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eVTOL设计简析——为何eVTOL都趋向于一定的大小和形状?

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放大字体  缩小字体 发布日期:2024-08-06   浏览次数:129
核心提示:1. eVTOL的尺寸和重量随着飞机尺寸的增加,重量会按立方增加。或者换句话说,如果我们将飞机的尺寸扩大一倍重量将增加8倍。确实

1. eVTOL的尺寸和重量




随着飞机尺寸的增加,重量会按立方增加。或者换句话说,如果我们将飞机的尺寸扩大一倍重量将增加8倍。



确实可以制造出更大的飞机,并且是由电池供电的,但是它将无法飞的很远。即使是在目前的尺寸下大多数eVTOL的航程范围也在100英里左右,我们可以尝试装入尽可能多的电池,但研究表明电池永远不应该超过飞机总重量的三分之二。



2. eVTOL的航程计算和能量使用分配

 

计算航程是四个因子的乘积。第一个是可用于巡航或向前推进的电池能量,以焦耳为单位;第二个是推进效率;第三个是飞机的升阻比;最后是以牛顿为单位的飞机最大起飞重量的倒数。



以Archer Maker为例进行航程计算:
 

Maker 总电池组大小为75千瓦时,大约50%用于巡航,12%用于悬停模式,20%用于备用,而15%的能量会随着时间的推移而衰减,3%的能量被认为无法使用,以免电池完全耗尽以增加循环寿命。



传统的VTOL飞机几乎是“标准”eVTOL飞机的两倍重,并且具有4到8倍的航程,最成功的传统VTOL飞机是V22鱼鹰,具有14432千克的空重,最大起飞重量为21546千克,航程为1012英里。如此大的尺寸完全归功于喷气燃料的高能量密度,因此很明显“标准”eVTOL的尺寸是被电池的能量容量所限制。



3. V尾



新兴eVTOL的第二个共同特征是V型尾翼,V尾不仅相比传统安定面和尾翼更轻,且有更小的面积,因而有较少的诱导和寄生阻力,但V尾需要更长的机身以避免被不良的偏航效应。



4.螺旋桨与噪声



旋翼广泛采用5叶螺旋桨,5片螺旋桨在相同的转速下相比3叶螺旋桨会产生更高的拉力,这意味着对于某一定的拉力,5叶螺旋桨可以旋转的更慢,这将导致更低的桨尖速度,进而降低噪声特征,并且应用了反面翼尖,这些是使Joby S4 在悬停阶段录得55分贝噪音水平的原因。



5.动力冗余的选择



双电机冗余 VS 同向双旋翼  VS 对转双旋翼



一项研究表明,通过改变上下旋翼之间的方位角间距,同向旋转的旋翼甚至可以比对转旋翼的性能更好。



6.倾转旋翼和倾转机翼



倾转机翼4大优势:



(1)旋翼下洗气流不会被水平机翼所拦截,减少拉力损失,而倾转旋翼会;



(2)倾转机翼有比倾转旋翼更快的过渡过程;



(3)倾转机构复杂度低,机翼倾转只需单一的倾转机构,而倾转旋翼的每个旋翼都需要一个倾转机构;



(4)与发动机相比,电机要轻得多,机翼的倾转机构不需要那么笨重;



倾转机翼的2大劣势:



(1)悬停时对气流的敏感性,因为机翼面积大;



(2)若电池放置在机翼中将使机翼更加笨重,这将需要更大的倾转机构;



7.电池组分布式放置



分布式的电池组相比一个大的集中的电池包,不仅能够提供更好的重量分布,而且由于有更大的暴露面积,也可以更好地散热,并能防止热失控传播。

 

8.机翼高置



高置机翼在现代eVTOL布局中常见主要是为了使人远离螺旋桨所在平面,易于接近飞机,且提供更好的视野;同时,带有电池的高机翼构型也使重心更高,更靠近旋翼拉力平面,这使悬停稳定性更好。
 
 
 
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