美国宇航局计划今年试飞其实验性电动飞机

今年晚些时候——也许是今年夏天，也许是今年秋天——NASA 的电动飞机 X-57 将在加州试飞。NASA 称其为“首架全电动实验飞机”，当它起飞时，它看起来与 NASA 网站上的描述并不一样。

该飞机将只配备两台电动机和螺旋桨，而不是多达 14 台。但这两台电动机由机身内 5,000 多个圆柱形电池供电，应该足以在 2023 年结束之前让飞机升空，届时 X-57 项目也将停止运行。

以下是有关该飞机的工作原理、该计划面临的挑战以及如何借鉴太空飞行的经验来详细说明其电池系统的信息。

修改 2

如果该飞机今年确实按计划试飞，它将采用一种名为“改进 2”的形式，即在每个机翼上安装一个电动机和螺旋桨，为飞机提供飞上天空所需的推力。

虽然美国航空航天局曾希望试飞这架基于 Tecnam P2006T 的飞机，但这种尝试不会实现。原因何在？因为制造一架仅靠电力就能安全飞行的飞机很难，而且该项目的资金只到 2023 年。（IEEE Spectrum 上有更多关于该项目最初计划的信息。）

“这些年来，我们学习了很多东西，我们本以为会通过飞行测试来学习，但事实证明，我们在设计、集成和适航认证步骤中有很多教训需要学习，所以我们最终花费了更多的时间和资源。”美国宇航局 X-57 项目首席研究员肖恩·克拉克 (Sean Clark) 说。

“这非常有价值，”他补充道。“但这意味着我们最终将没有资源进行 Mod 4 [或 3] 飞行。”

它仍将作为全电动飞机飞行，但采用 Mod 2 形式，配备两个发动机。

爆炸的晶体管

在飞机安全起飞之前，团队必须解决的一个问题与电池中的电流在到达发动机之前必须经过的部件有关。问题出在逆变器内的晶体管模块上，逆变器将直流电转换为交流电。

“我们使用的是封装中装有多个晶体管的模块——它们的规格能够承受我们预期的各类环境，”克拉克说。“但每次我们测试它们时，它们都会失败。我们的环境测试室中晶体管会爆炸。”

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部件故障（例如某台设备爆炸）是飞机制造商喜欢在地面解决的问题。克拉克说他们已经解决了这个问题。“我们对它们进行了大量分析——爆炸后，很难知道哪里出了问题，”他轻松地说道，就好像一位工程师面临着一个棘手的问题。解决方案是更新硬件并“从头开始重新设计逆变器系统”，他指出。

他补充道，现在它们“运行得非常好”。“我们已经对整套设备进行了资格认证，它们全部通过了。”

太空经验

传统飞机燃烧化石燃料来为发动机提供动力，而化石燃料显然是一种易燃易爆的物质。那些在电池供电的电动飞机上工作的人员也需要确保电池不会引发火灾。例如，去年在堪萨斯州，联邦航空管理局赞助的一项测试将一组航空电池从 50 英尺高处扔下，以确保它们能够承受撞击。结果它们确实做到了。

X-57 使用的电池是三星生产的 18650 电池。飞机使用了 5,120 块电池，分为 16 个模块，每个模块有 320 块电池。克拉克说，单个模块（包括电池和包装）重约 51 磅。诀窍是确保所有这些组件都以正确的方式包装，以避免起火，即使一块电池出现故障。换句话说，故障是一种选择，但他们计划管理任何故障，以免引发火灾。“我们发现，没有关于如何将这些电池封装成高压、高功率电池组的行业标准，这也将保护它们免受电池故障的影响，”克拉克说。

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帮助来自上级。“我们最终根据 NASA 空间站设计团队的部分成员的意见重新设计了电池组，”他补充道。他指出，国际空间站上的锂电池以及宇航员使用的舱外航天服和一种名为手枪式握把工具的设备就是这一过程中的相关例子。关键点涉及电池单元之间的间距，以及如果某个电池发生故障（例如热失控），如何处理热量。“约翰逊 [航天中心] 团队发现，最有效的策略之一是让该电池的热量进入铝结构，同时也让周围的其他电池各自吸收一点热量，”他解释道。

美国宇航局并不是唯一一家探索电动航空前沿的公司，电动航空代表着航空业在短途飞行中更加环保的一种方式。其他从事该领域的公司包括 Beta Technologies、Joby Aviation、Archer Aviation、Wisk Aero 和 Eviation（该公司拥有一架名为 Alice 的飞机）。其中一家知名公司 Kitty Hawk 已于去年倒闭。

今年某个时候，X-57 将进行首次飞行，很可能进行多次飞行。“我仍然对这项技术感到非常兴奋，”克拉克说。“我期待着我的孩子们能够在 10 到 15 年后乘坐电动飞机进行短途飞行——这将是航空业迈出的真正伟大的一步。”

请观看下面有关该飞机的简短视频：