eVTOL在军事领域的应用

tibet4254

1.背景新一代电动航空的兴起，尤其是eVTOL的迅猛发展，充分引起了各国军方的注意，这种飞行器结构形式相比直升机更加简单、采购和维护成本低、起飞准备时间短响应敏捷、低噪环保舒适、动力系统性能不会因高度和温度变化而大幅降低、起降场地要求低等，更适合执行时效性和隐蔽性的军事任务。本文主要介绍的是美国军方对eVTOL的应用思考和给予的相应支持，以供参考。

图↑ 军用eVTOL想象图（Doug Didia）
美国陆军、海军、海军陆战队（相对独立于海军）、空军发布了一系列针对新一代电动飞行器的研究性项目，飞行器的用途包括侦察、运输、后勤，可运送士兵、伤员、医护和工程兵、军用物资等，这也使得军事用途成为了eVTOL企业的第一桶金。eVTOL参与军用，双方都可以得到不少好处。
2.典型案例

2020年初，美国空军敏捷创新中心（AFWERX）发布“敏捷至上”（Agility Prime）项目，来源是与中国的全球竞争。项目主要测试各种电动飞行器构型的应用符合性，可以为纯电或混合动力，计划3年内应用，早期为了更好普及，用的还是飞行汽车（Flying Car）这个词。主要分三种要求（后面需求有变化）：
（1）大型载人。能载3-8人以上，最大速度160km/h以上，最大航程160km以上，航时1h以上。（2）小型载人。可载1-2人，最大速度72km/h，最大航程16km，航时15min以上。（从这点上看，美国军方指标比较务实）（3）大型载货。起飞重量超过600kg，可运载227kg货物（有时候可能为士兵），最大航程320km，最大速度320km/h，飞行时间100min。
最初的参与者只有Joby S4、Beta Alia。后来又陆续增加了LIFT Hexa、Elroy Chaparral、KittyHawk Heaviside、Moog Surefly、Archer Midnight、Electra（超短距起降）、EVE、Jump JA1、Air One等等，目前已经获得军用经费支持最多的是Archer，达到1.42亿美元，其次是Joby，为1.31亿美元。Joby S4Joby已经累计获得了美国空军1.31亿美元的项目资金，美国海军陆战队也在参与测试，是目前大型载人飞行器里面唯一的完成了倾转过渡飞行并且最大速度达到过400km/h的飞行器（测试机已坠毁）。其测试的项目包括人员运输、紧急医疗响应、物资补给、飞行包线扩展等，Joby S4是第一个获得MFR军用适航许可的eVTOL，但是仅限无人驾驶。2023年9月，Joby给美国空军交付了第一架飞机，编号N5421A。





图↑ Joby生产原型机交付美国空军

参考：JOBY S4 量产原型机的重大改进
Beta Alia美国空军最初看上的是Beta飞机大载重下无与伦比的垂直起降航程（6人，463km）。2022年3-7月，空军和陆军的飞行员通过模拟器培训后，驾驶Alia飞机进行了滑跑起降和飞行体验。由于Alia截至目前还未完成转换飞行，可能遇到了较大的技术难题，Beta推出了CX-300常规起降型（CTOL）并优先发展，目前参与敏捷至上计划飞行的均为常规滑跑起降型。2023年10月，Beta向美国空军交付了第一架CTOL飞机。
Beta公司参与的测试项目包括充电系统、有人和无人驾驶（第2个获得MFR的eVTOL企业，第一个有人驾驶eVTOL的军用适航许可）、人员和物资中远程运输。
Beta的主要成就：常规起降方式千里奔袭-飞行1100km（其中最长一段飞行340km，总计分4段飞行）进行转场，验证了充电系统、后勤保障及持续运行的能力。


图↑ Alia 250暂未完成过渡飞行



图↑ 常规起降的CX-300



图↑ 军方进行了常规起降型的试飞测试



图↑ 飞越华盛顿特区（首个）
LIFT Hexa从2018年以来，LIFT的Hexa就一直在跟美军方合作。LIFT的飞行器是单座的个人多旋翼飞行器，具有浮筒，军事应用的时候包括从船到船、船到陆等运货及载人场景。获得了3个阶段的合同。还推出了运货的无人机型号，预计载重100kg以上，相比直升机，最大优势就是简单好维护。
测试的场景包括载人和载物短距飞行，水上起降、从船到陆、船到船；采用C-130运输快速部署的可行性等。



图↑ 美军考察



图↑ 水上飞行





图↑ 装入C-130运输机



图↑ 专门的物流版
Elroy Chaparral美国空军现在更加注重装备的可消耗性、低成本。传统直升机代价过大，而无人驾驶eVTOL则可以很好的补上这个空缺。Elroy 采用混合动力，航程上有明显的优势。早期的Chaparral为串列翼设计，现改为常规T尾布局，2023年11月完成了新机型的首飞。Elroy测试的重点包括自主飞行、自动装卸货物、混合动力系统、飞行包线扩展、快速部署。


图↑ 测试运输部署性能





图↑ 完成悬停首飞



图↑ 早期方案

参考：大型物流eVTOL先锋-Elroy Air Chaparral
Sabrewing RhaegalSabrewing（军刀旗）公司的Rhaegal货运无人机的参数非常优秀，采用涡轮发电，可以载2450kg货物垂直起降并飞行1850km，最大巡航速度370km/h，布局设计也很显眼，4个倾转大涵道，曾经在2020年5月的敏捷至上会议上作为压轴项目重点对象介绍。2022年9月，完成了首次系留悬停测试，创造了垂直起降无人机最大载重纪录：376kg（未认证）。后续计划加大离地高度测试，然后是CTOL试飞，之后是VTOL试飞。但是FAA很长一段时间还没有足够人力对其混合动力系统进行审查，进度延后，截至目前还没有实现倾转到平飞全过程。Sabrewing获得了2个阶段的合同，总计约400万美元，在刚过去的2023年，该飞机基本上没有新的动态。美国资深航空专家评论：如果没有大量的资金支持和足够的研发积累，实现所有性能的概率基本为零。


图↑ 首次系留悬停测试



图↑ 网站上依然写着2022年投入使用
Piasecki PA-890PA-890是采用氢能源的电动混合直升机，带有机翼（起降时可倾转90°，但后续不一定采用），尾部螺旋桨可偏转90°（用于起降抗扭或高速巡航时推进）。由于后部装有大量电池，重心靠后，飞机也是后三点起落架。



图↑ PA-890概念（2023）



图↑ 展示模型



图↑ 发展历程
KittyHawk HeavisideHeaviside是采用全倾转的个人eVTOL，所有螺旋桨可向后下方倾转，三翼面布局，机翼前掠，鸭翼无控制舵面，采用常规垂尾和平尾。该设计阻力小，具有低能耗、大速度优势，最大速度290km/h，最大航程160km。2021年5月，Heaviside被批准为采用自动驾驶方式，进行了空运伤员、物资运输的能力。不过由于这个单座飞机本身也是非常小巧，原本是设计为个人休闲运动用途，此前也没考虑过运送伤员，进出和摆放难度较大，效果不是太好。由于发展不顺等多种因素，eVTOL的先驱者KittyHawk公司已经在2022年9月宣布关闭。


图↑ Heaviside概览



图↑ 运送伤员测试
Moog SureflyMoog公司收购了Workhorse的Surefly项目后，更名为S250，加入了敏捷至上计划。除了测试已有的飞行器之外，Moog还在此基础上推出了一系列的无人驾驶大载重多旋翼方案（HE350），可以运送物资、士兵，或者携带武器进行攻击。


图↑ Surefly（S250）飞行中



图↑ Surefly（S250）携带武器展示



图↑ 携带枪械和制导武器的HE350





图↑ HE350其他一些挂载方案
Archer Midnight
2021年开始参与敏捷至上项目，将双座型试飞数据提供给美国空军。

2023年7月，获得美国空军6架Midnight的采购订单，与敏捷至上项目组共享飞行测试数据和FAA适航审定的相关测资料、飞行员培训以及后勤保障等，总计1.42亿美元，为敏捷至上项目当前最大的合同额。这也使得Archer被各军兵种看中。

国防部认识到，凭借其垂直起飞和着陆能力、约450kg的目标有效载荷、专有的电动动力总成系统和低噪音特性，Archer 的飞机代表了潜在的军事航空行动模式的转变。这些飞机有望在从人员运输和后勤支持到救援行动等各种任务中增强快速响应、敏捷性和作战效率。Archer的Midnight飞机预计将提供比直升机更安全、更安静的替代方案，同时对于美军在现场运输、操作和维护来说更具成本效益。



图↑ 海军陆战队也对Midnight感兴趣



图↑ 宣传视频（实际上应该是两栖登陆舰上起飞，而不是大型航母）
参考：Archer Midnight设计简析EVEEVE在过去的很多年来，一直处于方案的不断变更中，进行了小比例验证机试飞，没有制造原型机试飞。敏捷至上项目也只是进行了初步沟通。








图↑ EVE曾经的各种方案
ASX Sigma 62023年1月进入敏捷至上项目，主要测试多模块化组合式eVTOL性能，可以更换吊舱，快速运送和部署后勤物资、人员、武器。该公司长期处于资金困难状态，无法完成1:1测试机试飞。2024年1月的CES2024展会上宣布获得了敏捷至上项目的资金支持。



图↑ 可更换各种吊舱



图↑ 小验证机在悬停中
参考：从汽车到eVTOL ：ASX Sigma-6 的发展历程参考：CES 2024展会上的eVTOL动态
Jump JA1这是前Terrafugia公司（被吉利收购，中文名太力飞车，后解散美国团队）创始人新创立的公司。该飞行器名字为脉搏，可载一人，尾坐式垂直起降，可接到紧急救助电话后，快速将1名医护人员送到位先行处理，之后救护车赶到，这对于紧急救治病人非常关键，美国军方也需要这个能力。





图↑ 脉搏为单座尾坐式
AIR ONEAIR ONE是双座eVTOL，载重250kg，最大速度250km/h，性能远超敏捷至上第2类飞行器的要求，采用多旋翼控制策略，有机翼提供一部分升力，但是没有舵面，全机结构形式简洁，全机制造和维护成本可以更低，已经进行了多轮试飞测试，2023年12月进入敏捷至上计划第三阶段，将把飞行器从以色列运到美国来试飞测试，用于军队后勤任务（运人和运货）。美军在调研和测试了很多eVTOL之后，不少飞机的可靠性问题和设计问题已经暴露，而AIR ONE极为简单的机械设计和操纵方式、宽敞的进出通道，引起了美军很大的兴趣。









图↑ AIR ONE的停机、起飞、巡航、降落姿态

图↑ AIR ONE舱门开启方式
参考：AIR ONE个人飞行器设计浅析
3.总结综合而言，新一代电动垂直起降飞行器用于军事，是有典型优势的：
（1）直升机在几千米外就会因为巨大的噪音被地面人员发现并警惕，而较好设计的eVTOL噪音则到200m左右才会被注意到，在山区等复杂地形战场生存力更高；
（2）根据美国海军的统计，重量为20kg左右零部件损坏是舰艇无法完成任务的故障中很大一块原因，而中小型eVTOL非常适合做这个备件运输；（3）开发企业获得军方的适航资格（MFR）和采购，有利于民航适航审定，也能吸引更多的投资；
（4）军费总额非常大，有了空军支持后，海军、陆军等也产生了浓厚兴趣，这些项目是飞机开发企业一个重要的额外收入来源，可以冲抵部分研发经费；
（5）由于是在军事区域测试，开发企业不用考虑民众的暴怒和舆论压力，快速获得更多试飞数据和应用经验；（6）eVTOL机械件大幅减少，没有燃油、液压等复杂系统，地勤人员的工作劳动量大幅减少，降低错误的发生；（7）eVTOL能够以更灵活的方式集结人员和物资，而对于永久性基地的需求减弱，更有利于机动作战。