我清楚地记得2013年12月那天在 我公司位于圣克鲁斯山区的总部，当我们与航空航天局的研究人员会面，计划测试电动飞机的新型螺旋桨配置时。不知何故，我们的Joby Aviation团队，宇航局的研究人员以及来自加利福尼亚州另一家小型企业的同事们在我们的会议开始之前集思广益，进入了一个比我们任何人预期的更加雄心勃勃的计划。
我们没有建造和测试比例模型，而是决定建造一个足够大的机翼，足以举起一架四座客机。并且它不会有两个或四个，而是沿着前缘排列的十几个或更多个单独的电动机和螺旋桨。我们可以通过将它安装在皮卡车上来测试一个更小的机翼。一个全面的机翼需要更精细的东西。该项目需要在不到一年的时间内完成，预算小到足以让大多数公司扭亏为盈。但是我们承诺了。
我们的新颖配置基于一个古老的概念：这个被称为“吹翼”的想法 – 使用沿着前缘安装的许多电机和螺旋桨，在机翼上高速推进空气。通常，这种气流的速度与飞机的移动速度大致相同; 这就是为什么飞机在起飞前需要加速的原因。但是，由于许多螺旋桨高速向它吹过空气，机翼表现得好像它的行驶速度比它实际上快，提供更大的升力。
这是一个关键的优势，因为有更大的升力，你可以使用更小的机翼，否则需要非常长的跑道，以便飞机可以高速起飞和降落。当飞机快速行驶并且仅需要小翼以提供必要的升力时，飞行中的情况是不同的。在飞行阶段，较大的机翼是一个缺点，因为阻力作用在机翼的整个区域，降低了效率。
那么飞机设计师应该选择什么：大翼还是小翼?起飞和着陆的考虑通常决定当天，所以飞机最终会有太大而无法有效巡航的机翼。较大的机翼也意味着飞机在遇到湍流时会被更多地抛掷。
吹翼为这个难题提供了解决方案。在起飞和着陆期间，空气可以以更高的速度吹过机翼，提供额外的升力而不会牺牲巡航性能。尽管过去已经开发了一些带有吹翼的飞机，但推进用内燃机限制了它们的设计者可以走多远。他们不得不使用相对较少的大型螺旋桨，这些螺旋桨不适合高速推进空气。
在翼展范围内分布大量小型螺旋桨会更有效，但对于大多数航空历史来说，这种安排是不切实际的。
问题是内燃机的效率和比功率(功率输出与重量之比)随着它们的缩小而直线下降。因此，使用大量较小的发动机会导致效率较低且较重的飞机。
更重要的是，内燃机是复杂的野兽。因此将大量机翼放在机翼上会造成维护噩梦。确实，一系列螺旋桨可以由连接到单个发动机或可能少量发动机的传动轴和变速箱系统驱动。但是，这种方法也会产生额外的维护问题，并迫使各种设计妥协，正如法国公司宝玑航空公司在20世纪60年代发现的短寿命941型号使用了吹制翼。
当然，改变图景的是电力推进的最新进展。电动机在按比例缩小时不会放弃很高的效率或特定的功率。而且它们非常简单 – 通常只有一个活动部件 – 所以它们只需要很少的维护。结果，使用大量小型电动机几乎没有缺点，这些小型电动机可以放置在飞行器上的位置，在该位置，内燃机将是不切实际的笨重或笨重的，例如在翼尖附近。
虽然电动机可以由燃烧动力发电机驱动，但如果飞机是电池供电的话，其优势甚至更大。实际上，电池 – 电力推进的效率大约是典型的内燃机动力传动系的三倍。它也更安静了。而且由于电力成本远低于航空燃料，这种双管齐下的攻击 – 增加了更高效的动力传动系统，加上更高效的机身，因为更小的机翼 – 承诺削减运营成本，特别是考虑到减少维护需求。
那么为什么不是所有的飞机电池供电?因为，当然，电池还没有完成任务。即便是今天最好的能量含量非常高，严重限制了电动飞机的射程。而且他们有时容易起火，一些评论员推测这可能是导致今年5月匈牙利电动飞机发生致命事故的原因。但电池技术无疑会随着时间的推移而改善。因此，NASA，Joby Aviation和许多其他公司正忙于探索设计电动飞机的各种策略。并且恢复被炸翼是其中之一。
五年前， NASA的工程师开始考虑使用大量的电动机来制造一个吹制翼，后来命名LEAPTech项目，用于前沿异步螺旋桨技术。(该名称的“异步”部分指的是螺旋桨不一定都以相同速度旋转的可能性。)
Joby Aviation是一家于2009年成立的开发个人电动飞机的初创公司，它已经与NASA合作。当我的Joby同事和我了解LEAPTech时，我们抓住机会参与其中。LEAPTech的合作是经验系统航空航天公司(ESAero)，这是另一家与NASA合作研究电动推进如何改善飞机性能的小型企业。
NASA希望通过对机翼和螺旋桨的实际测试来审查这个想法，部分原因是相关的空气动力学效应非常复杂，因此计算流体动力学或CFD模拟它们可能不是完全值得信赖的。另一个问题是，这种分布式推进系统可能变得过于复杂，无法在真实环境中可靠地运行。
航空航天局正在设想的测试结果将显示一个带有电动前缘螺旋桨的小于正常的机翼是否可以产生足够的升力，以允许四架飞机以合理的速度起飞。通常，这种测试将在风洞中完成。但租用这样一个风洞将超过宇航局为该项目预算的小额预算。此外，适当大小的风洞的等候名单太长了。
因此，我们决定将LEAPTech原型机安装在卡车上并以足够高的速度行驶以分析起飞和着陆性能。这样的测试并非没有先例。也许最着名的是，Scaled Composites对其SpaceShipOne太空飞机的尾部进行了类似的测试，其工程师开玩笑地称其为创新福特驾驶的CFD。多年来，Joby一直在进行类似的测试，配备福特F-150 Lightning皮卡。
在我们决定建立和测试全面的LEAPTech翼的2013年会议后不久，我们分娩了劳动力。Joby将与航空航天局合作进行设计，同时建造机翼，电机和螺旋桨，它将修改一辆合适的卡车进行测试。ESAero将进行布线，配置所需的仪器，并对测试设置进行故障排除。
航空航天局的初始设计草图上有一个机翼，有10个前缘和螺旋桨用于起飞和降落，另外还有两个单独的螺旋桨安装在每个翼尖上，以便在起飞后为飞机提供动力。将螺旋桨放在翼尖上 – 它们可以通过抵消翼尖漩涡来减少阻力- 这是另一个没有电力推进很难实现的老想法。燃烧发动机太大而且太重而不能构成翼尖，并且在机翼中使用传动轴和齿轮箱来在尖端处转动螺旋桨会产生工程上的麻烦，就像它对于前缘螺旋桨一样。
经过几个月的分析问题，我们得出了一个设计的翼，跨度约9米，面积约5平方米。它将有一系列18个螺旋桨，每个直径约半米，沿着机翼的长度分布。总共有18台电机提供了225千瓦或300马力的功率。
虽然这种机翼仅用于地面测试，但我们在设计时考虑了特定的应用：基于Tecnam P2006T四座双引擎螺旋桨飞机的实验飞机。我们之所以选择P2006T，是因为它的尺寸很好，因为它装有机翼式发动机(意味着用电动机代替它们会很简单)，而且Tecnam的管理人员对这个项目很感兴趣。
我们设想的实验飞机重约1,400公斤，以61节(113公里/小时)的速度起飞，同时以174节(322公里/小时)的速度巡航。在飞机起飞和离开后，只能使用翼尖螺旋桨。在起飞和着陆期间需要前沿螺旋桨。因此，我们设计后者，使其叶片在飞行的其余部分可以与其机舱齐平地折叠，使得它们类似于在一些现代机动滑翔机中使用的折叠螺旋桨。但由于我们的测试仅限于测量起飞和着陆性能，测试翼将既不包括翼尖螺旋桨也不包括折叠机构。
这些规格使我们的设计与四座螺旋桨飞机的设计相当，但机翼更小。实际上，我们的机翼尺寸仅为传统飞机尺寸的三分之一。无论如何，在纸面上，它仍然可以为正常速度着陆和起飞提供足够的升力。我们的责任是证明这种猜测与现实相符。
为此，我们购买了一辆彼得比尔特(Peterbilt)卡车 – 你可能会看到拖着拖车拖着高速公路行驶的那种卡车。在它上面，我们构建了支撑，将机翼安装得足够高，以最大限度地减少下面地面的空气动力学效应。为了减少振动，我们使用四个坚固的安全气囊将机翼连接到卡车上。巨型有翼卡车看起来很奇怪，但这正是这项工作所需要的。
设计和建设工作后完成，我们在NASA的最大的飞行测试设施中，开始了我们的干湖床试验尼尔·阿姆斯特朗A.飞行研究中心，在爱德华兹空军基地在加利福尼亚州的莫哈韦沙漠。汤姆沃尔夫1974年的着作“正确的东西”和1983年的同名电影使这个地方成名。这是Chuck Yeager在1947年首次打破音障的地方，它是航天飞机的原始着陆点。
我们正在使用经过精心修饰的湖床部分作为目前正在爱德华兹进行的飞行测试计划的备用跑道。虽然它永远不会离开地面，但我们不得不像飞机一样对待我们的非常规测试平台，并采取所有相同的预防措施，以尽量减少我们伤害湖床或留下碎片的可能性，以后可能会损坏飞机造成紧急情况降落在那里。
一旦我们将所有电池和电源线都固定好并且我们的仪表系统记录了数据，我们就开始了我们的测试，这需要以高达130公里/小时(80英里/小时)的速度驾驶卡车，机翼以不同角度倾斜并且螺旋桨开始以各种速度旋转。风洞可以提供精心控制的条件，而我们必须根据测试车辆的地面速度和我们放置在干涸湖泊周围的几个气象站测量的风速来估算空速。为了最大限度地减少错误和变化，我们从黎明开始，当时风是最平静的。我们还必须找到其他飞机不太可能需要我们的跑道进行紧急着陆的日子，这意味着在NASA测试其X-56A时需要等待很多时间无人机和空军测试了洛克希德马丁公司的F-35闪电II战斗机。
在沙漠中度过了两个月之后，我们收集了足够的数据来全面检查我们的计算机模拟。我们很高兴看到预期的性能提升。实际上，测试表明我们对可能产生的升力的预测有些保守。我们的电动翼确实有效!
基于这些令人鼓舞的结果，航空航天局决定用新型实验飞机进一步探索飞翼概念，该飞机基于我们在LEAPTech项目Tecnam P2006T期间研究的同一架飞机。它将被称为X-57麦克斯韦尔，这是十多年来首次试飞的宇航局X-Plane。
对于X-57，我们以各种方式修改了设计。首先，X-57将采用略大的机翼。这种改变将为安装布线提供足够的内部空间。但更重要的动机是提高“ 游荡 ”性能：虽然行驶一定距离所需的能量随着机翼的增大而增加，但在空气中停留一段时间所需的能量实际上会下降。例如，当飞机必须在等待天气改善降落时绕机场时，这一点很重要。
我们还决定将前沿螺旋桨的数量从18个减少到12个，我们认为这将是简单性和性能之间的更好折衷。此外，起飞速度略微降低至58节(107公里/小时)，这更像是同类飞机的速度。我们设计用于“推动器”配置的两个翼尖螺旋桨从机翼后面移动到它前面，以便在飞机机头上升时提供额外的着陆间隙。
X-57麦克斯韦的施工正在进行中。最初的Tecnam P2006T将分阶段进行修改。对于首次飞行，距离可能不到一年的时间，这两个安装在翼上的发动机将被两台电动机取代，而无需改动机翼。下一阶段将把原来的机翼更换为更小的机翼，两个电动机向外侧移动到翼尖，以提高效率。(经过这次修改后，飞机将需要更长的跑道起降。)最后阶段将增加12个沿前缘间隔的小型电动机，使其能够在典型的跑道上起飞和降落，同时保持效率。较小的翼。
X-57的飞行测试将帮助NASA工程师评估此配置的性能和实用性。这些测试还将有助于指导即将到来的下一代分布式电力推进系统的设计。我的Joby同事和我已经完成了一项研究，研究了将类似原理应用于11座客机的可能性[PDF]。
Wingtip螺旋桨和吹翼不是新推出的电动推进技术的唯一策略。另一个例子，Joby和我的同事们正在开发一种五座电动飞机，它使用倾斜螺旋桨垂直起飞然后过渡到正常的飞机飞行，使其比直升机更快更有效地巡航。
今天的大多数飞机和直升机看起来与几十年前的模型非常相似，但正如这项工作表明的那样，即将发生变化。由于电力推进的灵活性，航空业自喷气发动机问世以来即将经历设计的最大复兴。所以要做好准备，不要忘记系好安全带。
