记录空客飞行汽车Vahana的起点和中点

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记录空客飞行汽车Vahana的起点和中点

2020-03-12 11:41:17 3032

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Vahana花费了将近4年的时间，将一个项目从餐巾纸草图到实现全过渡飞行状态的巨大成就，在整个研发过程中团队开发了三个缩比验证模型用以验证倾转机翼构型的可行性，通过大胆的尝试对电传系统新技术、自主避障系统技术和基于深度卷积神经网络系统模型识别的自主飞行控制技术进行完美的综合验证，在飞行测试阶段不断出现的意外情况包括螺旋桨故障、大雾天气和意外的雪季都没能阻止团队按时完成飞行测试计划，这其中还包括机动飞行动作测试、发动机熄火测试、高速转弯测试和快速爬升测试等非计划性的科目。面对团队最终交出的答卷，值得关注者们给予热烈的掌声，尽管空客对Vahana项目的支持告一段落，但是这同样给了我们更多的期待，期待团队酝酿出下一个成熟的商业之旅。最后让我们一同回顾一下Vahana项目生命旅途中的点点滴滴，包含了无数的艰辛和喜悦。

2016年之组团加论证方向

空客团队第一次着手设计、开发和测试Vahana项目概念时，根据团队设定的开发时间计划确实是一项巨大的任务。团队为了给空客的同事同步了解项目情况，从2017年开始每个月都会发布最新消息。这是一个非常好的方式可以让外界对项目有一个更为直观的认识，同时也可以为团队自身提供一个视角来了解，项目的详细步骤，保证Vahana通过设计，建设和飞行测试。

2016年初，Vahana作为首批空客硅谷创新中心Acubed获批的项目之一正式启动。项目最初是以餐巾纸素描的作为卑微的起点，但是整个项目在最初的一年里以最快的创新步伐向前推动。

截至到2016年9月团队公开宣布Vahana项目时，在项目推动方面已经取得了巨大的进步，包括：

组建了一支18人的队伍
进行技术和经济可行性研究论证
与空客内部和外部专家一起完成设计评审
完成飞机的气动和工业设计
制造和飞行了两架缩比验证模型
研发和采购多个关键飞机子系统
达成负责机身制造的外部合作伙伴

到2016年底，发布了Vahana项目机型配置的研究结果，这项研究筑造了八螺旋桨的倾斜机翼设计方案，即向大家展示的阿尔法一号和阿尔法二号。

2017年之稳扎稳打

结构与模态分析的整机有限元模型

2017年1月

注册VahanaAlpha One和Alpha Two尾号（N301VX和N302VX），选择这两个数字是为了反映空客公司300系列飞机的传统，加上“V”代表Vahana和“X”代表试验。
第一个应急系统模块是用来在紧急情况下断开高压供电系统并启动降落伞的。
前翼的第一个复合材料部件已经完成制造。

2017年2月

本月研发团队的第三个缩比验证模型Omega3完成了研制，并首次实现了闭环控制的安全飞行验证。
交付的全尺寸机身机构正在开展硬件布局、布线和部件系统集成的风险排除。
Motivo完成了变桨螺旋桨的原型，以及用于马达测试的螺旋桨工具。
Vahana小组会见了FAA小型飞机管理局，讨论了新的第23部认证指南、即将发布的电动推进认证标准（ASTM F39.05）、电传系统认证以及感知和避障系统认证。

2017年3月

首个全尺寸机身部件的前翼已经交付。
瓦哈纳的第一次结构测试准备状态评审于3月中旬完成，结构验证测试开始。
剩余的机身工具和第一个变桨螺旋桨桨毂完成。
完成了用于自主避障系统训练的数据采集，并交付了近地自主着陆评估传感器包。

机身结构的队伍（左），前翼结构试验装置（中间），变桨螺旋桨桨毂（右上），Omega3小型飞机悬停（右下角）

2017年4月

前翼的测试，除了本月结束的4g着陆载荷条件外，还包括+3.8g和-1.5g飞行条件的验证载荷，起落架初步设计审查采用同样的飞行条件。
变距螺旋桨的测试转速高达500转/分，达到最高转速的15%。
主要的电池组工程工作由空客国防和航天公司启动。
由于大量的数据注释，深卷积神经网络得到了充分的训练，并为团队提供了初步的结果，可以进行自主悬停缩比模型飞行组件的飞行前评审。

2017年5月

机翼在机身上的装配已经完成，全尺寸机翼交付并进行了结构测试。
对变距螺旋桨进行了高达28%转速的测试。
自主避障相机解决方案完成探测多个物体的训练，现在可以同时探测无人机（>550m）和鸟类（>350m）。

2017年6月

研发团队演示了飞行终止系统的无线激活能力。
缩比飞机完成了第一次自主悬停测试（仅限位置保持）。
飞机颤振分析完成，显示出充足的裕度。

机身总成（左上），有限元模态分析（左下），交付的第一个变距螺旋桨桨叶（中上部），测试螺旋桨（中下部），机翼在机身上装配（右）

2017年7月

本月团队的重点是对主要部件进行最终验证测试，并将这些部件集成到飞行平台中。完成的组件包括电池安装系统、移动指挥中心和用于初始悬停飞行的悬停测试电机。
机身结构载荷测试完成。
雷达已经交付，摄像机视觉系统也得到了改进，已估计目标的大小。
该团队完成了第一次FAA认证规划会议，包括来自A3、空客和APSYS的与会者。

2017年8月

在第二个机身交付和测试后，安装了几个部件，包括机翼、电池系统、低压系统和高压线缆。
该团队将倾斜执行器集成到半实物仿真环境中，并在负载下进行了测试，以验证性能。
小规模飞机测试扩大到包括具有代表性的飞行测试任务和验证飞行控制和软件准备工作。此外，在缩比机上完成了系统识别测试，以验证控制模型足够的相位和增益裕度。

2017年9月

这个团队在本月完成了第一架飞行器的集成工作，包括航空电子设备的最终安装、飞行器上机翼倾斜执行器的测试以及高压线缆的布置。
马达、控制器和固定桨距螺旋桨都经过了平衡和测试，电机和控制器的最终设计由MAGicALL完成。
团队从联邦航空局获得了一份授权证书（COA），允许在Pendleton或UAS靶场驾驶第一架试验验证机。

第一张是生产车间，中间是碳纤维机身，最后一张是测试的螺旋桨

2017年10月

本月，团队接收并安装了起落架，按照最严格的RTCA DO160振动剖面对电机控制器进行了振动测试，飞行测试仪器被集成到Vahana Alpha One中。
此外，对推进装置（电机、控制器、螺旋桨）进行了几个小时的测试，以验证端到端组件的性能。
召开了一次内部安全审查委员会会议，并向联邦航空局和试飞场提交了安全案例和试飞计划。

2017年11月

Vahana阿尔法一号在彭德尔顿重新组装。
航空电子、软件、控制和测试团队合作，使用半物理仿真环境和移动指挥中心进行了飞行模拟测试，而空气动力学团队完成悬停和低速性能分析，包括推进装置故障案例。
使用缩比飞机，通过人为地使发动机失效并使飞行软件自动适应失效状态，证明了飞行器对单一发动机失效的恢复能力。

2017年12月

本月，团队与联邦航空局确认了安全审查的日期，一旦完成，飞行器将获得一个特殊的适航证书开展飞行测试。
交付了两个主要部件，包括MAGicALL的高性能电机（集成控制器）和空客防务和航天公司的电池组。
马达的第一次转动标志着一个重大的团队里程碑，即第一次实现端到端的平台测试，证明了整个全系统的正常工作，标志着后续飞行测试活动的开始。

阿尔法一号的小组在运送到彭德尔顿前不久（左），装入电池（中间），安装推进系统（右侧），彭德尔顿机库的阿尔法一号（右下角）

2018年之飞行探索

2018年1月至2月

1月30日，美国联邦航空局的安全评估顺利完成，第一架Vahana飞机N301VX获得特殊适航证书。
1月31日，天气转好，Vahana完成了第一次飞行测试，在高度5米处悬停了53秒。在第二天，同样进行了类似的飞行测试，以验证某些特定的安全特性。
在2月份其余的时间里，研发小组在继续进行飞行测试之前一直在努力升级发动机系统。

2018年3月

本月的重点是完成MAGicALL马达的特性描述和集成，该马达可以提供更高的效率，实现约50kg的减重和更简化的动力集成。
最后一组起落架已完成生产，并通过降落测试与整流罩进行整合测试。
阿尔法二号完成了起落架、马达支架和完整的布线。
最后，整个团队展示了从悬停到完全机翼的过渡飞行。

2018年4月

4月份，Alpha One的新电机进行了测试（包括低压、高压和通电回归测试），为5月份的联邦航空局安全评估做好准备。该评估将批准飞机飞行测试，并扩大现有的测试范围。
第一个版本的自主避障软件，包括深度卷积神经网络（DNN）系统，被部署到Alpha飞行计算机上，这将允许在飞机的真实振动环境中验证DNN。
就在本月，Fast公司将空客列为世界上最具创新性公司的入围者之一，特别提到了Vahana。

2018年5月

4月底，该小组完成了推进系统升级后所需的所有集成和测试任务，并于5月1日完成了联邦航空局的安全评估，这为团队完成以下测试铺平了道路：
FT03 OGE悬停：5月2日完成，此回归测试用于验证悬停离地效应中所有系统的基本功能，联邦航空局的代表到场见证了这次测试。
FT04悬停耐久性：完成于5月3日，这个OGE悬停测试持续了大约4.5min，让团队深入了解电机、控制器和电池的性能。总的来说，所有系统的表现都非常出色。
FT06线性脉冲过渡测试：5月8日完成，该测试将线性脉冲输入应用于部分外环输入，飞行平台响应如预期一致，并验证了我们的非线性模型。

2018年9月

整个夏天，研发团队完成了近30次试飞和数十个测试点，这些测试的重点是性能验证（临界方位角、上升/下降速率、阵风包络扩展）和系统特性（故障管理）。
此外，新推进系统意味着获得了FAA最终的安全评估，它最大限度地扩展了测试包线范围，并进行了返航测试，以验证VPF的性能。一旦完成，过渡测试将以20 kts前进速度开始，并以10 kts为单位递增，直到跨越失速速度。
在飞行试验的同时，对螺旋桨速度和侧风角进行了螺旋桨的卡车试验，以验证VPF性能模型。此外，感官和避免着陆区评估系统已在代理车辆上演示。

2018年10月

振动测试和额外的飞行测试带来了一些不可预见的问题，使得10月份特别具有挑战性。也就是说，正如所有的测试一样，我们已经学到了很多东西，并且已经有了解决未决问题的解决方案。毕竟，在地面上发现问题总比在空中发现问题好。
最大的挑战是提升涵道风扇（尤其是整个飞机上最复杂的部件）。这些问题导致了飞行测试几周的延误。
在解决上述问题的同时开展的其他工作包括继续发展无人机作战概念，对自驾驶作战风险进行技术评估和配置探索。

2018年11月

缩比模型完成了60节当量飞行，并很快实现了完全自主过渡。
在全尺寸飞机上，所有的马达都在我们的测试台上进行了检修、测试和重新平衡，然后才集成到飞机上。在完成地面测试和回归飞行测试后，由于集成和测试团队令人难以置信的工作，团队能够从20节过渡线性脉冲测试开始进入到过渡测试飞行活动中。
在这些努力的同时，团队一直致力于将自己的项目融入到空客城市空中交通概念项目中。

2018年12月

一旦20节测试完成，结果将与团队开发的性能模型进行比较，以确定任何异常行为。当团队为30节的飞行测试做准备时，这些模型被用来验证完全自主飞行算法（飞行控制、导航、故障检测和排除）在半物理仿真环境和蒙特卡罗分析中的表现是否如预期一样，用于识别非正常性能和总体测试点的风险（例如跑道外着陆）。
同时利用缩比模型测试下一个飞行测试点，包括评估飞行中的马达故障性能。
在完成30节测试所需的输入后，尽管长期天气恶劣（通常是大雾），团队仍然在12月19日进行了30节的飞行测试。

2019年之收官之战

2019年1月

随着40节和50节飞行速度测试的完成，目前飞行测试数量达到了48次。这些测试包括执行基本的机动飞行动作，以及用于开展飞行性能和飞行控制评估的单独测试内容。
小型飞机完成了所有的自主飞行过渡状态转换测试，并开始执行包括转弯和爬升在内的自主机动飞行测试。迄今为止，已经完成了数百次规模的飞行，包括在飞行包线的各个点验证电机故障的处理策略。
某些恶劣天气导致飞行测试延迟，因此在停机期间，团队执行了一些维护任务，并解决了电机性能问题。

2019年2月

飞行测试遇到了天气问题（少见的二月下雪），本月进一步推迟了飞行测试计划。
停机时间使得团队能够解决地面控制站与实时数据绘图软件相关的问题，并解决一些零星的布线问题。

2019年3月

天气转晴，意味着重新开始飞行测试。在解决了地面控制站的问题后，团队又进行了三次60节的飞行测试，每一次都包括了系统识别，随后进行了三次70节的飞行测试。
在两个过渡点都没有发现明显的性能问题，所有测量结果都表明，预期测试值与在小规模测试中看到的值非常接近。与此同时，飞行控制和软件团队已经提交并通过了下一次飞行90节完整过渡的飞行准备审查工作。
团队花费一个月的时间为阿尔法二号在巴黎航展上的首次亮相做准备工作，这包括更新飞机的外观，使其与其他空客项目更相符。

2019年4月

4月酝酿了5月初的首次过渡飞行测试的成功，这发生在58次全尺寸飞行测试和1000多次缩比尺寸模型飞行测试之后。飞行状态过渡飞行从240英尺的高度悬停开始，以90节的速度过渡到全机翼飞行状态。
这一胜利的结果来之不易并充满了挑战，在整个过渡飞行测试前的一个月，研究团队发现了第一批螺旋桨叶片存在制造缺陷，需要团队在短短一周内更换并重新完成所有螺旋桨动平衡调整。
完成过渡飞行测试后，团队完成了两次额外的飞行测试，以进一步调整飞行控制增益，另一次测试飞行速度达到了100节。

2019年5月

整个过渡飞行测试完成后，团队将重点放在飞行测试中开展噪声测量和性能测试上。
整机的噪音水平测试进展非常顺利
首先，由于Vahana的自主飞行能力，噪音飞行测试进行得很顺利。与通常需要多次重新驾驶并经过同一测试点的无人驾驶飞机不同，Vahana的每次飞行几乎都是一条近乎完美的路径。
其次，巡航阶段的噪声测量值与Cabri G2机型相比要低5-7dB，与Bluecopter机型噪音水平差不多。
截止目前，团队共完成了81次飞行测试，记录了10.1小时，飞行距离大约有157km，全部飞行通过完全自主实现。

2019年6月

6月是Vahana阿尔法二号开启“世界之旅”，巴黎航展；
在展会上，Vahana与其他令人惊叹的飞机（如A350-1000、MRTT和VSR700）共同展示。
Vahana成为空客巴黎合作伙伴关系宣布照片的背景，其中包括来自RATP、Groupe ADP、法国民航局DGAC、空客首席执行官的代表合照。
在Vahana巴黎航展结束后，将启程前往威斯康星州参加奥什科什EAA航展。
研发团队还在软件和缩比模型上测试了几个新的飞行路径，以准备进行全面的包络飞行测试扩展。其中包括对过渡航迹的一些改进，以提高过渡的平滑度。

2019年7月

在巴黎航展上度过了美好时光后，Vahana阿尔法二号在美国威斯康星州的奥什科什EAA航展上进行了飞行表演。
与此同时，在Vahana阿尔法一号上，该小组进行了一些小的改进设计，并准备在结束Vahana项目之前完成最后一组的飞行测试，这些测试包括：
机动飞行；
发动机熄火试验；
附加系统识别测试；
这些测试旨在提高团队的理解和分析工具，以帮助未来进一步改进产品；
迄今为止，Vahana阿尔法一号飞行92次，飞行里程超过100海里；