作用。当然,部分280B有教练机功能,后座也可以驾驶飞机(但不能路面驾驶汽车,这个不用再教了好不?)

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        对于任何一款教练机来说,它首要的任务就是要在上线和下线之间搭好桥,不能因为飞机操纵方式及飞行体验的剧烈变化,导致飞行学员淘汰率急剧增加,因为淘汰率的提高意味着全航校飞行员培养总成本的提高。好的教练机应该让驾驶过它的99%学员都成功地过渡到下一级飞机。

        中国的四代机,已经开始用右侧杆,这一开始,一发而不可收,最后一定是统一用右杆。同样的,未来的歼-16、歼-10、枭龙,都会改为右杆。与之配套,现在用中央杆的L-15,也会改设计为右杆。

        所以,280B将会是电传飞控+右杆。

        由于有繁重的编程业务量,电传飞控的初始设计成本,会远远大于其他飞控模式。但是,从“飞/驾转换安全性”、设备净重、未来升级等各方面考虑,电传飞控是值得的。况且如果真要配备数千架的话,软件只需要编写一次就可以无限次复制,成本是摊得下来的。

        而且,小飞机用侧杆,不是没有先例,Cirrus 的SR20就是:

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        中国云南省弥勒市一家民营企业试产的双人小飞机,也使用了侧杆设计:

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        通宝推:桥上,真历啊,
        • 家园 茗谈199-4

          (七)

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          280B乘员舱的侧面窗,玻璃是可以摇下来的(普通小飞机都不行),这是为了增加长时间在路面驾驶时的舒适度。这里我们不采用电动车窗,因为电动车窗虽然不常出故障,但由于这个小小的部件里,包括有夹持器、升降机架和电缆驱动器等,这些不但增加车门的重量,而且因为是高电流设备,对应的保险丝确实有一定的概率会烧断。一旦保险丝烧断,往往要飞行员花个几分钟来换上备用保险丝;而万一是更大的故障,那就需要地勤兵拆开车门。假如车窗出故障关不上,会影响飞行,因此我们不想在前线冒这个险。座舱内宽度为85厘米,即便路面驾驶状态下,司机坐在左侧,一个身高1.7米以上的司机,伸展右臂,仍然够得着右边的车窗摇把。另说一句,假如总宽85厘米的正面仪表台依然没有空间同时容纳汽车方向盘和飞行仪表的话,我们会把方向盘设计成可拆卸的,飞行前把方向盘卸下放在前座坐垫下的储物格里,这样就不会遮挡仪表盘。

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          上图是在SR-22座舱基础上模拟的羽人-280B座舱。SR-22 是SR-20的改进型,明星Angelina Jolie自己就开一架SR-22。SR-22的座舱是一排双座,内宽度大约120CM,我们改到内宽85CM,大致就是这么一个效果。由于左侧“路面驾驶舱”部分比较窄,长途驾驶会不太舒服。这里的问题是中控台,280B是类似于SR-22的正规小飞机,不能按“飞行汽车”马马虎虎的标准来,况且军用型还需要更多的“载具控制旋钮”,所以这个体积的中控台不可或缺。我的建议是在中控台下的地板上设两条横向的滑轨,整个中控台可以顺着滑轨左右滑动,要进入“路面驾驶模式”前,按一个钮,中控台向右滑到尽头,呆在“飞行驾驶舱”部分的腿部空间里,这样“路面驾驶舱”的腿部空间就足够大了。

          玻璃摇下的功能,只在“路面行驶模式”可用,切换到飞行模式时,车窗必须关闭,并且直到落地前,车窗会被锁住无法摇下。

          280B与在路上行驶的普通SUV相比,有个明显的优势,就是驾驶员的下视角更大。第一,280B在行驶状态时,车身净高(指车顶到地面的高度,不考虑折叠起来的机翼)比普通民用车更高,视野更开阔(当然重心也就更高,这是缺点)。

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          第二,280B作为飞机,强调要有一定的下视角,以便在飞行中观察地貌,与飞行地图比对,所以正面仪表台比普通汽车的要低15CM左右,机鼻线条(相比普通车辆的前盖)也有一定的下滑角度,这样不遮挡视野。第三,我们前面说过,路面行驶时,如果速度超过280B作为飞机时的失速速度(110公里/小时),那么残留机翼会产生比较明显的升力,解决的办法之一,就是开车前,通过悬挂系统把机头摁低一点,整个车身前低后高。这样一来,驾驶员更便于观察路面了。

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          飞行时,飞行员前视的仰视角一般不需要大于80°,更重要的是能扭头向后上方观察,因为低空飞行的小飞机在作战中很担心来自后上方的敌机和火力打击。这里我们用两个方法解决,第一,天窗。第二,后视摄像头,在LCD屏幕上留一个角,显示后视的图像(主电脑先预读),一旦主电脑AI发现图像异常,用某种警告笛声告知飞行员。由于各种不同的笛声代表不同意思,飞行员立刻知道要检查哪个指标。

          理论上,飞行中平视的左右环视视角应该有240°,这里影响视野最大的因素,就是两根A柱。因为A柱是机身框架结构中重要一环;而且作为路面汽车,你得考虑到撞车或翻车时对驾驶员的保护,所以A柱的位置和粗细,不是随便拍脑袋的事。SKYMASTER原本是前排双座设计,而我们改为单座了,因此无法照抄。

          另一件大事就是噪音。噪音主要来自两台活塞发动机和螺旋桨(搅动空气)。在螺旋桨上可以加装降噪装置,但这样就增加了成本,也略微损失效率。能做的降噪措施有:

          一,带耳机。耳机既便于飞行员接受通讯,也能降噪。这是最有效的降噪措施,但在路面行驶时不适用,因为驾驶员必须听各种车外的声音以防突发情况和路人示警。好在路面行驶时,前发动机停用,后发动机往往只需要输出不到1/3的功率来发电,此时引擎噪音比较小,也不再有螺旋桨噪音。

          二,给发动机安装 “减音器(muffler)”。Muffler是所有小汽车都有的减音装置,至少尾部这台发动机有条件安装(如前所说,头部发动机在路面行驶时不会开动。而降噪主要是为了路面行驶,在飞行中不需要降噪)。这样会增加一些死重,但考虑到路面行驶会穿过一些城镇,按国家标准降低噪音分贝是必须的。

          三,其他措施。比如机舱内用吸音/隔音材料;动态降噪降震(用反周期震动抵消);后发动机装在浮筏底座上。

          (八)

          汽车和飞机,有些子系统是类似的,理论上可以归纳合并,它们是:

          1)控制(包括自动驾驶)

          2)导航

          3)人机交互(仪表显示)

          4)通信

          5)安全

          6)灯信号和照明

          一,控制。

          飞机的控制,就是控制俯仰、横滚以及动力输出。飞行员直接使用的是操纵杆、脚踏板以及很多钮。

          自动档汽车的控制,就是控制方向(前行,倒车)和速度(加油门、刹车)。司机直接使用的是方向盘、脚踏板以及少量钮。

          这一科目里,也包括悬挂系统。

          如前所述,我们在驾驶台设计中,比较注意把“飞行”和“路驶”两套控制系统分割开,而目前多数“飞行汽车”的设计是尽量合并。

          我们分割开的好处有两个:

          A,安全,避免驾驶者在紧张关头,头脑中时空错乱而误操作。

          B,能完全迎合驾驶者原本的驾驶习惯。原来怎么开小飞机的,还是差不多的环境;原来怎么开车的,还是差不多的盘儿。这样一来,在遇到险情时,允许驾驶者情不自禁按往常的肌肉记忆下意识地操作。

          分割开最主要的坏处,是“多耗用”了前座驾驶者的正面仪表台。正常情况下,假如你真要设计一架纤细机身的轻型螺旋桨飞机,凭145匹马力这个发动机的个头,驾驶舱净宽0.75米(甚至更窄)是完全做得到的。但由于280B前后两套起落架结构庞大,有远大于普通小飞机的液压机件,从而迫使机身放宽。所以驾驶舱净宽为0.85米,多出来的空间,就容纳了“相对独立”的“路驶套装”。

          通常,小飞机都有两套驾驶设备,万一主驾驶那套失灵,副驾驶立刻顶上。在280B上,就是后座也有一套飞行控制设备。虽然后座飞行员的视线被前座遮挡了一部分,但对于多数小型慢速飞机来说,靠后座飞行员来降落,并不困难。

          二,导航。

          小飞机的导航,最原始是三小件:地图、指南针、码表(stopwatch)。今天是几大件:

          A,GPS接收机

          B,与地面塔台的应答装置(transponder,就是transmitter-responder的简称),又叫 “beige box”,通常就装在一台VHF收音机旁边。

          C,traffic collision avoidance system(TCAS)。Transponder是不间断向最邻近的地面指挥系统(air traffic control,就是某一个管这片空域的塔台)发射无线电信号,表明自己的身份编号,并接受塔台指挥。而TCAS这部小机器独立操作,不需要塔台帮忙,它以本飞机为圆心,能探测/“信号握手”周围的其他小飞机,避免空中碰撞。

          D,VOR接收天线。Very high frequency omni-directional range (VOR)是一个蜂窝式无线电导航系统,在地面上有序建造一批“导航灯塔”,小飞机接受各个灯塔发出的无线电信号,修正自己的坐标和航线,从一个灯塔辖区,接力飞到下一个灯塔辖区。美国这个系统使用的VHF频率在108到118MHz之间。

          E,DME(distance measuring equipment)测距接收天线。从地面站里的设备发射无线电信号,飞机上的天线接受到信号并分析后,得知一些物理距离数据。VOR与DME通常组合在一个地面基站里。

          F,ILS接收天线。instrument landing system localizer(简称 localizer 或LOC),是一个地面上的系统,装在机场跑道边,通过无线电信号,告知想降落的小飞机,(尤其在能见度不良的时候)是否对准了跑道。

          这些地面上的基建,都是通航产业的“七通一平”。飞机是1905年前后发明的,美国在1930年代下半期就开始营建,二战中基本全国铺完。中国其实没落后,1950年代就有了自己的军用地面导引网络。

          汽车的导航,本来比较质朴,毕竟5G还有点远。但自从出了个叫“一休”,不是,叫“一龙”的花和尚,汽车自动驾驶(就是车载导航)一下就火了,连带到车内车外的装备,同样也小步快跑起来。

          三,人机交互

          人机交互的关键功能,就是监督各个子系统正常运作,一旦有问题立刻报告给驾驶者。这里,对一个飞行员的要求,比对一个路面司机的要求,要高得多。第一,飞机的设备更复杂更脆弱,这些设备/构件必须轻巧,又能忍耐忽高忽低的温度、压力、震动、巨大牵引力下的伸展变形等等,所以更容易遇到意外情况,更容易出状况。第二,飞机不像汽车,哪里不对了可以在路肩停下来检查/重启。第三,飞行员主要精力用于操纵飞行(尤其作战中),对各种警报只能用剩余的精力(注意力)去对付。第四,涉及领域广,包括发动机(温度、压力)、电力系统、电子/通信系统等等,都是完全不同属性的设备。第五,汽车黑屏(航电崩溃)也很危险但相对容易处理;而飞机一旦黑屏,飞行员要依靠最原始的目视操作+无动力滑翔,平安落地,那真是搏命。

          所以飞行员必须极端冷静,面对特情,反应要快要正确(错一次就无法补救)。要把飞行员训练到这个地步,第一在机内人机工程设计上,人机交互系统,能监管得全面、报告得及时且醒目,就很重要了;第二飞行学员必须有大量模拟器训练,最后达到“肌肉记忆”级别的本能,人机合一;第三,有大量“低成本飞行训练”,飞到空中练胆量,见识不同空情/天候。280B,就是针对第一条和第三条的抓手。

          对于汽车来说,如果我们暂不考虑特斯拉的话,比较传统的燃油汽车,“人机交互”这个领域已经比较成熟,可靠性高。比如大量的传感器监管着发动机的温度、压力、耗油状况、功率输出稳定性、冷却水温度等等。这些功能如果全部移植到“飞行汽车”里,技术上没难度,只是无此必要。

          四,与外界通信

          对小飞机来说,最基本的,必须有VHF无线通信,与地面塔台保持不间断的联系,把自己飞机上的特情报告给塔台,接受塔台指挥临时掉头飞往哪里,降落在哪里,在什么高度/速度飞,等等。如果飞机一切正常呢,塔台就像交警,会安排同一空域的各架飞机错开,你还是得听组织安排。

          汽车本身就没有这个需求,虽然现在蓝牙技术允许司机的手机临时接入汽车。但到了5G(全自动驾驶)时代,就不同了。可以说,280B上现在用于飞行的大量设备,到将来就是地面无人驾驶汽车的标配。

          五,安全

          所谓“安全子系统”,其实就是消防系统,出现特情时先在飞机内自救,从而为平安落地,飞行员哆哆嗦嗦爬出机舱赢得中奖机会。这包括四个部分:

          A,更明显的警告。人机交互系统提出的警告没有引起足够的反应的话,再加大警告力度。

          B,自救,比如发动机上附带的灭火系统。

          C,电路系统的冗余设计,第二套备份顶上来继续工作。

          D,每个机上人员的三点式保险带(万一迫降)。基本上民用小飞机是没有弹射座椅的。

          汽车的安全设计覆盖全车,着重于对应撞击、翻转、起火。主要的设备有气囊、大量感知设备如避碰雷达、紧急(超越驾驶者权限的)刹车功能,ABS刹车防滑,等等。

          六,灯信号

          灯信号系统对于小飞机和汽车来说,都是一个大的基本系统,往往也是人们最忽视的系统。它用于内部、外部,也用于白天、夜间。

          小飞机在翼尖有导航灯navigation lights,通过左右两翼不同的颜色,告知夜间相遇的其他飞机,自己的航向。此外还有若干taxi lights 和一盏 landing light。

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          280B作为战斗用军机,还有探照灯。航空用灯,亮度和可靠性必须远高于汽车用灯。

          汽车有:头尾的大灯(包括雾灯功能);转向信号灯;刹车/倒车警告灯。

          (九)

          机内发电系统(Utility Systems),有四个作用:

          1)机内电力的生成和分配。

          2)以电力推动液压设备的开/关,产生更大的液压力,操纵飞机。

          3)机内环境控制

          4)满足临时载荷(各种外挂)的用电需求

          对于一款飞行汽车,虽然它装备的飞行/路驶两大类设备,使用状况/要求有很大差异,但用一个供电系统支持所有用电设备,显然是可行的。但对于这些五花八门的,耗电后才能获得的功能,要有取舍。

          更重要的是,如果把280B看作民用飞行汽车,作为一款小飞机,它的定位是休闲/运动飞机,往往会飞往冷僻的小机场探险/度假。至于军用属性,就更加可能在艰苦的前线/边陲使用。所以发电系统必须做到:

          A,在后勤能力不足的边远小机场,能满足于简单补给,就再次使用。

          B,不依赖外部动力。发电机不需要外部动力来帮助冷启动或者再次启动(Jump Up)

          C,易维护。

          D,高可靠性,耐用。

          由于绿色环保,小飞机的设计,主流趋势是从More Electric Aircraft (MEA – 从当初的全部液压机械飞控,逐渐增加电传飞控的比重),进化到 All Electric Aircraft (AEA – 彻底电传飞控,也可指纯电动推进)。因为地面小汽车出现了纯电能汽车,全电驱动的载人小飞机也已经出现了。具体操作上,是渐进式,在设计新的燃油发动机小飞机时,试图用一个单一动力包,驱动全部机载设备,这有点像中国海军全电推进的“新概念舰(全能舰)”思路,其优点是:

          A,增加可靠性。一台比较昂贵但高可靠性的发动机,要好过两台廉价/不稳定的发动机。

          B,减少地勤作业,从而节省飞机的全寿命费用。

          C,减少后方的技术支持(来自飞机制造厂或者发动机厂)

          D,将来容易升级为纯环保飞机(就是把燃油发动机换成电池组+电动机)

          在这个过程中,肯定会升级到电传飞控。按实测,在小飞机上用一套电传飞控,替换掉一套老式的液压机械飞控,在不增加费用的前提下,可以减重100公斤。而小飞机有两套飞控。

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          上2图:全液压机械飞控中的收放起落架。全部通过液压油的输送来完成。

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          上图:更老式的钢索飞控。其实钢索飞控对于要参加空战的280B,可能是可靠性最高的飞控方式(正常时用液压系统牵引钢索。万一液压系统被打坏,只要钢索没断,纯靠人力也足以扳动)

          当然,也有不利因素,我们前面提到过,电传飞控(某种意义上)可靠性不如机械飞控。所以这是一个严肃的课题,因为一旦决策上马“电传飞控”,相应的,顶层设计时要留出更大的发电能力,将来用电的设备只会越来越多。

          说了发电,接下来就是用电(Electrical Systems)。

          对于民用小飞机而言,用电大头是:航电设备、照明、燃油发动机的冷启动。以塞斯纳小飞机家族的Cessna 182 Skylane为例(在前文我们用它与280B比较了起降滑跑距离),它有一个28伏特的直流电机系统,其电能来自于(燃油引擎驱动的)交流发电机。此外,机上还有一个充电宝------24 伏特12.5A/小时的可充电电池组,当飞机发动机故障无法发电时,电池组替补供电给飞机各系统,维持对飞机的操控;另一方面,飞机在地面上移动/检修时,可以用此电池组启动各子系统,而不必启动发动机。

          机上凡是耗电量比较大的设备(电动机、大型伺服机构、电取暖器),最好用交流电,因为能量利用率高。所以,现代的小飞机,同时有交流电和直流电。

          低压(28伏)直流电,用于航电彩显设备。这些电能来自一个115伏 400Hz的三相交流电系统。之所以“一机两制”(28伏直流电+115伏交流电),是因为电压高的交流电往飞机各个角落输送时,电力损失小(类似的,中国开发了特高压远距输电技术),而且高压电需要的电缆比较轻,这对于降低死重很重要。

          对于燃油汽车,所用电力是12伏直流电,全部来自一台灰头土脑的乡巴佬铅酸电池,汽车行驶时,发动机上附带的交流发电机给电池充电。其实汽车上各个用电子系统条块分割很严重,各有各的封闭回路、保险丝等等,可是啊可是,东西南北中,电池是管着一切的。

          目前多数小飞机还是用液压机械飞控,这一块技术已经很成熟,尤其是起落架收放等等力气活儿,液压伺服比较靠谱。但这套系统死重大,也是事实。所以将来怎么转型,是个大事。但大家要记住,所谓电传飞控,不是不要液压伺服机构了,恰恰相反,很可能需要更多,但每个机构都更小更独立,液压伺服机构之间用光缆或电力缆联接。

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          上图:不同技术世代的伺服机构

          总的说,任何一款飞行汽车上,发电-用电系统的品质标准,按航空器标准走,是确定的了。

          通宝推:夏侯,真历啊,
      • 家园 巴西湾流公司技术比庞巴迪达索他们如何?

        在支线市场还是很有竞争力?比国内的arj如何啊?

        • 家园 湾流是美国公务机公司,巴西那个是安博威

          支线客机跟干线客机没法比,市场一年就三百架,干线市场一千多架,价格还高不少,所以支线航空哪怕做到二分天下,营业额也就波音空客的十分之一的量级,所以搞支线市场有限,庞巴迪想挤入干线市场,C系列打擦边球,结果被波音搞死 -- 波音建议给庞巴迪加200%的关税,老川来了个300%,而支线航空主要市场就在美国 -- 最后庞巴迪支线业务被空客收购。安博威一看不好,求着波音收购,结果波音现在困难,不要它。

          总而言之,支线客机哪怕做到世界老大也是小打小闹,玩干线客机需要国家意志,全世界只有中美欧俄有潜力,别国都没戏。。。

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