我清楚地記得，在2013年12月一個(gè)清冷的日子，在公司位于圣克魯斯山的總部，我和來(lái)自NASA的研究人員會(huì)面，計(jì)劃對(duì)電動(dòng)飛機(jī)的一種新型螺旋槳裝置進(jìn)行測(cè)試。我們喬比飛機(jī)制造公司（Joby Aviation）團(tuán)隊(duì)、NASA的研究人員，以及來(lái)自加州另一家小型企業(yè)的同行集思廣益，不知不覺(jué)產(chǎn)生了一項(xiàng)雄心勃勃的計(jì)劃，這是在會(huì)面開(kāi)始前每個(gè)人都沒(méi)有想到的。

我們放棄了縮尺模型的建造和測(cè)試，而是決定建造一個(gè)全尺寸機(jī)翼——大到足夠帶動(dòng)一架四座飛機(jī)起飛。它將擁有十幾個(gè)或更多個(gè)（而不是2個(gè)或4個(gè)）單獨(dú)的電機(jī)和螺旋槳，沿著機(jī)翼前緣一字排開(kāi)。我們將小型機(jī)翼裝在一輛皮卡上進(jìn)行測(cè)試。全尺寸的機(jī)翼還需要一些更加精細(xì)復(fù)雜的東西。這個(gè)項(xiàng)目要在1年內(nèi)完成，預(yù)算少到足以讓大多數(shù)公司掉頭就跑。但我們決定全力以赴。

我們的新型裝置基于一個(gè)古老的概念（被稱為“吹氣式機(jī)翼”），利用很多組沿著機(jī)翼前緣安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳，高速推動(dòng)機(jī)翼上方的空氣。通常情況下，氣流的速度和飛機(jī)的移動(dòng)速度大致相同；這就是為什么飛機(jī)需要在起飛前加速。但若利用很多螺旋槳高速推動(dòng)機(jī)翼上方的空氣，機(jī)翼的行進(jìn)速度就會(huì)看起來(lái)比實(shí)際速度更快，能夠提供更大的升力。

這是一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橛辛烁蟮纳Γ涂梢允褂酶〉臋C(jī)翼，但飛機(jī)需要非常長(zhǎng)的跑道才能高速起飛和降落。飛行中的情況則不盡相同，飛機(jī)在快速飛行時(shí)，較小的機(jī)翼就可以提供必需的升力。在飛行階段，大機(jī)翼是個(gè)劣勢(shì)，因?yàn)樽枇ψ饔迷谡麄€(gè)機(jī)翼的面積上，降低了效率。

因此，大機(jī)翼還是小機(jī)翼？飛機(jī)設(shè)計(jì)師要如何選擇呢？通常對(duì)起飛和著陸的考慮占據(jù)主導(dǎo)地位，因此飛行器最終還是配備了影響高效巡航的大機(jī)翼。大的機(jī)翼也意味著飛行器在遇到湍流時(shí)，會(huì)顛簸得更厲害。

吹氣式機(jī)翼為這個(gè)難題提供了解決方案。在起飛和降落期間，以較高的速度吹動(dòng)機(jī)翼上方的空氣，這提供了額外的升力且沒(méi)有犧牲巡航性能。雖然過(guò)去也開(kāi)發(fā)過(guò)一些帶有吹氣式機(jī)翼的飛行器，但由于使用內(nèi)燃機(jī)推進(jìn)，因此限制了設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)空間。他們不得不使用數(shù)目相對(duì)較少的大型螺旋槳，這些螺旋槳不太適合高速推進(jìn)空氣。

在翼展范圍內(nèi)分布大量的小型螺旋槳效率會(huì)更高，但在大部分航空史進(jìn)程中，這種配置是不切實(shí)際的。

問(wèn)題在于內(nèi)燃機(jī)的效率和功率系數(shù)（功率輸出和重量之比）隨著它們的體積縮小而直線下降。因此使用大量小型內(nèi)燃機(jī)會(huì)導(dǎo)致飛行器效率更低，質(zhì)量更重。

此外，內(nèi)燃機(jī)是相當(dāng)復(fù)雜的怪物。將大量?jī)?nèi)燃機(jī)放在機(jī)翼上，將是維護(hù)的噩夢(mèng)。確實(shí)，如果在機(jī)翼上安裝大量?jī)?nèi)燃機(jī)，那么可以將傳動(dòng)軸和變速箱構(gòu)成的系統(tǒng)連接到單臺(tái)或者是少量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，但這也會(huì)導(dǎo)致額外的維護(hù)問(wèn)題，并被迫做出各種設(shè)計(jì)妥協(xié)。20世紀(jì)60年代法國(guó)寶璣飛機(jī)制造公司（Breguet Aviation）在其壽命短暫的941型飛機(jī)中就使用了吹氣式機(jī)翼，這就是一個(gè)證明。

當(dāng)然，電力推進(jìn)的最新進(jìn)展已經(jīng)改變了這種情況。電機(jī)的尺寸縮小不會(huì)損失過(guò)多的效率或功率系數(shù)。并且它們極其簡(jiǎn)單，通常只有一個(gè)活動(dòng)部件，所以它們幾乎不需要維護(hù)。因此，大量使用小型電機(jī)并沒(méi)有什么不利之處，而且這些小型電機(jī)可放置在過(guò)去龐大和笨重的內(nèi)燃機(jī)無(wú)法安裝的地方，比如飛行器的翼尖附近。

雖然電動(dòng)機(jī)可以由內(nèi)燃動(dòng)力發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但采用電池供電的飛行器收益更大。實(shí)際上，電池-電力推進(jìn)的效率大約是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的3倍。而且噪聲很小，電力的成本遠(yuǎn)比航空燃料低，這種雙管齊下的沖擊——加上高效的傳動(dòng)系統(tǒng)，以及高效的小機(jī)翼機(jī)身——有望大幅降低運(yùn)行成本，如果考慮到維護(hù)需求的減少，則更具優(yōu)勢(shì)。

那么，為什么不是所有的飛行器都用電池供電呢？當(dāng)然因?yàn)殡姵剡€無(wú)法勝任這個(gè)任務(wù)。即使是當(dāng)今最好的電池，其能量密度仍然很低，相對(duì)重量很大，嚴(yán)重制約了電動(dòng)飛行器的發(fā)展。并且它們有時(shí)容易起火，有些評(píng)論員推測(cè)，這可能是今年5月匈牙利電動(dòng)飛機(jī)墜毀事故的原因。但毫無(wú)疑問(wèn)，電池技術(shù)將與時(shí)俱進(jìn)。因此NASA、喬比飛機(jī)制造公司和很多其他公司都忙于探索各種電動(dòng)飛行器的設(shè)計(jì)策略。重振吹氣式機(jī)翼便是其中之一。

5年前，NASA的工程師開(kāi)始考慮使用大量電動(dòng)機(jī)創(chuàng)建吹氣式機(jī)翼，后來(lái)該項(xiàng)目被命名為前緣異步螺旋槳技術(shù)（Leading Edge Asynchronous Propeller Technology ，LEAPTech），“異步”指螺旋槳并不總以相同的速度旋轉(zhuǎn)。

喬比飛機(jī)制造公司是一家成立于2009年的初創(chuàng)企業(yè)，開(kāi)發(fā)個(gè)人電動(dòng)飛行器，已經(jīng)和NASA開(kāi)展了相關(guān)合作。當(dāng)我和喬比飛機(jī)制造公司的同事了解到LEAPTech項(xiàng)目時(shí)，我們立刻抓住機(jī)會(huì)，參與其中。參與LEAPTech合作的還有試驗(yàn)系統(tǒng)航空航天公司（Empirical Systems Aerospace，ESAero），這也是一家小型公司，曾經(jīng)與NASA合作研究如何應(yīng)用電動(dòng)推進(jìn)改善飛行器性能。

NASA希望通過(guò)對(duì)機(jī)翼和螺旋槳進(jìn)行實(shí)際測(cè)試來(lái)驗(yàn)證這個(gè)創(chuàng)意設(shè)計(jì)，一方面是因?yàn)橄嚓P(guān)的氣動(dòng)效應(yīng)非常復(fù)雜，對(duì)它們進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真可能不完全可靠。另一個(gè)問(wèn)題是，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，這種分布式推進(jìn)系統(tǒng)可能過(guò)于復(fù)雜，無(wú)法可靠地運(yùn)行。

NASA想要通過(guò)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的前緣螺旋槳和小于正常尺寸的機(jī)翼能否產(chǎn)生足夠的升力，使四座飛機(jī)以合理速度起飛。通常，這種測(cè)試將在風(fēng)洞中進(jìn)行。但租用這樣一個(gè)風(fēng)洞超出了NASA對(duì)該項(xiàng)目的微薄預(yù)算。此外，合適尺寸的風(fēng)洞要排隊(duì)等待很久。

因此我們決定把LEAPTech機(jī)翼原型裝在高速駕駛的卡車上，來(lái)測(cè)試和分析它的起飛和降落性能。這種測(cè)試并非沒(méi)有先例。最有名的大概是縮尺復(fù)合體（Scaled Composites）公司對(duì)太空船一號(hào)航天飛機(jī)尾部的類似測(cè)試，工程師開(kāi)玩笑地把這種方法也稱為CFD——?jiǎng)?chuàng)造性福特駕駛（Creative Ford Driving）的縮寫。多年來(lái)，喬比飛機(jī)制造公司一直用一輛福特F-150閃電皮卡進(jìn)行同類測(cè)試。

在2013年決定建造并測(cè)試全尺寸LEAPTech機(jī)翼的重要會(huì)議后不久，我們進(jìn)行了分工。喬比飛機(jī)制造公司和NASA合作負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和制造機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)以及螺旋槳，并對(duì)用于測(cè)試的卡車進(jìn)行改造。ESAero負(fù)責(zé)布線，配置所需的儀表和排除測(cè)試的故障。

NASA最初設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是在機(jī)翼前緣配置10個(gè)用于起飛和降落的螺旋槳，還有兩個(gè)單獨(dú)的螺旋槳安裝在翼尖上，用于起飛后為飛行器提供動(dòng)力。將螺旋槳放在翼尖上可以抵消翼尖渦流，進(jìn)而減少阻力。這也是一個(gè)老想法了，如果沒(méi)有電力推進(jìn)就很難實(shí)現(xiàn)。同前緣螺旋槳的情況一樣，內(nèi)燃機(jī)又大又重，無(wú)法放在翼尖上，在機(jī)翼上使用傳動(dòng)軸和齒輪箱來(lái)旋轉(zhuǎn)翼尖處的螺旋槳，會(huì)帶來(lái)工程上的麻煩。

經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的分析，我們得到了一個(gè)機(jī)翼設(shè)計(jì)方案：在跨度約9米、面積約5平方米的機(jī)翼上，沿著翼展分布18個(gè)螺旋槳，每個(gè)螺旋槳直徑約半米。這18臺(tái)電動(dòng)推進(jìn)器的功率大約為225千瓦（300馬力）。

雖然這種機(jī)翼僅用于地面測(cè)試，但我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候還是考慮了一項(xiàng)具體的應(yīng)用：一個(gè)基于Tecnam的P2006T四座雙引擎螺旋槳飛行器的實(shí)驗(yàn)性飛行器。我們之所以選擇P2006T是因?yàn)樗某叽绾线m，也因?yàn)樗幸硌b式發(fā)動(dòng)機(jī)（這意味著用電動(dòng)機(jī)代替它們會(huì)很容易），還因?yàn)門ecnam的管理層聽(tīng)說(shuō)這個(gè)項(xiàng)目后非常激動(dòng)。

我們?cè)O(shè)想的實(shí)驗(yàn)性飛行器重約1400千克，起飛速度為61節(jié)（113公里/小時(shí)），巡航速度為174節(jié)（322公里/小時(shí)）。在飛機(jī)起飛以后，只使用翼尖螺旋槳，前緣螺旋槳只在起飛和降落時(shí)使用。因此我們這樣設(shè)計(jì)：在除起降外的其余飛行過(guò)程中，前緣螺旋槳的葉片可以折疊到與短艙平齊，類似于某些現(xiàn)代電動(dòng)滑翔機(jī)的折疊螺旋槳。但因?yàn)槲覀兊臏y(cè)試僅限于起飛和降落的性能，因此測(cè)試機(jī)翼將不包括翼尖螺旋槳，也沒(méi)有折疊裝置。

這些規(guī)格使我們的設(shè)計(jì)與四座螺旋槳飛機(jī)的參數(shù)相近，但機(jī)翼更小。實(shí)際上，我們的機(jī)翼尺寸只有傳統(tǒng)飛行器機(jī)翼的1/3。理論上它可以為正常速度的著陸和起飛提供足夠的升力。我們的職責(zé)是檢驗(yàn)這種設(shè)想與現(xiàn)實(shí)是否相符。

為此，我們購(gòu)買了一輛彼得比爾特卡車——就是經(jīng)常拖著拖車在高速公路上飛跑的那種卡車。為了最大限度地降低地面的氣動(dòng)效應(yīng)，我們?cè)诳ㄜ嚿洗罱酥Ъ埽瑢C(jī)翼高高地固定在支架上。為了減少振動(dòng)，我們用4個(gè)結(jié)實(shí)的安全氣囊墊在機(jī)翼與卡車的連接處。雖然這種巨型機(jī)翼卡車看起來(lái)很奇怪，但它正是這項(xiàng)工作所需要的。

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在設(shè)計(jì)和建造工作完成后，我們開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試地點(diǎn)在NASA的一流試飛設(shè)施——位于加州莫哈維沙漠中愛(ài)德華茲空軍基地的尼爾?A?阿姆斯特朗研究中心干涸的湖床上。1974年湯姆?沃爾夫（Tom Wolfe）的《太空英雄》一書以及1983年的同名電影，讓這個(gè)場(chǎng)地聞名于世。這也是1947年查克?葉格（Chuck Yeager）首次突破音障的地方，還是航天飛機(jī)的初始著陸點(diǎn)。

我們小心翼翼地使用經(jīng)過(guò)整飭的部分湖床，這是愛(ài)德華茲飛行測(cè)試項(xiàng)目的備用跑道。雖然不會(huì)離開(kāi)地面，但我們依然必須像對(duì)待飛行器一樣，對(duì)我們的非常規(guī)測(cè)試平臺(tái)采取所有防范措施，以盡量減少對(duì)湖床的損壞并避免留下任何碎片，因?yàn)檫@些可能會(huì)對(duì)以后在這里進(jìn)行緊急降落的飛行器造成損害。

確認(rèn)所有的電池和電力電纜就緒，儀表系統(tǒng)可以記錄數(shù)據(jù)以后，我們的測(cè)試開(kāi)始：以約130公里/小時(shí)的速度駕駛卡車，卡車上的機(jī)翼以不同的角度傾斜，螺旋槳以不同的速度旋轉(zhuǎn)。風(fēng)洞可以提供精準(zhǔn)控制的測(cè)試條件，而我們不得不基于測(cè)試車輛的地面速度和我們?cè)诟珊院粗蟹胖玫膸讉€(gè)氣象站測(cè)出的風(fēng)速來(lái)估算空速。為了最大限度地降低誤差和環(huán)境變化，我們?cè)陲L(fēng)最為平靜的黎明開(kāi)始測(cè)試。另外我們還不得不避開(kāi)那些其他飛行器需要用跑道進(jìn)行緊急降落的日子，比如說(shuō)，如果遇上NASA測(cè)試其X-56A無(wú)人機(jī)和空軍測(cè)試洛克希德馬丁F-35閃電II戰(zhàn)斗機(jī)，我們就需要等待很長(zhǎng)時(shí)間。

在沙漠中度過(guò)兩個(gè)月后，我們收集了足夠的數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行全面復(fù)核。我們高興地看到預(yù)期中的性能提升。實(shí)際測(cè)試表明，我們對(duì)產(chǎn)生升力的預(yù)測(cè)有點(diǎn)保守。我們的電動(dòng)吹氣式機(jī)翼確實(shí)可行！

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基于這些鼓舞人心的結(jié)果，NASA決定用一架新的實(shí)驗(yàn)飛行器進(jìn)一步探索吹氣式機(jī)翼概念。該飛行器與我們?cè)贚EAPTech項(xiàng)目中使用的一樣，即Tecnam P2006T。它將被稱為X-57麥克斯韋，是十多年以來(lái)NASA的首架試驗(yàn)飛機(jī)。

對(duì)于X-57，我們以多種方式進(jìn)行了改造。舉例來(lái)說(shuō)，X-57將使用一種稍大的機(jī)翼。這種改變將為線路安裝提供足夠的內(nèi)部空間，但更重要的動(dòng)機(jī)是為了改善“懸停”（loiter）性能。雖然機(jī)翼增大，飛行給定距離所需的能量會(huì)增加，但在給定時(shí)間內(nèi)在空中停留所需的能量是下降的。例如，當(dāng)飛行器必須在機(jī)場(chǎng)上空盤旋等待天氣好轉(zhuǎn)后降落時(shí)，這一點(diǎn)就非常重要。

我們還決定將前緣螺旋槳的數(shù)量從18減到12，在簡(jiǎn)單與性能之間，這是更好的折中方案。另外，起飛速度稍稍降低至58節(jié)（107公里/小時(shí)），這更接近同類飛行器的速度。我們?yōu)椤巴七M(jìn)器”設(shè)計(jì)的兩個(gè)翼尖螺旋槳，從機(jī)翼后面移到了機(jī)翼前面，當(dāng)飛機(jī)機(jī)頭上升時(shí)，可提供更大的降落離地間隙。

X-57麥克斯韋的建造現(xiàn)在正在進(jìn)行。Tecnam P2006T原型機(jī)將分階段進(jìn)行改造。可能還有不到1年的時(shí)間，該飛機(jī)就可進(jìn)行首次飛行，2個(gè)安裝在機(jī)翼上的引擎將被2臺(tái)電動(dòng)機(jī)取代，無(wú)須改造機(jī)翼。下一階段將把原來(lái)的機(jī)翼?yè)Q成小機(jī)翼，為了提高效率，2臺(tái)電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)向外側(cè)移動(dòng)到翼尖。（在這項(xiàng)改造后，飛機(jī)會(huì)需要更長(zhǎng)的跑道進(jìn)行起飛和降落。）在最后階段，將沿著前緣增加12個(gè)更小的電動(dòng)機(jī)，飛機(jī)可在傳統(tǒng)跑道上起飛和降落，同時(shí)保持較小機(jī)翼獲得的飛行效率。

X-57的飛行測(cè)試將幫助NASA的工程師評(píng)估該配置的性能和實(shí)用性。這些測(cè)試也有助于指導(dǎo)即將到來(lái)的下一代分布式電力推進(jìn)的設(shè)計(jì)。我和喬比飛機(jī)制造公司的同事已經(jīng)完成了一項(xiàng)將類似原理應(yīng)用于11座客機(jī)的可行性研究。

翼尖螺旋槳和吹氣式機(jī)翼并不是最近得益于電力推進(jìn)技術(shù)而實(shí)用化的唯一策略。還有一個(gè)例子是，我和喬比飛機(jī)制造公司的同事正在開(kāi)發(fā)一種五座電動(dòng)飛行器，它使用傾斜螺旋槳進(jìn)行垂直起飛，然后轉(zhuǎn)變?yōu)檎５娘w機(jī)飛行姿態(tài)，這比直升機(jī)巡航更快、更高效。

今天大多數(shù)飛機(jī)和直升機(jī)看起來(lái)和幾十年前的機(jī)種非常相似，但正如這項(xiàng)工作所表明的，這即將改變。由于電力推進(jìn)的靈活性，航空業(yè)在設(shè)計(jì)方面即將經(jīng)歷自噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)問(wèn)世以來(lái)最偉大的復(fù)興。做好準(zhǔn)備吧，別忘了系好你的安全帶。