穆作栋 ¦ “敏捷至上”！美空军推动电动垂直起降航空器应用于军事任务

2020年2月，美空军发布“敏捷至上”（Agility Prime）计划招标书，通过演示验证等方式探索电动垂直起降（eVTOL）航空器在短距运输、搜索救援等军事任务中的应用。电动垂直起降航空器可实现低成本、低噪声的短途运输，借助民用城市空运（UAM）市场的浪潮，相关技术迎来了空前发展，吸引了全球巨额资金投入。美空军希望将相关技术引入军事行动领域，从而在短途任务中替代传统直升机、倾转旋翼机等航空器，大幅降低任务成本、打造敏捷任务能力。这一计划是继2020年年初美国航空航天学会科技大会上美空军研究实验室公开混合电推进固定翼飞机概念方案之后，美空军再一次关注电动飞机技术，相关研究已经覆盖了大型固定翼和小型垂直起降两种形式，体现了美空军正全方位推动电动飞机技术在军事行动中的应用。一、美空军推动电动垂直起降航空器发展的背景和需求近年来，为了满足城市空运需求，电动垂直起降航空器技术得到了广泛关注和快速发展。电动垂直起降航空器的典型运行场景是航程100千米以内、垂直起降、巡航高度数十至数百米，一般采用全电推进，为了拓展航程也可采用混合电推进，但会相应提高平台技术复杂度。目前，以优步为代表的交通运营商、以空客/波音/贝尔/罗罗等为代表的传统航空制造商、以Joby/Volocopter等为代表的初创企业，以及以韩国现代等为代表的汽车企业均已布局电动垂直起降航空器市场，以期取代直升机，构建高效、低噪声、低排放的短途运输新范式。

基于eVTOL航空器的城市空运生态（美国航空航天局图片）2019年8月，白宫通过行政备忘录指出美国应当将电动垂直起降航空器作为优先发展的技术领域。对电动垂直起降航空器的支持是美国政府2021财年高级运输领域研发计划的新增内容。2019年10月，美空军研究实验室首次表示，希望探索将民用电动垂直起降航空器技术应用于空军的军事行动中。电动垂直起降航空器的典型军事应用场景包括相对短距离的货物运输、少量军事人员运送、搜索与救援等，在特种作战中尤为常见。例如为小型作战单位提供补给的后勤任务，仅需投递数十千克武器、弹药、饮水等。目前为了完成上述任务，需要采用传统直升机或者特种飞机，以美空军V-22“鱼鹰”倾转旋翼机为例，其每飞行小时运行成本高达9000美元，同时需要消耗大量维护成本和人员工时。电动垂直起降航空器完美契合此类任务需求，其运行和维护成本极低，所需的人员工时也很有限。实际上，本次提出的“敏捷至上”计划并非美军首次关注电动垂直起降航空器。早在2013年，美国防部国防高级研究计划局（DARPA）就启动了“垂直起降实验飞机”（VTOL X）计划，由极光飞行科学公司（现属波音）、罗罗公司和霍尼韦尔公司合作开发，名为XV-24。采用分布式电推进布局、倾转翼结构，具有24个电机驱动的变距涵道风扇，可实现垂直起降并转换为平飞巡航模态。罗罗公司提供AE1107涡轴发动机，装于机身中央，驱动3台1兆瓦发电机，为推进系统提供电能。2017年4月，完成了1/5缩比验证机试飞，验证了电推进系统、倾转翼等设计的可行性。但由于霍尼韦尔在1兆瓦发电机研发过程中遇到了热管理困难、同时DARPA没有找到合适的军方合作方，因而DARPA于2018年初取消了该项目。时隔7年，美空军重启电动垂直起降航空器的军事应用研究，是美国对军用电动飞机技术的新尝试。

XV-24概念图（美国防部国防高级研究计划局）

XV-24缩比验证机试飞（美国防部国防高级研究计划局）二、“敏捷至上”计划内容美空军“敏捷至上”计划的核心是基于“比武”的采购计划，美空军为研究方提供资金和政府资源支持，开展多种载荷与飞行时间条件下的航空器演示验证，基于参与者的表现为其提供军方安全认证机会乃至签署采办合同。该计划对航空器的要求主要包括以下5方面：——机械结构较传统垂直起降航空器简化，从而降低维护成本和周期；——应用自主飞行技术，提高安全性、降低人员操作需求；——经济性，可批量生产应用；——采用分布式电推进技术实现低噪声；——灵活、敏捷，减少对基础设施的依赖。区别于初创企业基于概念方案的早期融资，“敏捷至上”计划要求参与者提供的验证机具有足够的技术成熟度，能够在2020年实现可重复的任务飞行。具体而言，参与者必须在2020年12月17日前完成全尺寸演示验证机的首飞，且需满足如下技术指标：——有效载荷3～8人；——可采用全电推进或混合电推进；——航程大于161千米（100英里）；——飞行速度大于161千米／时（100英里／时）；——航时超过60分钟。“敏捷至上”计划提出的技术指标较现有城市空运领域eVTOL航空器的设计指标更高，以典型的城市空运航空器为例，贝尔公司于今年1月提出的Nexus 4EX概念方案航程为95千米（60英里），现代汽车公司同期提出的S-A1概念方案航程同样约为100千米，这一数值是城市空运需求的典型值，但根据美空军的需求，军事任务需要更大的航程。此外，军事任务的环境条件与城市存在显著差异，需要考虑结冰防护等多种环境控制问题。美国Joby飞机公司的S4航空器是满足这一需求的为数不多的航空器之一，其采用倾转旋翼构型，采用全电推进系统，4座，巡航速度320千米／时，航程240千米；该公司近期获得了丰田领投的5.9亿美元融资（丰田投资3.94亿美元），成为全球融资最多的城市空运航空器企业。

Joby城市空运航空器S4“敏捷至上”计划并不会提供巨额资金支持航空器研发，其提供的条件是政府资源。通过“比武”的参与者能够获得包括风洞、电磁干扰（EMI）试验室、声学试验室、试飞空域等在内的资源，并获得非商业适航认证的快速通道权利，进一步可能获得军方采购合同。除了航空器制造商，“敏捷至上”计划还为相关技术研究者开放，包括自主飞行、机载系统、感知与避障等。三、小结当前，以电动飞机技术为代表的新一轮航空科技革命正在重构航空产业竞争格局，电动飞机技术以其节能、减排、降噪的收益获得了世界主要航空强国的高度关注。电动飞机技术的应用目前主要集中在民用飞机领域，在全球巨额资金投入推动下，电动飞机技术正处于高速发展中。由于发电、配电、能量控制等机载系统技术具有高度军民融合的特征，民用电动飞机相关技术可迅速应用于军用航空领域。美空军充分利用民用电动飞机市场的发展成果，推动了电动飞机技术在国防领域的多方位应用。通过电动汽车等行业的大力投入，我国在动力电池、能量管理等领域已有丰富的技术储备。我国应高度关注电动飞机技术，充分利用军民融合的发展途径，大力民用和军用航空装备两条路线同步发展，在新一轮航空技术革命中占据先机。穆作栋先生已为《空天防务观察》提供5篇专栏文章，如下表：序号篇名发表日期1美海军针对定向能武器需求开展“能量库”研究计划  2019年3月12日2美国“利爪”反无人机激光武器系统分析7月1日3战场电气化——美空军研究实验室展示分布式混合电推进飞机概念2020年1月13日4战场电气化——防务领域的能量系统技术革命1月17日5“敏捷至上”！美空军推动电动垂直起降航空器应用于军事任务（即本篇）3月17日