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[心得交流] 垂直起降飞行器设计方案盘点(补4)

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发表于 2021-3-28 08:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 有容乃大 于 2021-3-28 08:26 编辑

垂直起降飞行器设计方案盘点(补4)
有容乃大


引言
  去年9月发表的(补3)中,盘点了两种国产电动可垂直起降EVTOL靠固定翼平飞机型中两个较大载重型号:吉利TF-2A飞车(双座总重1200千克)和上海峰飞V-400(载重100千克总重400千克)无人机的设计方案后,作者一直关注相关新产品报道。但除了NASA工程师的用现有固定翼飞机改EVTOL试验报道外,罕见真正产品报道。
  3月11日从英文Yahoo网读到Daniel Bachmann报道文章,介绍了英国Vertical Aerospace公司将于2024投放市场的一种电动可垂直起降(EVTOL)靠固定翼平飞机型VA-X4。该机型居然达到5座(1名飞行员四名乘客)的载荷,在载客量上可称所见报道的EVTOL产品设计冠军。引起作者重视。网易航空3月11日也发了来源自“看航空”的对该机型的中文报道(称4座)。随后网易航空3月25日在一篇关于英国“政策”(指关于航空工业发展方面)进展的报道中,又发布了该机型倾斜旋翼图片。
  上述各篇网上报道分别给出了该新机型垂直起降和平飞态的三种图片,让我们可大致看清其整机外形及驱动配置。发现其升力旋翼系统中采用了一半固定一半可倾斜控制设计,超出了笔者前篇关于VTOL飞机起飞能耗分析文中所提出的:A(指具相互备独立的升力旋翼驱动系统和水平飞行螺旋桨驱动装置),B(指同一套动力系统驱动可倾斜的同一套升力旋翼/转换为水平飞行驱动螺旋桨),C (指同一套动力系统切换驱动升力旋翼及专用水平飞行螺旋桨)三种归类范围,算是一种(A+B)/2独特创新。本文打破原来盘点每期2型的惯例,特专门撰文盘点,并增加基于现有信息所作对该型机能效数据的估算,供有兴趣读者参考。


盘点编号:19
制造商:英国Vertical Aerospace公司  
产品型号: VA-X4
产品发布及预计面世时间:  2020年3月上旬称,公司已经试飞了数个VA-X1全尺寸的原型样机,将在2021年内实现VA-X4的生产并在年底之前进行首飞,在2024年之前为该型号机型获得CAA和EASA认证。
产品外形图:(据网上)
图1:垂直起降态

图2:前部旋翼倾斜过渡态

图3:水平飞行态

方案概述(按图):

整机设计采用上单翼和V型尾翼的组合布局。升力旋翼系统为8轴(电动)升力旋翼(双翼片),其中位于双翼前端的4轴为可倾斜设计,在水平飞行时转为水平驱动(见图2),其余4轴为固定垂直方向。采用固定于每边机翼上双杆连接支撑所述8轴。机身配有前三点可收放轮式起落架。
垂直起降模式:位于双翼前端的4轴处于垂直位置,靠固定在机身左右两边固定翼下各两根支撑杆上翼前后的共8轴电动双翼片旋翼旋转产生的升力平衡整机重力。(见图1)。
水平飞行模式:位于双翼前端的4轴旋翼(双翼片)向前转90度成为水平驱动螺旋桨,产生拉力平衡整机阻力。而位于双翼后的4轴电动双翼片升力旋翼旋停止工作,且保持旋翼翼片固定于前后方向(见图2);靠固定翼产生升力平衡整机重力。

技术数据            网上报导数据           大致估算数据(过程详见附录)
  总起飞重量:  不详,                           按2000kg;
  有效载荷重:  1名飞行员4名乘客,             按500kg ;
  最大航速:     200mph(322km/h);
  巡航速度:     不详,                          按 321.9km/h(89.4m/s);
  最大航程:     190km;
  动力装置:   采用合作公司Rolls-Royce开发最新的100kW电力推动装置系统;              
  悬停功率:   不详,                             估算值 640kW;
  巡航功率:   不详,                             估算值195kW;
  电池容量:   不详,                             估算值 180kWh;
  电池重量:   不详,                             估算值720kg;
  尺寸:       不详。

点评
亮点 与航空动力专业公司Rolls-Royce合作开发,采用其最新的100kW电力推动装置系统,用8套电动旋翼系统实现了5座EVTOL加固定翼机型(估计总重在2000千克水平)的垂直起降。尽管续航距离只有190千米,在现有电机,电池能量密度水平下已经创了载客量的高纪录(超过Uber组织专家提出的EVTOL技术数据要求)。
   水平飞行时采用4套可倾斜电动升力旋翼/水平驱动螺旋桨,提供充足巡航动力。使得水平飞行时只有升力旋翼系统中一半(4套)动力闲置。(一般A类EVTOL都是全部闲置)。
   图3显示:在水平飞行时,闲置的一半升力旋翼能保持在翼片与飞行方向平行位置,减少了阻力。(如何实现翼片准确定位停止,是EVTOL产品的通用难题。)
缺点 按整机空中占位面积,所采用升力旋翼半径相对较小,致使悬停升功比较小,垂直起降能效变低。
   和其他倾斜旋翼机型类似,4套可倾斜电动升力旋翼的翼片设计以及电机驱动参数(转速,转矩)难以在两种工作状态都实现可能达到的最高能效。
   水平飞行时升力旋翼系统中还是有一半(4套电机)动力闲置,增加设备总重及飞行阻力。

结语
   英国VA公司后来居上,与航空动力专业公司Rolls-Royce合作开发,采用其最新的100kW电力推动装置系统,用8套电动旋翼(其中4套为可倾斜)系统加固定翼实现了5座EVTOL机型(估计总重在1800千克以上水平)的垂直起降。尽管续航距离只有190千米,在现有电机,电池能量密度水平下已经创了载客量的高纪录(超过Uber组织专家提出的EVTOL技术数据要求)。相比于固守只有升力旋翼系统的德国Velpcopter,空客CityAirbus以及中国亿航216等竞争产品,具有相当大技术优势。而相比于其他采用升力旋翼系统加固定翼模式的公司如德国Lilum,JobyAviation等竞争产品,在载重和能效上也更具优势。能否最终在城市空中客运的EVTOL产品中独占鳌头,让我们拭目以待。
    国产EVTOL带固定翼机型的竞争产品,在提高能效和载重等关键技术数据上如何奋起直追?是否还能找到在垂直起降能效(悬停升功比)和水平飞行能效(升阻比)更高,整机有效载荷率更高的设计制造方案?这是国内已经或者想要加入城市空中交通及景区空中旅游产品赛道的有关公司,如亿航,吉利,上海峰飞等等公司决策人,投资方和技术总监们不得不认真考虑的问题。作者愿意真诚(通过电子邮件)提供有关具体咨询建议,也将在以后文章中专门就相关基本原则等公开讨论,敬请关注。
(正文完)    2021/3/28发表于中国滑翔网/论坛/硬翼飞行  及 新浪博客

附录:
对VA-X4的能效估算

按每台电机最大功率100千瓦,最大总起飞重量2000千克估算:
悬停功率
设悬停时每电机实际能耗80千瓦,总悬停功率Nx 640千瓦,
升力旋翼系统实际悬停升功比:2000/640=3.125千克/千瓦。
设电机及升力旋翼总效率70%,则 理论悬停升功比:4.46千克/千瓦。
水平飞行功率
假定整机固定翼飞行升阻比能达 12;设巡航速度为最高速200mph(321.9千米/时,89.4米/秒)
则阻力D=2000x9.81/12=1635牛顿,4部电机理论巡航功率 N=1635x89.4=146169瓦,
则每电机理论巡航功率36.54千瓦。
设电机螺旋桨总效率75%,实际水平飞行功率 194.7千瓦(48.7千瓦每台),
电池容量和重量
按续航距离190千米估算水平飞行时间35.6分(0.59小时),设垂直起飞降落5分钟(0.083小时),估算总耗能194.7x0.59+640x0.083=168千瓦时
若设电池容量180千瓦时,按0.25千瓦时/每千克,估计电池总重720千克。加上8台100千瓦电机重量和500千克乘员重,总重2000千克以内可能实现。(附录完)

发表于 2021-4-23 07:18 | 显示全部楼层
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