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[心得交流] 可垂直起降电动(悬挂式)滑翔翼:未来飞行运动器械首选

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发表于 2020-6-15 03:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 有容乃大 于 2020-6-15 03:33 编辑

可垂直起降电动(悬挂式)滑翔翼:未来飞行运动器械首选
有容乃大


引言
为实现“大众飞行运动”的设想,数年前作者提出“绿色飞行,仿生飞翔”理念,曾把悬挂式滑翔翼作为首选飞行运动工具。也曾把现场装配问题和无动力辅助找寻上升气流作为需要解决的技术痛点提出。在”再谈仿生飞翔”(16年12月)一文中,曾在分析现有各类运动飞行器械特点之后,提出仿生电动滑翔翼产品概念,给出(专利)技术解决方案。时至今日,虽未能获得实施,但作者推崇“绿色飞行,仿生飞翔”理念的初心不改。
   近年观注有关滑翔翼赛事活动资料,及受有关技术进步启发,又在原有仿生电动滑翔翼基础上有了新的设想。为解决滑翔翼不能独立平地起飞的痛点,进一步萌发出可垂直起降电动滑翔翼产品新概念,在原有概念上增添垂直起降功能,作为未来大众飞行运动器械的首选。特撰写本文,接受广大飞行运动爱好者点评,供有兴趣研发者思考。
  本文将提出此项目关键技术数据(主要能效)挑战指标,抛砖引玉,供读者参考讨论。欢迎有心读者广为传播,吸引飞行技术创新发明爱好者们(包括工科航空院校飞行器设计制造相关专业学生们)关注与参与。作者也已投入具体设计研究,争取在明年国家科技日前得出自己的具体设计(包括实施步骤试验方法等)解决方案,以适当方式公布并征求合作伙伴。希望有眼光的投资人企业家关注和参与支持,使之最终得以实施。

问题提出
前些年,在中国滑翔网看到杨龙飞带队参加澳洲某国际滑翔翼拉力赛报导。其中记述了,在指定地点依次被地面牵引机械或被小型飞机牵引至指定高度脱钩后,通过自主寻找上升气流,滑翔至某设定距离目标的滑翔飞行竞赛。中途还遭受飞鹰袭击。印象深刻。据了解,目前在国内,除了有合适的山坡起飞场地的滑翔俱乐部外,不少滑翔翼飞行俱乐部,包括杨教练的内蒙坝上草原滑翔翼飞行培训基地,都在采用通过地面牵引机械起飞或者小型飞机牵引起飞方式来开展滑翔飞行运动。
   可见,滑翔翼虽然具有轻便,价廉,滑翔性能较好(滑翔比较大)等优点,但不能独立平地起飞,和无动力辅助长途找寻上升气流滑翔,是限制其在更多场地开展的主要用户痛点。
   正如“再谈仿生滑翔”文中指出的,曾流行的动力滑翔翼或动力滑翔伞产品,虽然解决了平地起飞降落和动力飞行问题,但是却牺牲了自身滑翔性能。滑翔比减小,重量和垂直降速增大,基本失去无动力长距离滑翔和盘旋上升滑翔飞行能力。还存在燃油发动机碳排放和尾气污染大气环境问题。此外,对起飞着陆场地面积也有相当要求。面对当前地面交通车辆大力发展新能源的潮流趋势,现有燃油动力滑翔翼明显不易也不宜大力推广。
   针对上述用户痛点,受近年各种垂直起降固定翼飞行器产品研发启发,可垂直起降电动悬挂式滑翔翼:一种能够靠电池能量垂直起降,又能机动寻找利用盘旋上升气流作长距离仿生飞翔的,彻底摆脱滑翔飞行运动所受的起降场地面积和地形限制的,未来大众飞行运动的新型飞行器械,就需要和值得被正式推出了!

技术要求概述
一种单人(或双人)带辅助电动动力的以滑翔为最主要飞行模式的具备垂直起降能力的轻型的飞行器械。其辅助动力可以在飞行中按要求随时开启和关闭,作短时间驱动飞行,以便飞行员能驾驶它寻找上升气流,随即进入无动力滑翔攀升,获得高度,向更远目的地滑翔飞行。辅助动力只在整个飞行活动的起飞时段和水平飞行中,及着陆过程中的部分(例如低于20%)时段启用
  该飞行器特征为,兼备有:驱动升力旋翼垂直起降飞行功能模式I,具备高效电动升力旋翼;固定翼水平驱动飞行功能模式II,具备高效专用电力水平驱动螺旋桨;以及做无动力固定翼滑翔飞行功能模式III,具备高整机升阻比,滑翔比。飞行器可按需要控制,在三种模式之间变换。(相比之下,16年所提的电动滑翔翼概念,仅具备II,III飞行功能模式。)
  该飞行器特征为:以同一台(套)电机电源(不同传动机构)来驱动升力旋翼(模式I)或水平飞行推进螺旋桨(模式II),即保证各自模式的高效率驱动,又保持整机的最轻设备重量。
  该飞行器特征为:在模式II,III,升力旋翼翼片固定于产生最大升力最小阻力位置。而在模式I,III,推进螺旋桨桨叶处于收褶状态。分别保证模式I状态整机高升功比,模式II,III状态的整机高升阻比,高滑翔比。
注:细心读者会发现,上述技术特征要求,实质包括了作者此前“垂直起降飞行器设计方案盘点结束篇”(19年12月)一文中所提的4个基本技术实施要点。这4个基本技术实施要点,既为本项目具体设计提出思路方向,也对具体设计方案提出了技术挑战。
  为便于运输储存,和普通滑翔翼一样,该飞行器的固定翼随同升力旋翼可自动或半自动收褶,以大幅减小占用空间尺寸。在需要时自动或半自动展开。
  和普通滑翔翼一样,该飞行器采用悬挂式简易吊具。可以有带轮的起落架。确保整机结构简化,结构重量减轻。

基本技术数据目标(按单人)
总起飞重量  <175 千克; 有效载重  75 千克(按单人);器械带电池 <100千克;
巡航速度   约72千米/小时(20米/秒),注:选择较小巡航速度以降低功耗和滑翔垂直降速;
巡航功率   不大于2.8千瓦;注:综合电动驱动效率0.70      
固定翼飞行整机升阻比   不小于18;  整机无动力滑翔比 不小于18;  
可盘升上升气流速度  >=1.2米/秒,注:选择较小滑翔垂直降速以增加长距滑翔能力;
升力旋翼悬停功率   不大于  8.75 千瓦;
旋翼悬停升功比  不小于 20千克/千瓦。
注:上述技术数据目标,为抛砖引玉,仅供参考。

能效指标的横向比较
   在安全有效飞行的基础上,追求绿色环保节能高效是本项目的最高追求,(轻便简单经济等悬挂式滑翔翼的基因也不能丢失)。上述能效挑战目标的高低,通过以下(表1)和一些现有飞行器水平(包括Uber公司组织专家组提出的垂直起降电动汽车主要能效要求,至今尚未有具体产品实现)作比较,可见端倪。
表1
产品名          制造商   总重    悬停功率 悬停升功比  巡航功率  巡航速度       升阻比   
                         (公斤)     (千瓦) (公斤/千瓦)    (千瓦)  (米/秒);(km/h)              
垂直起降滑翔翼(挑战要求)   150     <8.75     >20      < 2.8     20 ; 72         >18
垂直起降电动汽车 Uber要求 1814   约300    6.05      约71    66.9; 241       16.8
亿航184        亿航       360    约91.2    3.95      ----         ---           ---
V247无人机     贝尔     13000   约2648    4.9      约1766   128; 460        9.24   

注: Uber 要求中,悬停功率按所要求垂直起降功率500千瓦60%计。水平巡航功率及速度是其另行具体要求。
亿航184 按最大功率152千瓦,悬停功率按60%计,因无固定翼,巡航功率和升阻比不计算比较。
V247  悬停功率按最大功率6000马力(4414千瓦)60%,水平巡航功率按最大功率40%估计。

   由表1可见,本项目的能效挑战指标,不论从垂直起降升力旋翼的升功比,还是固定翼平飞的升阻比,都指向理论实践能到达的高水平,远优于现有垂直起降多旋翼飞行器产品。当然,从技术理论分析,总起飞重量越大的升力旋翼装置,实现同一悬停升功比难度越大。为此,本项目采用单人飞行尽可能小的总重量,便于实现更高的旋翼升功比。

旋翼垂直起降功率和固定翼平飞功率匹配问题
上述技术要求概述中,强调了用同一套电机动力(不同传动比)作为垂直起降模式I升力旋翼驱动以及固定翼水平飞行模式II水平推进螺旋桨驱动。则希望两种模式的运行功率基本在一个数量级水平,越接近越好。但上述基本技术目标中,模式I的功率为8.75千瓦,模式II的功率为2.8千瓦。相差达3倍。
  这是因为本项目主要功能定位于电动滑翔翼,在固定翼整机升阻比(能效)确定后,要求无动力滑翔的垂直降速尽可能小些,能够更易于利用上升气流盘升。所以巡航速度选得比较低,在相同能效升阻比的要求下,巡航功率与巡航速度正比,所以巡航功率也较低。更低的巡航功率不仅是电动飞行器节能关键,也是在所限定续航时间要求内,减少电池重量的关键(直接关系飞行器总重)。
  而模式I的悬停功率,则与巡航速度无关,完全由飞行器总重决定,在同样旋翼能效(升功比)下,与总重量正比。现有升力旋翼在旋翼尺寸限定下,所能达到升功比有限,由表1看出,20千克/千瓦已经是当前垂直起降飞行器产品中很高水平。由于本项目主要功能定位要求的低巡航功率,又要实现垂直起降,则模式I与模式II功率3倍差别是不得已为之。电机功率盈余附带好处是,给模式II飞行提供了可短时加速爬升的盈余功率。
  本项技术设计方案,如果运用于其他垂直起降以固定翼平飞的应用飞行平台,则可通过维持升功比及升阻比,按使用要求,增加固定翼水平飞行巡航速度2-3倍(例如由70公里/小时增至240公里/小时),相应增加电池容量和总重,即可使得巡航功率与悬停功基本接近,实现理想匹配。

开发本项目的主要优势
作为一种可垂直起降的高能效载人飞行运动器械,比起贝尔V系列可倾斜旋翼机产品的复杂和昂贵,具有相对结构简易,总重量轻,总功率和电池容量低等特点。所以相对投资研发的人力和资金成本和风险低,适合作为可垂直起降以固定翼平飞新型结构设计和飞行模式间转化的飞行技术实践的突破口。成功后,能把创新结构方案包括飞行模式间转化的飞行技术经验,平移至更大总重量,更高巡航速度,更大功率的涡轴/涡桨发动机驱动等等,各类应用飞行平台的产品研发,创造更大社会经济效益,前途不可限量。

本项目挑战意义
        探索高能效升力旋翼与高性能悬挂式滑翔翼的结合之路,开发出可垂直起降电动滑翔翼这种创新飞行运动器械,从而开创绿色仿生飞翔运动新模式。推动大众飞行运动的开展。
        由轻到重,由简易到复杂,为各类可垂直起降以固定翼平飞的新型飞行器设计(有人驾驶或无人驾驶,电动或燃油驱动,各类应用基础飞行平台)探索节能高效创新方案。
        为我国工科航空院校飞行器设计制造相关专业学生们创新创业,提供思路,促进开创具有自主知识产权核心技术的创新飞行装备产品。

后记 诚挚欢迎广大飞行运动爱好者就此项技术项目点评,提出问题看法和意见建议!
     欢迎有心读者广为传播,吸引飞行技术创新发明爱好者们关注和参与探索。
     特别欢迎工科航空院校飞行器设计制造相关专业在校学生研究生们的关注和参与。
     更欢迎有眼光的投资人企业家关注和参与支持,使本项目最终得以实施。   
       --- (完)联系作者tandagang@yahoo.com
06/15/2020 发表

发表于 2020-7-2 17:00 | 显示全部楼层
滑翔翼怎样才能垂直起飞呢?
发表于 2020-10-13 08:34 | 显示全部楼层
好东西,期待!
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