Xplorair，阿奎拉的家用航空創意

    藍天百家

    作者：顧弋明

    直升機PLUS噴氣機？

    假設有一天，飛行器普遍進入家庭，那一個不可避免的事實是，人口密集的城市區域嚴重製約了起降場地，普通的固定翼飛機將難以適應。法國航空技術專家米歇爾·阿奎拉提出的Xplorair新概念飛行器，據估計量產造價可以與汽車接近，它可以在比直升機起降場更狹小的空間垂直起降，4分鍾內垂直攀升到2 500米高度，像噴氣機那樣高速飛行，巡航時速200千米，最高時度可達600千米。Xplorair外部沒有旋轉部件，卻能夠穩定懸停，而油耗隻有同量級直升機的一半。這不是好萊塢科幻大片的道具，而是一款正在研發中的新式飛行器。

    PX200是Xplorair項目中的一款個人飛行器，其名稱PX來自Personal Xplorair縮寫，200則表示巡航時速200千米。PX200外觀像飛機，但卻沒有螺旋槳，也沒有顯著的尾噴管，這正是PX200設計上的特色之一：該機裝備有20個模塊化小型噴氣動力發動機，其中14個埋設在前翼中，每側7個，前翼後緣設有噴口，其餘6個位於尾部。PX200機身中部的雙翼結構內有乾坤：水平飛行時提供升力；低空飛行時，機翼會產生地麵效應；垂直起降時，雙翼結構進行旋轉，下翼與前翼後緣相接，作為導流麵使氣流轉向。

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    Xplorair曾經榮獲2007年度法國航空航天技術創新大獎。法國政府曾撥款150萬歐元支持其研發，多家法國航空科研企業和航空院校都曾參與其研發計劃。

    漢弗萊循環 PK 布雷頓循環

    Xplorair的動力係統是由單元化燃燒室與獨立的壓氣機-渦輪係統構成。這種動力係統在燃燒機理上采用了更為高效的漢弗萊（Humphrey）循環。說到漢弗萊循環，它的最大特點是采用了等容燃燒和等壓冷卻方式，等容燃燒使得燃氣保持體積不變，壓力提升幅度大，內能大幅增加，如果把等容燃燒比作給車胎打氣，那傳統噴氣發動機應用的布雷頓循環的等壓燃燒就相當於給漏氣的車胎打氣。所以等容燃燒比等壓燃燒更有效率，用更少的能耗獲得等多的燃氣內能。而等壓冷卻使燃氣膨脹得更加徹底，更加高效地利用燃氣壓力。更形象一點兒的比方是：等壓冷卻相當於不放氣就接打開滾燙的高壓鍋（很危險，不要在家嚐試！），而等容冷則好比先把高壓鍋放到冰水降溫等鍋內高壓消失再開蓋。顯而易見，等壓冷卻比等容冷卻威力更大。另外，漢弗萊循環獨特的間歇燃燒方式一方麵大大降低了燃燒的不可控性，提高了發動機的安全性；另一方麵也降低了耗油率，提高了經濟性。

    今時今日，所有的渦噴、渦扇、渦槳發動機都是建立在布雷頓循環理論之上，這些發動機的熱效率平均隻有25%左右，其餘都直接消散在空氣。美國國防部先進研究計劃局（DARPA）研究表明，在壓縮比為17時，漢弗萊循環比布雷頓循環的熱效率高15%，能達到40%左右，這意味著在理論上減少油耗30%35%！正因為漢弗萊循環的這些優勢，許多機構相繼投入大量資金對其工業化應用展開研究：2009年到2010年普惠公司從美國國防部先進研究計劃局累計獲得3 680萬美元撥款，投入等容燃燒（CVC）發動機的研製。2009年普惠的母公司聯合技術公司投資18億美元委托通用電氣（GE）研發CVC相關的控製檢測係統。此外，英國羅羅和阿連特係統等公司也開展了相關的科研項目。

    發動機中的變形金剛？

    PX200的新概念發動機不僅能以漢弗萊循環方式工作，還能在漢弗萊循環間歇燃燒方式與布雷頓循環連續燃燒方式之間進行轉換。它的發動機燃燒室通過4個旋轉噴油閥門來控製工作方式：垂直起降和高速飛行時，噴油閥門處於開啟停轉狀態，發動機以布雷頓循環連續燃燒方式工作，輸出大功率；巡航平飛時，噴油閥門通過齒輪配合旋轉，控製燃燒室進口和出口的閉合，發動機轉入漢弗萊循環間歇燃燒方式。燃燒室後方的間歇燃燒點火器會在此時開啟，增加起火能量從而使燃燒速率增加，提高效率。因為燃燒能量跟起火能量有著密切關係，起火能量越大，燃燒越迅速，效率越高。

    PX200采用模塊化的動力單元和獨立的壓氣係統。動力單元的尺寸為25厘米×10厘米×10厘米。每個動力單元可提供170牛的推力。這樣設計的優勢是針對燃料的特性提供最佳的燃燒室尺寸，保證最佳燃燒效率。通過增減動力單元的數量，就能獲得所需的推力，大大簡化了後續機型的研發成本。以PX200型為例，整機重量300千克，配備20個動力單元，總推力3 400牛。垂直起飛狀態下，發動機采用連續燃燒工作方式，可在4分鍾內垂直爬升到2 500米高度，而這一過程耗油15千克。水平巡航狀態下，發動機采用間歇燃燒工作方式，在200千米/小時的速度下耗油率為15升/百千米。如果在水平飛行狀態下轉入連續燃燒工作方式，最大速度可達600千米/小時。

    PX200把燃燒室動力單元和壓氣機–渦輪係統分離開來，增加了機械效率和設計應用的靈活性。燃氣直接從渦輪的外沿進入渦輪，衝擊渦輪的同時帶動另一側的離心式壓氣機對從進氣口進入的空氣進行壓縮，再將增壓後的空氣送往動力單元。相比傳統的葉片式渦輪，PX200的渦輪更為高效，能更徹底利用燃氣的內能。

    靈巧的動力轉向設計

    常見的動力轉向係統有三大類：第一類，發動機固定不動，通過矢量噴管改變推力方向，如“鷂”式戰鬥機、F-22和蘇-35。這類係統結構緊湊，高效靈活，但是直接跟發動機燃氣接觸，對活動部件的熱力學要求很高，且結構複雜。第二類，直接使發動機轉向，比如美國 V-22 “魚鷹”。這種設計使得結構不受高溫的限製，但是承受很高的力學載荷，尤其是是振動載荷，所以至今“魚鷹”的安全性仍受質疑。第三類，混合動力裝置，如F-35，在機身中部設有提供垂直推力的升力風扇，有效彌補了前兩種方案的不足，但隨之而來的問題是，由於風扇在水平飛行時根本不工作，成為死重，還要占據寶貴的機身內部空間。