确定eVTOL的展弦比

2023-10-07 09:13

随着DEP和机翼的融合,使得确定机翼的初始参数成为了一个新问题,DEP带来了冗余,同时也带来了对机翼结构轻量化的挑战。

到2014年初,Joby终于为其电动VTOL个人运输机制定了一个通用构型配置,满足了团队的所有需求。该设计最初被命名为“S2”,是一款双座机,续航里程为322公里,巡航速度322公里/小时。倾转的螺旋桨覆盖了机翼和V型尾翼的前缘。S2概念的早期呈现如下图所示。随着这一概念的发展和设计选择的进一步详细分析,S2上的动力数量从12个减少到6个,这是一个复杂的权衡过程,其中包括桨盘载荷、翼展、机翼面积和电机性能裕度的额外推力要求。作为这些考虑之一的示例,机翼展弦比AR、螺旋桨的总数N、安装在机翼上的螺旋桨比例fw、机翼载荷W/S和桨盘载荷W/A被约束在以下关系中(为了便于说明简化为忽略机身宽度):

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具有12个电机的S2初始概念图

通常我们需要低桨盘载荷,因为它可以减少垂直起飞和着陆过程中的功率需求,这对于较小、较轻的电力电子设备(如逆变器)和冷却系统来说非常有必要。由于电机的大小主要取决于转矩,而不是功率,因此在固定的螺旋桨叶尖速度下,桨盘载荷不会强烈影响电机的重量,其与N/(N-2)近似成比例,对于低桨盘载荷的需求,上述方程表明将需要高的机翼展弦比和低的机翼载荷。高的展弦比可能会导致不可接受地增加机翼结构重量,而低的机翼载荷可能会导致过大的机翼湿面积和相关的寄生阻力,并可能对飞行品质产生负面影响。由于这些原因和许多其他原因,这种配置的成功设计是对大量因素的仔细平衡。尽管由于电机输出的考虑,减少螺旋桨的数量不成比例地增加了电机性能要求,但当将螺旋桨数量减少到6个时,通过实现更有效的螺旋桨几何布置,这种效果得到了缓和。尽管在理想情况下,电机输出的相对推力要求由N/(N-2)给出,但不对称布局将导致更高的系数。下图的例子说明了这一点,显示了在三种不同的六螺旋桨布局中右翼尖螺旋桨损失的情况下,维持横滚和俯仰配平的理想(最小-最大)推力再分配。在第一种情况下,电机必须能够产生比第三种(理想)情况下多24%的推力(174%标称,而150%标称)。通过精心设计倾转机构,Joby能够在90o倾转时获得接近最佳的螺旋桨布局,而不会过度限制0o倾转时螺旋桨的位置。

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针对不同螺旋桨布局,在单个电机故障的情况下,优化推力分布以配平俯仰和横滚的示例

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