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 圈地为主,没啥大用

东中部高铁发达,客运没戏,通航的航拍和农业应用大半被无人机取代,旅游观光赚不了几个钱,赵本山出事后也没几个富人敢玩公务机。

至于活塞小飞机产业,中航工业布局极早,金融危机后收购了Cirrus,如今是活塞小飞机行业数一数二的企业,还收购了造航空活塞发动机的Continental,发动机也是六分天下有其一。但当年中航收购的目的是以为国内通航会有大发展,没想到高铁无人机再加反腐几乎把这市场给灭了。

家园 两化合并已经造就一个世界级的农化种子巨头

农化世界第一,种子世界第三。

家园 原来中化的总经理,非常具有传奇性

非常低调,悄无声息地干大事,收购先正达只是其中之一。在国外,一定能炒成伟大的企业家。

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 【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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见前补充 4958162
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 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】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。

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 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 我见报道已经有解决这个问题的办法

自动平衡至四分之三失效

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