NASA探讨针对UAM应用的VTOL飞行器机翼设计方向

在城市空中交通(UAM)参考飞行器的机翼设计中，基准技术以材料、结构与气动性能为核心，明确以2020年达到技术成熟度(TRL)5为目标，为后续技术研发提供稳定基准。

材料与结构层面，基准机翼采用碳纤维复合材料制造，具体运用三明治面板与共固化或粘接工艺，仅在必要位置使用少量辅助紧固件，整流罩与次要结构同样采用复合材料，在保障结构强度的同时实现轻量化。材料选择上，假定使用中模量碳纤维与热压罐工艺，二者目前已实现商业化量产且应用广泛，为机翼制造提供成熟支撑。

机翼主扭矩盒、翼梁帽等关键承重部件采用共粘工艺，由定制化单向或编织碳纤维复合材料分层构成，分层设计依据机翼组件的刚度需求确定。以RVLT N+1参考飞行器为例，其机翼重量通过参数化分配，并引入技术系数以体现复合材料结构相较于经验回归数据集中主流铝合金结构的优势。结构动力学特性决定机翼所需刚度，后续将通过有限元分析对候选复合材料铺层开展更详尽的综合分析。美国陆军联合多任务技术演示项目(JMR TD)中的V-280 Valor飞行器，便是此类结构的典型实例，目前已通过飞行测试达到TRL 6水平，验证了该基准结构技术的可行性。

气动设计方面，机翼翼型需具备良好的被动控制性能，包括部分层流特性、平缓失速特性，以及在存在污染物时性能无剧烈衰减的能力——例如雨水、冰层等污染物可能缩小层流范围，但翼型需避免气流突然分离与升力骤降。NASA为通用航空研发的LS(1)-0421翼型，因适配UAM飞行器的飞行速度与运行范围，被假定为代表性机翼翼型，为机翼气动性能提供可靠保障。

偏折滑流技术是实现垂直起降(VTOL)的创新路径，核心原理是通过部署机翼襟翼，将推进器产生的滑流向下方偏转，使作用于飞行器的合力呈垂直向上方向以实现垂直起降；飞行器升空进入巡航阶段后，襟翼收起以降低飞行阻力。该技术的显著优势在于，无需采用分离式升力与巡航推进器，也无需对机翼和/或推进器进行机械倾斜操作，即可实现垂直起降与机翼承载巡航飞行的无缝衔接，大幅简化飞行器结构设计与飞行控制逻辑。

20世纪50至60年代，偏折滑流襟翼用于VTOL的研究已启动。美国国家航空咨询委员会(NACA)兰利航空实验室在此期间开展大量风洞试验：库恩(Kuhn)研究不同襟翼和缝翼配置下螺旋桨吹送机翼的气流偏转效果(见图1(a))；柯比(Kirby)探索带有双缝襟翼的双翼机翼应用潜力(见图1(b))；托斯蒂(Tosti)针对采用全翼展襟翼和机翼上方8个可伸缩导流片的四推进器飞行器模型，开展稳定性与操控性研究(见图1(c))。

图1 20世纪50年代在兰利航空实验室开展的风洞试验示例

这些试验取得关键成果：在不同配置及地面效应影响下，实现推进器推力轴上方64°-90°的合力偏转角度，合力大小达推力的80%-90%；通过将推力轴降至机翼前缘下方四分之一直径处，或在机翼上方加装辅助导流片，有效降低偏折滑流带来的大幅俯仰力矩；机翼端板则提升了气流偏转角度与最终升力。

瑞恩航空公司为美国陆军研发的瑞恩VZ-3偏折滑流V/STOL飞行器(见图2(a))，于1957-1963年在NASA艾姆斯研究中心完成飞行测试。该机型采用双缝襟翼与机翼端板，配备涡轮发动机驱动机翼前后的对转螺旋桨，起落架兼顾三轮式与尾轮式，尾轮着地时螺旋桨轴与机翼呈机头朝上姿态以优化推力与气流偏转效果。低速滚转控制通过螺旋桨差动变距实现，低速俯仰与偏航控制依赖尾部推力转向器(仅高功率状态下有效，需借助发动机排气)。

测试中，该机在高空实现0-80节空速范围，但受螺旋桨滑流再循环引发的不利地面效应影响，无法在低于15英尺高度、20节速度以下运行；加装前缘缝翼后下降特性显著改善——此前因机翼失速，即便高功率吹送机翼，低速大角度下降飞行也难以实现；小逆风条件下可实现地面效应悬停，但阵风与侧风会导致难以控制的突然俯仰、滚转与侧滑。总体而言，VZ-3展现出良好的短距起降(STOL)特性，但垂直起降操作仍存诸多挑战。

图2 历史上的偏转滑流飞行器

20世纪50年代末，费尔柴尔德VZ-5与罗伯逊VTOL两款偏折滑流V/STOL飞行器相继问世(见图2(b))，均完成系留飞行，但后续研发未继续推进。其中VZ-5采用机翼安装四推进器设计，配备两个独立尾桨用于俯仰与偏航控制，两款机型的机翼均集成双缝襟翼与前缘缝翼，并通过起落架调整地面停放时的机翼迎角。

目前，偏折滑流飞行器尚未实际应用于VTOL操作，但分布式电力推进(DEP)、先进控制系统等近期技术突破，为解决过往难题、推动其VTOL应用创造可能。例如，DEP技术可实现高功率重量比(P/W)电动马达的独立控制，使尾部控制动力不再依赖机翼吹送动力；先进控制系统能提升飞行器对风扰动的响应能力；先进材料助力优化翼型设计，并支持双翼或串翼布局(可改善俯仰力矩特性)；先进计算气动求解器的应用，也大幅提升了悬停与过渡飞行阶段吹送机翼的分析精度，为技术优化提供强大模拟工具。

偏折滑流飞行器可为UAM带来多维度提升：一是简化VTOL实现方式，省去机翼或推进器机械倾斜机构、分离式升力-巡航推进器，在巡航效率、重量控制、噪声降低、可靠性与可维护性上获益，并优化过渡飞行安全性；二是具备可选STOL能力，该能力可延长飞行器续航里程或增加有效载荷，使UAM飞行器覆盖郊区、乡村等近程VTOL概念难以抵达的区域，拓展市场覆盖范围。

偏折滑流技术的核心目标，是在无需通过机械旋转机翼或推进器实现垂直与巡航飞行过渡的前提下，兼顾高效机翼承载巡航与VTOL/STOL能力。未来可通过在机翼设计中整合更多气动技术优化该技术：被动流动控制技术(如涡流发生器、机翼栅栏)需适配全飞行阶段需求；主动流动控制技术(如吹吸气流)可根据不同飞行阶段调整，提升操控性；双翼、串翼、鸭翼或加大尾翼等不同机翼布局，能改善俯仰力矩特性；推进器数量与尺寸优化方面，VZ-3在1.5倍推进器直径高度出现滑流再循环地面效应，采用多小直径推进器可能减少该效应并扩大机翼吹送范围，但需权衡其对气流偏转效果的影响。

共流射流作为一种主动流动控制技术，通过机翼内置微型压缩机实现前缘吹气与后缘吸气，相关研究显示，在4.8 m/s来流条件下，该技术应用于非吹送机翼时，最大升力系数可达8.6(经计算流体动力学(CFD)与风洞试验验证)。后续针对螺旋桨滑流中静态共流机翼的CFD与风洞测试，将进一步验证其对VTOL操作的增益潜力。此外，上述诸多技术可借鉴STOL动力升力技术的过往研发成果，以及NASA X-57等机型对吹送机翼的当前研究，部分技术还可能改善噪声特性，但设计人员需在复杂度与性能间权衡，同时考虑雷诺数相关的缩放效应(如共流技术需适配可容纳微型压缩机的机翼尺寸)。

如有更多咨询

请联系要点纵航工作人员！

要点纵航工作人员微信

来源：公开信息，要点纵航整理

提示：原创文章未经允许，请勿转载

免责申明：本文中所含内容乃一般性信息，包含的价格及观点仅供贵方参考，要点纵航不对任何方因使用本文内容而导致的任何损失承担责任。

要点纵航专注于低空经济和eVTOL技术的发展，识别并研究行业的关键障碍及相关需求。我们通过提供数据、分析和见解，与行业参与者共同致力于实现安全、可持续、低成本且可及的变革性城市空中出行方式。一公里的地面交通只能带您走一公里，而一公里的空中飞行可以带您到任何地方！

如您想获取更多关于eVTOL技术的最新消息，请添加相关人员或通过电子邮件，把您的要求发送给我们。