【导读】2019年12月，空客宣布Vahana eVTOL验证机完成所有飞行和测试科目，项目圆满结束。该项目作为空客进军UAM市场的第一款验证机，成功实现了全电动垂直起降飞行和自主飞行，并提高了对eVTOL商业模式的认识，为空客继续深耕UAM市场奠定了良好的基础，同时也给其他相关方提供了有益的借鉴。

中国航空工业发展研究中心的穆作栋博士对Vahana项目进行了全面了跟踪、分析和总结，我们将分3期刊登穆博士的文章，供读者参考。今天将刊登最后一期，介绍Vahana演示验证机的飞行测试过程，梳理项目发展的主要里程碑，并对项目进行总结。

一、飞行试验过程分析

Vahana全尺寸验证机自2018年1月31日完成首飞以来，在俄勒冈州彭德尔顿无人机系统基地累计完成138次飞行试验。全尺寸验证机的飞行试验目的有二：其一是由于尺寸缩比和结构气动弹性等因素的影响，缩比验证机飞行试验不能完全表征飞行器的特征，全尺寸验证机飞行试验用于最终确认系统设计与性能；其二是采集相关飞行数据以改进模型和设计工具。

为了保障全尺寸验证机飞行试验的开展，采用了数值模拟与缩比验证机先行验证的研究方法，全尺寸验证机的每项试飞任务开展前，均进行任务仿真模拟和缩比验证机试验，以确认控制逻辑和试验任务的合理性，任务过程中完成的缩比飞行试验逾千次。

1.试验方案概况

Vahana飞行试验的流程与传统飞机试飞类似，首先开展地面测试、验证系统特性，随后相继开展悬停、模态转换、巡航等一系列状态测试，并逐步增大飞行测试包线（包括高度、速度、转弯速率等），资料显示试飞中至少选取了12种巡航速度开展测试（设计巡航速度190千米/小时以下），用于验证从悬停到巡航之间的状态稳定性。

与传统飞行试验的主要区别有2点：

• 电池更换对飞行试验的影响

由于采用全电推进，且电池能量密度较低，试飞过程中需要充电。为了提高试验效率，Vahana电池组的更换工作可在10分钟内完成，使用定制推车装卸电池组，卸下的电池组可通过电动汽车充电桩进行充电。

• 自主驾驶对飞行试验的影响

飞行测试任务基于预定义的飞行计划，由一系列飞行任务段构成，在任务段内指定相应的飞行状态（包括位置和速度）。飞行测试前，需要针对所有飞行计划开展仿真验证，具体的方法包括非线性仿真、硬件在环仿真、蒙特卡洛仿真等。

图 16飞行计划蒙特卡洛仿真算例示意（图片来源：Matt Deal）

为了应对飞行试验中可能出现的意外，飞行计划中设计了应急预案，主要包括3类：

• 返回初始起飞位置并降落；

• 立即降落；

• 启动降落伞。

飞行试验团队一般由7名工程师组成，包括常驻彭德尔顿无人机系统基地的研究人员以及每周轮岗的人员，人员构成如下：

• 主管，负责协调和完成试验；

• 飞行操作员，负责向验证机发出有限的指令，例如：加载飞行计划、执行飞行前检查、命令起飞。在紧急状态下负责执行紧急预案程序；

• 安全员，对使用中的空域进行监督；

• 地勤人员，负责地面拖拽验证机、布置相机等设备；

• 观察员，观测飞行过程，报告异常情况；

• 技术责任工程师，在飞行过程中监控飞行状态，包括：

1）  飞行控制系统，主要关注飞机操控性

2）  弱电设备，主要关注航电设备

3）  强电设备，主要关注电推进系统

下图中白色曲线为飞行试验路径，图示黄点位置为观察员所在区域，紫色箭头标识了机库位置，蓝点位置为移动指挥中心。

图 17试验场地位置

2.试验流程

每次飞行试验均采用相同的标准化流程。

飞行试验前一天，位于加州硅谷的A3中心完成当次飞行控制软件的编写，并上传至验证机；现场人员提前装载电池组并进行验证机飞行前检查。飞行试验主管会进行任务简介，为团队介绍本次飞行试验的目的、对象、内容和方式，并发放试验卡。一般会同时介绍多个飞行计划，争取在同一天内完成多次试验。

图 18飞行试验表格

飞行试验当天的工作开始于清晨，一般而言清晨风速较小，对测量和飞行的影响较低。主管确认空域范围内没有其他飞行任务，根据天气情况和团队准备情况确定是否开展试验。确认试验后，将验证机移至起飞位置，设置音视频记录设备，观察员就位，工程团队到达移动指挥中心，准备开始试验。

图 19移动指挥中心

验证机在试验前需要进行自检，包括弱电控制功能测试（包括机翼、鸭翼倾转，变距风扇，控制舵面）和强电测试（电池管理系统、电机、输配电）。

飞行操作员获得试验开始许可后发送起飞命令，验证机垂直起飞，随后过渡到前向飞行。飞行过程中，责任工程师检测各关键参数。试验科目完成后，飞机减速、过渡到悬停状态，随后降落。

验证机落地后，研究人员将进行飞行后检查，将存储于验证机的飞行数据下载并发送到服务器。飞行计划完成后，会给高压配电线放电，保证地勤人员安全。

完成试验后，主管进行任务情况汇报，试验人员进行技术交流和总结，分析测试数据。

二、演示验证计划主要里程碑梳理

Vahana演示验证计划作为空客A3创新中心的首批项目之一于2016年初正式启动，当年9月项目对外公开宣布，直至2019年11月完成全部研究内容。近4年的研究过程可大致分为2个阶段，2016年与2017年为第一阶段，主要开展研究团队组建、技术与经济可行性分析、方案设计和验证机加工装配等工作；2018年至2019年为第二阶段，主要开展飞行试验研究。

1.第一阶段主要里程碑

• 2016年9月，Vahana项目对外公开宣布

在项目对外公开时，研究团队已完成概念方案设计等多项重要研究内容。在A3创新中心建立了由18名研究人员组成的Vahana项目组，完成了技术和经济可行性研究，包括上文整理的构型权衡设计。

研究团队确定了概念方案，并邀请来自业界和空客公司内部的专家进行了方案审查。在方案确定后，推进了飞行器空气动力学设计和工业设计，制造了2架缩比验证机Omega1/2并完成试飞。

关键子系统的设计和采购也已经开展，同时选定了全尺寸验证机加工制造的合作方。

总体而言，2016年9月项目对外公开时，全尺寸验证机已进入结构加工与系统开发阶段。

图 20研究初期进行结构和模态分析的全机有限元模型（图片来源：ZachLovering）

• 2017年2月，地面试验台“木鸟”交付

2017年伊始，研究团队注册了2架全尺寸验证机的尾号，分别为N301VX和N302VX，其中301和302表示对空客3X0系列飞机的继承，V表示Vahana项目，X表示验证机。

完成缩比验证机Omega3的制造，并完成了闭环控制飞行。

完成应急机制单元，该单元在紧急情况下会断开强电系统并开启飞机降落伞。

研究团队完成了全尺寸地面试验台，类似于“铁鸟”，这一试验台被命名为“木鸟”（Wooden bird）。利用该试验塔可开展硬件布局设计、配电网络设计。

图 21“木鸟”试验台和机翼、风扇毂结构（图片来源：Zach Lovering）

• 2017年9月，首架全尺寸验证机系统集成

最先交付的结构件是前机翼部件，于2017年3月完成交付；同期交付的还有变距风扇毂。系统方面，交付了用于训练避障系统模型的数据集和近地自主降落评估传感器。

随后2017年4月对前机翼开展了载荷试验，包括+ 3.8g和-1.5g的飞行条件试验以及4g着陆条件试验，同月完成了起落架初步设计审查和风扇500RPM转速测试，此时风扇达到最大转速的15%。系统方面，空客防务与空间公司开始电池组研发工作；研究团队基于大量数据训练了深度卷积神经网络，用于飞行控制系统。

2017年6月，完成了颤振分析，结构设计具有较大的颤振余量。

2017年7月完成了机翼、悬停测试电机等部件在首架机的装配集成工作。次月第二架机的机身也完成了测试与交付。

随后的9月，首架全尺寸验证机的集成工作全面完成，包括航电设备、配电、作动器等在内设备全部集成到验证机上。

图 22系统集成（图片来源：Zach Lovering）

• 2017年12月，全尺寸验证机实现地面起动

验证机Alpha 1被运输到彭德尔顿基地并重新装配，准备开展相关试验。研究团队开展了硬件在环飞行模拟。同时通过FAA进行安全审查，以获得试飞许可证（Special AwarenessCertificate）。

Alpha1在地面进行通电测试，电机成功转动，标志着系统正常运行。

图 23验证机Alpha 1运送到彭德尔顿基地（图片来源：Zach Lovering）

2.第二阶段主要里程碑

• 2018年1月，验证机Alpha 1完成首飞

2018年1月31日，验证机Alpha1成功完成首次悬停飞行试验。该次试飞于当地时间上午8:52在彭德尔顿无人机试验场进行，升空5米后安全着陆。整个首飞过程采用全自动驾驶模式，未搭载乘客，共持续了53秒钟。

图 24 Vahana全尺寸验证机完成首飞（图片来源：A³）

• 2018年5月，更换电机后再次完成飞行试验

在首飞完成后的次日（2月1日），验证机Alpha1完成了约1分钟的悬停飞行试验。随后研究团队更换了验证机的电机和控制器。

由于相关更改需要重新获取FAA试飞许可证，因而时隔3个月才继续飞行试验过程。2018年5月2日，飞行试验重新开始，验证机完成试飞。

• 2019年5月，完成首次完整过渡飞行试验

2019年5月3日，Vahana验证机在彭德尔顿基地的第58次飞行试验中首次完成了悬停到前飞的完整过渡。

此次过渡飞行试验中，验证机首先垂直起飞至73米，随后前后机翼倾转，进入平飞状态。再次倾转机翼以减速到悬停状态，随后改变航向180度，再次过渡到平飞状态回到起飞位置，之后再次过渡到悬停状态并降落。在本次试验中，巡航速度达到167千米/小时。

根据研究团队披露的数据，虽然全尺寸飞行试验仅开展了58次，但缩比验证机飞行试验次数已超过1200次。

• 2019年11月，研究计划结束

2019年11月14日，Vahana验证机在彭德尔顿完成了第138次也是最后一次试飞。

三、总结

Vahana演示验证计划通过4年的投入，实现了从需求到概念方案再到全尺寸演示验证的跨越，验证了电推进技术、倾转翼布局、自动驾驶技术的可行性，同时验证了城市空运的商业运营模式，成果极为丰富。

空客公司成立了城市空运部门，Vahana计划的研究成果可以有效指导后续CityAirbus演示验证计划的开展，同时能够有力支撑空客公司在城市空运这一新兴市场的快速发展。在飞行器构型选取过程中，充分应用了多学科优化设计方法，综合考虑了任务模式、技术水平、运营成本等因素，从而有效指导了概念方案设计。在飞行试验过程中，为了应对电推进技术和自主驾驶技术的挑战，采用了缩比试验与全尺寸试验相结合的方法，同时充分利用仿真模拟工具，有效控制了安全性与周期。

（航空工业发展中心 穆作栋）