符長青
電池技術(shù)對電動垂直起降飛行器氣動布局的影響
電動垂直起降飛行器(eVTOL)作為航空科技領(lǐng)域的一個(gè)全新概念,目前面臨著系統(tǒng)復(fù)雜、涉及面廣、關(guān)鍵技術(shù)多、難度大等一系列問題。要想取得全面突破,在加強(qiáng)相關(guān)基礎(chǔ)研究工作的同時(shí),對關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)研究和攻關(guān),其中包括:高能量密度電池技術(shù)、氫燃料電池技術(shù)和動力系統(tǒng)綜合優(yōu)化技術(shù)等。這三項(xiàng)技術(shù)要求的內(nèi)容,在進(jìn)行電動垂直起降飛行器(eVTOL)氣動布局時(shí),屬于優(yōu)先考慮的重要因素之列。
高能量密度電池技術(shù)難點(diǎn)
當(dāng)人們按照電動垂直起降飛行器(eVTOL)定義的基本要求,將電動系統(tǒng)作為主要的動力裝置應(yīng)用于其上時(shí),會遇到一個(gè)非常棘手、而非電動機(jī)本身的問題,這就是為電動機(jī)提供能源的電池能量密度太低,比航空燃油的能量密度低十余倍。結(jié)果造成純電型的電動垂直起降飛行器(eVTOL)在試飛和實(shí)際使用中,通常表現(xiàn)出重載動力不足、飛行時(shí)間短等缺點(diǎn)。
現(xiàn)以鋰電池能量密度舉例:大多數(shù)鋰電池能量密度在170Wh/kg左右,少數(shù)比較先進(jìn)的鋰電池能量密度能超過該數(shù)值,例如比亞迪三元鋰電池能量密度為219Wh/kg,寧德時(shí)代麒麟電池目前能量密度255Wh/kg。
對于電池能量密度對于eVTOL續(xù)航能力的影響,根據(jù)清華大學(xué)郝瀚副教授團(tuán)隊(duì)測算:
(1)當(dāng)電池能量密度為200Wh/ kg時(shí),eVTOL續(xù)航距離100km所需電池容量為70kWh,eVTOL續(xù)航距離 200km所需電池容量為537kWh。按照每度電5kg的重量,eVTOL續(xù)航距離200km需要重量為2.5t的電池,大大超出eVTOL載重能力。
(2)當(dāng)電池能量密度提升至400Wh/kg時(shí),eVTOL續(xù)航距離100km所需電池容量為44kWh;續(xù)航距離200km所需電池容量下降到94kWh(下降了80%以上)。因此,電池能量密度如果提升至400Wh/kg,eVTOL續(xù)航可達(dá)到300km;能量密度如果提升至600Wh/kg,eVTOL續(xù)航距離可達(dá)到400km。
但現(xiàn)實(shí)是:在當(dāng)前鋰離子電池化學(xué)體系下很難使能量密度超過255Wh/kg,就更不用說實(shí)現(xiàn)超過400Wh/kg的能量密度了。
氫燃料電池方案的可行性
相對于鋰電方案,雖然氫燃料電池存在能量密度高、電池壽命長等優(yōu)勢,但在動態(tài)響應(yīng)性及功率密度上存在一定不足(航空器通常要求1500W/kg的功率密度,而氫燃料電池系統(tǒng)僅僅只能達(dá)到600W/kg),因此長期來看,氫燃料搭配一部分鋰電池儲能是更優(yōu)方案,鋰電池可用于啟動和提供快速變化的功率輸出,氫燃料電池可用于巡航飛行中的能量輸出。
動力系統(tǒng)綜合優(yōu)化技術(shù)
根據(jù)電動垂直起降飛行器(eVTOL)的定義,其動力系統(tǒng)并不是簡單地將傳統(tǒng)的燃油動力裝置(航空發(fā)動機(jī))換成電動裝置。實(shí)際上,電動垂直起降飛行器的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)燃油(航空發(fā)動機(jī))飛行器的設(shè)計(jì)思路完全不同。由于電動垂直起降飛行器可以根據(jù)需要將大功率電機(jī)分解為多個(gè)小功率電機(jī),這樣做的好處是傳統(tǒng)的集中動力形式變成按需配置的分布式動力形式,便于實(shí)現(xiàn)總體、氣動、動力等最佳優(yōu)化組合,從而獲得總體的最佳收益。
分布式電推進(jìn)(Distributed Electric Propulsion,DEP)的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)可將動力分散到電動垂直起降飛行器的各個(gè)主要結(jié)構(gòu)上,并可改變機(jī)體周圍的流場,提高氣動性能,降低噪聲水平??梢哉f,分布式電推進(jìn)技術(shù)的出現(xiàn),拓展了電動垂直起降飛行器設(shè)計(jì)的自由度,可大幅提高它的綜合性能,但與此同時(shí)將帶來多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算分析的復(fù)雜性等難題。
需要指出的是,現(xiàn)有大部分電動垂直起降飛行器的氣動布局基本上是對傳統(tǒng)布局的改型或改進(jìn),較少依據(jù)電推進(jìn)的特點(diǎn),并進(jìn)行多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)得到,因此并沒有充分發(fā)揮分布式電推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn),這是需要引起人們重視和加以改進(jìn)的地方。
電動垂直起降飛行器的座艙設(shè)計(jì)
航空器的類型
隨著電動垂直起降飛行器概念的提出,目前世界上有三種不同類型的航空器:
(1)有人駕駛航空器。機(jī)上有人,要有人(飛行員)駕駛,如固定翼飛機(jī)和直升機(jī)。
(2)無人駕駛航空器。機(jī)上無人,沒有飛行員和乘客,如固定翼無人機(jī)和旋翼無人機(jī)。
(3)電動垂直起降飛行器。機(jī)上有人(乘客),但機(jī)上沒有飛行員,無人駕駛。
機(jī)上有人還是無人,對航空器的氣動布局、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和要求有很大的差別。在進(jìn)行航空器氣動布局和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),如果機(jī)上有人,首先要考慮的是機(jī)上人員的安全。雖然電動垂直起降飛行器與無人機(jī)一樣,機(jī)上都不需要飛行員進(jìn)行駕駛,但是它與無人機(jī)不同的是:電動垂直起降飛行器上有人(乘客),因而既要確保電動垂直起降飛行器飛行安全,又要滿足乘客乘坐方便舒適的要求,即電動垂直起降飛行器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要在具有自主飛行能力的無人機(jī)基礎(chǔ)上增加乘客座艙。
乘客座艙的作用
電動垂直起降飛行器的乘客座艙是機(jī)上乘客乘坐的場所。座艙除具有保護(hù)人體免受飛行過程中異常環(huán)境因素危害的作用外,在提供一定舒適條件方面也具有重要作用。乘客座艙作為電動垂直起降飛行器氣動布局和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的組成部分,對其飛行安全和性能的發(fā)揮有著至關(guān)重要的作用。尤其是座艙內(nèi)部裝飾與乘客直接接觸,會對乘客的視覺、心理和意識活動會產(chǎn)生一定的影響。
乘客座艙的整體布局直接決定了電動垂直起降飛行器的整體裝飾效果和視覺感官,其中座艙設(shè)施的造型是整體座艙裝飾設(shè)計(jì)的重要組成部分,包括座艙的天花板、玻璃窗戶大小和透明度、行李箱隔板、座椅和安全帶、艙門位置和開門轉(zhuǎn)向等是座艙整體效果的具體體現(xiàn)。在進(jìn)行電動垂直起降飛行器的乘客座艙設(shè)計(jì)時(shí),不僅要注重座艙內(nèi)部各系統(tǒng)功能的實(shí)用性,還要關(guān)注內(nèi)部裝飾的視覺感官性,良好的視覺感受可以使乘客在飛行過程中有一種賓至如歸的親切感。
乘客座艙設(shè)計(jì)與人體測量的關(guān)系
人體測量學(xué)以對人類大量個(gè)體各部位的測量、記錄和描述為基礎(chǔ),研究人類個(gè)體發(fā)育、體質(zhì)特征,進(jìn)而通過測量所得到的各種數(shù)據(jù)資料,對個(gè)人與個(gè)人之間、群體與群體之間進(jìn)行對比研究。在航空器氣動布局和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,主要是綜合考慮人體的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理和身體素質(zhì)之間的關(guān)系,將人體測量學(xué)的數(shù)據(jù)運(yùn)用到乘客座艙設(shè)計(jì)中,包括座艙重心位置,座椅大小和距離位置安排等。
電動垂直起降飛行器氣動布局的定義和特點(diǎn)
目前,電動垂直起降飛行器(eVTOL)的設(shè)計(jì)空間相當(dāng)廣闊,各國設(shè)計(jì)師們已經(jīng)嘗試或正在嘗試許多不同的空氣螺旋槳配置(氣動布局)方案,至今已出現(xiàn)了600多個(gè)采用不同氣動布局的設(shè)計(jì)方案,以滿足電動垂直起降飛行器必須達(dá)到的各種技術(shù)和應(yīng)用要求。因此,對電動垂直起降飛行器的氣動布局深入進(jìn)行分析研究,將有助于該行業(yè)從業(yè)人員比較深入地了解每種氣動布局的優(yōu)缺點(diǎn),以及選擇固定機(jī)翼和空氣螺旋槳最佳復(fù)合配置的方法。
電動垂直起降飛行器研制流程
研制一種新型號的電動垂直起降飛行器,從設(shè)計(jì)方案的提出到試制、生產(chǎn)并投入市場使用,需要進(jìn)行大量的科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、試驗(yàn)驗(yàn)證、工藝試制、飛控調(diào)試、軟件開發(fā)、測試和試飛等工作。為了比較清晰地描述這個(gè)復(fù)雜過程,通常把電動垂直起降飛行器研制過程稱為該項(xiàng)目的生命周期。
項(xiàng)目生命周期確定了項(xiàng)目的開端和結(jié)束,項(xiàng)目階段的前后順序是由項(xiàng)目生命周期確定的,在項(xiàng)目實(shí)施過程中,通常要求現(xiàn)階段的工作成果經(jīng)過驗(yàn)收合格后,才能開始下階段工作。在實(shí)際工作中,站在不同的角度上來看,可將新型號電動垂直起降飛行器項(xiàng)目生命周期分為兩個(gè)階段,前一階段為設(shè)計(jì)研制階段,后一階段為生產(chǎn)使用階段,如圖1所示。
電動垂直起降飛行器項(xiàng)目設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)人員應(yīng)用氣動、結(jié)構(gòu)、動力、材料、工藝、電子和計(jì)算機(jī)軟硬件等學(xué)科知識,通過分析、綜合和創(chuàng)造思維將設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)化為一組能完整描述電動垂直起降飛行器的參數(shù)(文檔、圖紙和軟件)的活動過程,包括概念設(shè)計(jì),初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)三部分。
電動垂直起降飛行器項(xiàng)目設(shè)計(jì)是一門應(yīng)用科學(xué),是各項(xiàng)先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)綜合應(yīng)用的結(jié)果,其內(nèi)容涉及空氣動力學(xué)、飛行動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、氣動彈性力學(xué)、動力系統(tǒng)、自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自控軟硬件以及制造工藝等多種學(xué)科和專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。由于在設(shè)計(jì)研制階段要全面確定整個(gè)電動垂直起降飛行器新型號項(xiàng)目的產(chǎn)品策略、外觀、結(jié)構(gòu)、性能和功能等,從而確定整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的布局,因而,其項(xiàng)目設(shè)計(jì)的意義重大,具有“牽一發(fā)而動全局”的重要意義。
在電動垂直起降飛行器新型號項(xiàng)目設(shè)計(jì)研制階段,首要的工作任務(wù)是設(shè)計(jì)確定其氣動布局,它是整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)研制工作能否成功的基礎(chǔ)之一。
電動垂直起降飛行器氣動布局的定義
航空器的空氣動力布局(簡稱氣動布局)是其主要空氣動力部件的氣動外形及相對位置的設(shè)計(jì)和安排,即航空器外部總體形態(tài)布局與位置安排。例如,固定翼無人機(jī)氣動布局是指它的各翼面,如主翼、尾翼等是如何放置的;旋翼無人機(jī)氣動布局是指它的旋翼系統(tǒng)(如單旋翼+尾槳或多個(gè)旋翼)是如何放置的;復(fù)合式無人機(jī)氣動布局是指它的固定機(jī)翼與旋翼系統(tǒng)是如何組合安置在一起的。
航空器的氣動布局同它的外形構(gòu)造、動態(tài)特性及所受到的空氣動力密切相關(guān),關(guān)系到航空器的飛行特征、飛行性能、穩(wěn)定性和機(jī)動性。至于航空器的動力系統(tǒng)、機(jī)載設(shè)備及任務(wù)載荷等放置在哪里的問題,則籠統(tǒng)地稱為航空器的總體布局。雖然總體布局對航空器的飛行性能也會有一定的影響,但是起決定作用的主要是它的氣動布局,因?yàn)橹挥袣鈩硬季植拍軌蜃钪苯拥貨Q定航空器的基礎(chǔ)形態(tài)。掌握了氣動布局的種類,人們就能夠?qū)⒑娇掌鬟M(jìn)行簡要?dú)w類梳理。由于電動垂直起降飛行器在空氣動力和自動駕駛方面與無人機(jī)產(chǎn)品更為接近,因此成熟的無人機(jī)技術(shù)可以為其提供更多的參考。
常見的無人機(jī)氣動布局主要有4種類型:固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)、多旋翼無人機(jī)和復(fù)合無人機(jī)。以往,大中型固定翼無人機(jī)和無人直升機(jī)都很少采用電動機(jī)作為其動力系統(tǒng),原因是蓄電池電池能量密度太低,比航空燃油的能量密度低十余倍。由于蓄電池重量太重,因而在人類100多年的航空發(fā)展史上,除了個(gè)別科研實(shí)驗(yàn)外,一直都沒有在大中型固定翼飛機(jī)(有人駕駛或無人駕駛)及大中型直升機(jī)(有人駕駛或無人駕駛)上廣泛使用電動機(jī)作為動力系統(tǒng),幾乎全部都是使用燃油航空發(fā)動機(jī)作為動力裝置。
那么現(xiàn)在為什么電動機(jī)可以成功地用在多旋翼無人機(jī)和復(fù)合無人機(jī)上呢?主要是利用了電動機(jī)功率具有與尺寸無關(guān)的特性,即一個(gè)大功率電機(jī)系統(tǒng)分解為多個(gè)小功率電機(jī)后,整個(gè)系統(tǒng)的功率密度、效率和重量基本保持不變。這樣就可以采取多個(gè)小電機(jī)驅(qū)動多個(gè)小螺旋槳的辦法,使加起來的總功率達(dá)到系統(tǒng)功率要求。由此可見,在進(jìn)行電動垂直起降飛行器氣動布局時(shí),需要借鑒和參考多旋翼無人機(jī)和復(fù)合無人機(jī)兩種類型。
(1)多旋翼無人機(jī)與多旋翼電動起降飛行器的關(guān)系。多旋翼無人機(jī)是由多個(gè)旋翼(至少4個(gè))在空中旋轉(zhuǎn)獲得升力的無人機(jī)。其特點(diǎn)是在整個(gè)飛行過程中,全機(jī)重量自始至終主要由旋翼系統(tǒng)承擔(dān),具有垂直起降、空中懸停、結(jié)構(gòu)簡單以及性價(jià)比高等優(yōu)勢,缺點(diǎn)是載重小、航程近、航時(shí)短等。多旋翼電動起降飛行器實(shí)質(zhì)上是在電動多旋翼無人機(jī)的基礎(chǔ)上,增加安裝適合人員乘坐的座艙、座椅和相關(guān)設(shè)備所構(gòu)成的一種全新的載人航空器。
(2)復(fù)合無人機(jī)與復(fù)合電動起降飛行器的關(guān)系。采用固定翼無人機(jī)與旋翼無人機(jī)相結(jié)合的復(fù)合式氣動布局,即在固定翼無人機(jī)的基礎(chǔ)上,安裝上能夠產(chǎn)生抵消全機(jī)重量的升力螺旋槳系統(tǒng)。目的是為了兼具固定翼無人機(jī)航時(shí)長、速度快、航程遠(yuǎn)的特點(diǎn)及旋翼無人機(jī)垂直起降、空中懸停的功能。它與多旋翼無人機(jī)的主要區(qū)別在于:在整個(gè)飛行過程中,全機(jī)重量分階段由旋翼系統(tǒng)和固定機(jī)翼分別承擔(dān),或共同承擔(dān)。復(fù)合電動起降飛行器實(shí)質(zhì)上是在電動復(fù)合無人機(jī)的基礎(chǔ)上,增加安裝適合人員乘坐的座艙、座椅和相關(guān)設(shè)備所構(gòu)成的一種全新的載人航空器。
目前,全世界電動垂直起降飛行器600多個(gè)設(shè)計(jì)方案中所包含的氣動布局雖然有很多種類且都有它們各自的優(yōu)缺點(diǎn),但是它們都是從固定翼無人機(jī)和旋翼無人機(jī)這兩種最基本的氣動布局衍生或組合出來的??梢詫⑺鼈兊臍鈩硬季謿w結(jié)為兩大類:多旋翼eVTOL類型和復(fù)合eVTOL類型(如圖2所示),其中后者是在固定翼無人機(jī)上加裝升力旋翼系統(tǒng)后復(fù)合而成,具有明顯的雜交優(yōu)勢。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示,目前600多個(gè)設(shè)計(jì)方案中,大約30%采用多旋翼氣動布局,70%采用復(fù)合氣動布局。
大多數(shù)多旋翼電動垂直起降飛行器的氣動布局都沒有固定機(jī)翼,只是有少數(shù)加裝了固定機(jī)翼。由于后者沒有安裝可用來提供向前飛行所需推力的推力螺旋槳,又沒有采用頃轉(zhuǎn)旋翼或頃轉(zhuǎn)機(jī)翼等技術(shù)手段提供前飛所需的推力,因此固定機(jī)翼不能承載復(fù)合eVTOL的高效飛行模式,不能在巡航飛行階段獨(dú)自承擔(dān)eVTOL的全部重量,只是在前飛過程中為升力螺旋槳系統(tǒng)分擔(dān)一些機(jī)體重量。因此,其氣動布局實(shí)質(zhì)還是多旋翼eVTOL類,不能視為復(fù)合eVTOL類。
在復(fù)合電動垂直起降飛行器上安裝的空氣螺旋槳(旋翼)系統(tǒng),按其結(jié)構(gòu)劃分有開放螺旋槳(旋翼)和涵道風(fēng)扇兩種;按其工作內(nèi)容劃分有兩大類:升力旋翼和推力(或拉力)旋翼,其中升力旋翼是指旋翼平面可以是水平的,工作時(shí)能產(chǎn)生向上的升力,以承擔(dān)復(fù)合電動垂直起降飛行器的重量,保持其在空中懸停或向上飛行姿態(tài);推力(或拉力)旋翼(螺旋槳)是指旋翼平面可以是豎直的,工作時(shí)能產(chǎn)生向前的推力(或拉力),以克服復(fù)合電動垂直起降飛行器向前飛行時(shí)的氣動阻力,保持其在空中向前飛行姿態(tài),進(jìn)行巡航飛行。
眾所周知,固定翼無人機(jī)只有推力旋翼(空氣螺旋槳安裝在機(jī)體后面)或拉力旋翼(空氣螺旋槳安裝在機(jī)體前面),沒有升力旋翼系統(tǒng),飛行時(shí)所需的升力全部由固定機(jī)翼產(chǎn)生,因此它必須采取地面滑跑或外力助推的方法才能起飛;旋翼無人機(jī)包括多旋翼無人機(jī)和無人直升機(jī)兩大類,都只有升力旋翼系統(tǒng),沒有推力(或拉力)旋翼(螺旋槳),也沒有固定機(jī)翼,飛行時(shí)所需向上的升力和向前(向后、向左、向右)的推力都是由同一個(gè)升力旋翼系統(tǒng)提供??偣仓挥?個(gè)或2個(gè)旋翼的無人機(jī)稱為無人直升機(jī);總共有4個(gè)或4個(gè)以上旋翼的無人機(jī)稱為多旋翼無人機(jī)。
“固定旋翼構(gòu)型”是指升力旋翼系統(tǒng)安裝在機(jī)身或機(jī)翼上的位置和指向是固定的;“傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型”是指升力旋翼系統(tǒng)相對于機(jī)翼平面是可以轉(zhuǎn)動的;“傾轉(zhuǎn)機(jī)翼構(gòu)型”是指升力旋翼固定安裝在機(jī)翼上,可隨著機(jī)翼轉(zhuǎn)動;“單旋翼構(gòu)型”是指只安裝了一個(gè)升力旋翼(開放螺旋槳)系統(tǒng);“傾轉(zhuǎn)電動涵道噴氣發(fā)動機(jī)構(gòu)型”是指安裝在機(jī)翼上的電動涵道噴氣發(fā)動機(jī)相對于機(jī)翼平面是可以轉(zhuǎn)動的。
常見的幾種電動垂直起降飛行器氣動布局示意圖如圖3所示。其中除了圖3(a)為多旋翼氣動布局以外,其他的都屬于復(fù)合eVTOL的氣動布局。圖3(b)為復(fù)合eVTOL常規(guī)氣動布局的固定旋翼構(gòu)型,圖3(c)和3(d)都采用常規(guī)氣動布局的傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型,但是它們采用的旋翼系統(tǒng)類型不一樣,圖3(c)中采用的是開放旋翼系統(tǒng),圖3(d)中采用的是涵道風(fēng)扇系統(tǒng)。圖3(e)表示復(fù)合eVTOL串列翼氣動布局的傾轉(zhuǎn)電動涵道噴氣發(fā)動機(jī)構(gòu)型,其電動涵道噴氣發(fā)動機(jī)采用涵道電動矢量推力(DEVT)技術(shù),安裝在固定機(jī)翼上電動涵道噴氣發(fā)動機(jī)是可以傾轉(zhuǎn)的。
有一點(diǎn)需要說明的是:在有些文獻(xiàn)中,把傾轉(zhuǎn)旋翼(螺旋槳)和傾轉(zhuǎn)機(jī)翼的電動垂直起降飛行器(eVTOL)劃歸為同一個(gè)類型,取名為“矢量推力”類。
電動垂直起降飛行器氣動布局的特點(diǎn)
電動垂直起降飛行器以其低碳環(huán)保、噪聲低、自動化等級高、運(yùn)行成本低、高安全性和高可靠性被看作是最具發(fā)展前景的航空器產(chǎn)品。在它的設(shè)計(jì)過程中要解決的首要問題是如何進(jìn)行氣動布局,即如何通過先進(jìn)的氣動布局設(shè)計(jì)方案來獲得它所需要的升力、減小阻力和提高飛行速度。這就要從理論上和在實(shí)踐中研究電動垂直起降飛行器在飛行中與空氣之間進(jìn)行相對運(yùn)動時(shí),空氣動力(飛行作用力)產(chǎn)生的機(jī)理及其規(guī)律,以及參考現(xiàn)有各種類型無人機(jī)的氣動布局,并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行策劃、創(chuàng)新和再布局。
一方面,與固定翼無人機(jī)和無人直升機(jī)相比較,電動垂直起降飛行器(除了在起降與巡航飛行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換階段有比較復(fù)雜氣動特性外,由于電動垂直起降飛行器普遍采用分布式動力(Distributed Electric Propulsion,DEP)系統(tǒng),因此動力系統(tǒng)對它的氣流分布和氣動力的影響更加復(fù)雜。另外,電動垂直起降飛行器作為一種新型的航空器,大多氣動布局和總體構(gòu)型新穎,且各種構(gòu)型之間的差異較大,因此對以往設(shè)計(jì)制造有人駕駛固定翼飛機(jī)和直升機(jī)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)依賴程度比較低。
另一方面,根據(jù)電動垂直起降飛行器本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),現(xiàn)有的大部分無人機(jī)的空氣動力學(xué)理論可應(yīng)用到電動垂直起降飛行器上。不過由于大多數(shù)無人機(jī)尺寸小,也沒有在機(jī)內(nèi)安裝人員(乘客)坐椅和其他保障人員飛行安全的設(shè)施,安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)小,一旦發(fā)生飛行意外,除了無人機(jī)無法回收外,不存在人員安全的風(fēng)險(xiǎn)。而作為載客運(yùn)輸用的電動垂直起降飛行器則不同,其飛行安全是重中之重,保證機(jī)上人員的飛行安全是最重要、最基本的要求。所以eVTOL不能完全照抄無人機(jī)的氣動布局方案,而應(yīng)當(dāng)重視和解決它自身特有的空氣動力學(xué)問題,特別是在飛行過程中會遇到一些新問題,因此其氣動布局設(shè)計(jì)首先要在眾多的相互矛盾的需求之間進(jìn)行較好的折中。表1給出了電動垂直起降飛行器各種類型氣動布局特點(diǎn)的比較,包含了布局安排、飛行原理、能量效率、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能特點(diǎn)等方面的對比。
除了表1列出的一些特點(diǎn)以外,大多數(shù)電動垂直起降飛行器都會遇到小雷諾數(shù)空氣動力學(xué)問題,這是其重要的空氣動力特點(diǎn)之一。過去這方面的研究比較少,現(xiàn)在進(jìn)行氣動布局設(shè)計(jì)時(shí),它是一個(gè)繞不過去的坎,必須引起足夠的重視并認(rèn)真地解決它。
電動垂直起降飛行器不同構(gòu)型的懸停性能對比
電動垂直起降飛行器與無人直升機(jī)在結(jié)構(gòu)和飛行原理方面既有一些相同之處,也有許多不同的地方?,F(xiàn)在正在研制的電動垂直起降飛行器試飛測試的結(jié)果表明:無人直升機(jī)的懸停升力效率最高。因?yàn)閼彝Iπ逝c槳盤載荷(旋翼拉力與槳盤面積的比值)相關(guān),槳盤載荷越小,懸停升力效率越高,如圖4所示。電動垂直起降飛行器(eVTOL)中固定旋翼和傾轉(zhuǎn)旋翼這兩種構(gòu)型懸停升力效率最高,但比無人直升機(jī)低不少;傾轉(zhuǎn)機(jī)翼構(gòu)型的懸停升力效率次之,傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇的懸停升力效率再次之,傾轉(zhuǎn)電動涵道噴氣發(fā)動機(jī)的懸停升力效率最低,排在最后。
雖然無人直升機(jī)的懸停升力效率最高,但是它與電動垂直起降飛行器相比較,缺點(diǎn)是速度慢、振動大、噪聲高、使用成本高等。這是否意味著將來無人直升機(jī)會被電動垂直起降飛行器所完全取代呢?答案是:不會。因?yàn)闊o人直升機(jī)優(yōu)異的懸停升力效率是其他航空器所無法企及的,使其能夠勝任包括eVTOL在內(nèi)的許多其他類型飛行器無法完成的任務(wù)。只不過,無人直升機(jī)今后的發(fā)展方向需要在降低振動和噪聲水平,降低使用和維護(hù)成本等方面加以改進(jìn)。
多旋翼電動垂直起降飛行器氣動布局分析及案例
多旋翼電動垂直起降飛行器氣動布局分析
多旋翼電動起降飛行器實(shí)質(zhì)上是在電動多旋翼無人機(jī)的基礎(chǔ)上,增加安裝了適合人員乘坐的座艙、座椅和相關(guān)設(shè)備所構(gòu)成的一種全新的載人航空器。多旋翼電動垂直起降飛行器的總體結(jié)構(gòu)由多個(gè)旋翼、機(jī)體、座艙、起落裝置和動力裝置(電動機(jī))5個(gè)主要部分組成,如圖5所示。
(1)旋翼。機(jī)翼的主要功用是產(chǎn)生升力,以支持多旋翼電動垂直起降飛行器在空中飛行,同時(shí)也起到穩(wěn)定和操控作用。
(2)機(jī)體。機(jī)體的主要功用是將多旋翼電動垂直起降飛行器所有部件連接組合成一個(gè)整體。
(3)座艙。座艙的主要功用是供乘員乘坐、裝載貨物和各種設(shè)備。
(4)起落架。起落架是指多旋翼電動垂直起降飛行器在地面停放和起飛著陸時(shí)用于支撐其重力,承受相應(yīng)載荷的裝置。
(5)電動機(jī)。電動機(jī)是多旋翼電動垂直起降飛行器的動力裝置。
(6)電池。電池是為電動機(jī)提供能源的儲能設(shè)備。
多旋翼電動垂直起降飛行器采用旋翼旋轉(zhuǎn)變速或槳葉變總距(無周期變距)的方式改變旋翼升力的大小,因而取消了傳統(tǒng)無人直升機(jī)操縱系統(tǒng)中必不可少的自動傾斜器,從而大大簡化了總體結(jié)構(gòu),提高了機(jī)械可靠性,降低了成本。
多旋翼電動垂直起降飛行器的氣動布局多種多樣,主要是受其旋翼數(shù)量和位置所決定的,通常有以下幾種類型,如圖6所示。
(1)以旋翼數(shù)量劃分。根據(jù)多旋翼電動垂直起降飛行器所具有的旋翼數(shù)量可分為4、6、8、12、16、18、24、36……旋翼等多種類型。不同的旋翼數(shù)量的氣動布局,其飛行性能也各具特色,其中四旋翼電動垂直起降飛行器的結(jié)構(gòu)簡單,機(jī)動性很好;六旋翼、八旋翼電動垂直起降飛行器則穩(wěn)定性更好;其他旋翼數(shù)量的氣動布局也深受需求各異的用戶喜愛。
(2)以旋翼分布位置劃分。根據(jù)最前與最后兩個(gè)旋翼軸的連線與機(jī)體前進(jìn)方向是否在同一直線上,可劃分為“I”型(或稱為“+”型)和“X”型兩種。如果連線與前進(jìn)方向是在同一直線上,多旋翼電動垂直起降飛行器呈“I”型,否則呈“X”型。由于“X”型結(jié)構(gòu)的實(shí)用載荷前方的視野比“I”型的更加開闊,所以在實(shí)際應(yīng)用中,多旋翼電動垂直起降飛行器大多采用“X”型外形結(jié)構(gòu)。除了這兩種類型以外,還有其他類型的結(jié)構(gòu)外形,包括“V”型,“Y”型和“IY”型等。
(3)以共軸電動機(jī)數(shù)量劃分。為了在不增大體積的情況下使多旋翼電動垂直起降飛行器的總功率更大,最簡單的辦法是把兩臺電動機(jī)上下疊放。上下兩臺電動機(jī)分別驅(qū)動兩個(gè)大小相同、轉(zhuǎn)向相反的旋翼轉(zhuǎn)動,使它們產(chǎn)生的反扭矩相互抵消,其氣動布局包括IY型共軸雙槳三軸六旋翼,Y型共軸雙槳三軸六旋翼,V型共軸雙槳四軸八旋翼等類型。這種氣動布局雖然能節(jié)省空間,但由于上下疊放的兩個(gè)旋翼之間存在著較大的空氣動力干擾,會導(dǎo)致有用功率下降20%。
多旋翼電動垂直起降飛行器的飛行操縱方式
多旋翼電動垂直起降飛行器飛行操縱方式與傳統(tǒng)的無人直升機(jī)不一樣,它沒有自動傾斜器。下面以四旋翼eVTOL為例,說明多旋翼eVTOL的操縱方式。
四旋翼電動垂直起降飛行器是通過協(xié)調(diào)改變各旋翼升力的大小來實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制的,需要對旋翼旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速或總距進(jìn)行精準(zhǔn)的同步調(diào)制,它是一個(gè)不穩(wěn)定系統(tǒng),也是欠驅(qū)動系統(tǒng)。欠驅(qū)動系統(tǒng)是指系統(tǒng)的獨(dú)立控制變量個(gè)數(shù)小于系統(tǒng)自由度個(gè)數(shù)的一類非線性系統(tǒng),在節(jié)約能量、降低造價(jià)、減輕重量、增強(qiáng)系統(tǒng)靈活度等方面都比完整驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)越。欠驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,便于進(jìn)行整體的動力學(xué)分析和試驗(yàn),同時(shí)由于系統(tǒng)的高度非線性、多目標(biāo)控制要求及控制量受限等原因,欠驅(qū)動系統(tǒng)又足夠復(fù)雜。
四旋翼電動垂直起降飛行器(eVTOL)的旋翼槳葉只能產(chǎn)生向上的升力,不能產(chǎn)生向下的推力,所以它不穩(wěn)定,很難控制好,萬一飛行器翻過來之后基本沒辦法控制回來,就墜機(jī)了。歷史的經(jīng)驗(yàn)證明:四旋翼飛行器的非線性、欠驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)讓人手來控制難度實(shí)在太高,只能用自動控制器來控制飛行姿態(tài)才能解決問題。
如圖7所示,四旋翼電動垂直起降飛行器有4個(gè)處于同一高度平面旋轉(zhuǎn)的旋翼,前后旋翼(1和3)順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),左右旋翼(2和4)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。由位于2個(gè)軸向的旋翼反方向旋轉(zhuǎn)方式抵消彼此扭矩,從而使四旋翼電動垂直起降飛行器能在空中保持飛行預(yù)定方向或懸停不動。四旋翼電動垂直起降飛行器在空中飛行時(shí)有6個(gè)自由度,它們分別是沿3個(gè)坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)動作。沿x軸正方向運(yùn)動稱為向前運(yùn)動,垂直于旋翼運(yùn)動平面的箭頭向上表示此旋翼升力提高,向下表示此旋翼升力下降,沒有箭頭表示升力不變。
(1)垂直運(yùn)動。當(dāng)同時(shí)增加或減小四個(gè)旋翼的升力時(shí),四旋翼電動垂直起降飛行器便會垂直上升或下降;當(dāng)四旋翼產(chǎn)生的升力等于機(jī)體的自重時(shí),四旋翼電動垂直起降飛行器便保持懸停狀態(tài)(圖7a)。
(2)俯仰運(yùn)動。改變旋翼1和旋翼3的升力,保持旋翼2和旋翼4的升力不變。產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞y軸旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)四旋翼eVTOL的俯仰運(yùn)動(圖7b)。
(3)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動。改變旋翼2和旋翼4的升力,保持旋翼1和旋翼3的升力不變,產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞x軸旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)四旋翼eVTOL的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(圖7c)。
(4)偏航運(yùn)動。當(dāng)旋翼1和旋翼3的升力增大,旋翼2和旋翼4的升力下降時(shí),旋翼1和旋翼3對機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機(jī)身的反扭矩,機(jī)身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉(zhuǎn)動,實(shí)現(xiàn)四旋翼eVTOL的偏航運(yùn)動(圖7d)。
(5)前后運(yùn)動。改變旋翼3和旋翼1的升力,同時(shí)保持其它兩個(gè)旋翼升力不變,四旋翼電動垂直起降飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜,從而使旋翼升力產(chǎn)生水平分量,實(shí)現(xiàn)四旋翼eVTOL的向前和向后運(yùn)動(圖7e)。
(6)側(cè)向運(yùn)動。由于結(jié)構(gòu)對稱,側(cè)向飛行的工作原理與前后運(yùn)動完全一樣(圖7f)。(未完待續(xù))