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[心得交流] 垂直起降飞行器设计方案盘点(补5)

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发表于 2021-4-13 06:54 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 有容乃大 于 2021-4-15 02:16 编辑

垂直起降飞行器设计方案盘点(补5)
有容乃大


引言
  前次发的(补4)中,仅盘点了英国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(编号19)。其升力旋翼系统中采用了一半固定一半可倾斜控制设计,可认为是一种(A+B)/2独特创新。
   本月6号,作者在英文Yahoo网读到一篇关于“美国Kitty Hawk与波音(Boeing)合资诞生的空中出行公司Wisk Aero周二(4月6日)对Archer Aviation提起诉讼,指控其侵犯专利权和盗用商业秘密的行为“的报道,文中给出了Wisk Aero公司提供的2020年1月专利申请设计及Archer Aviation2021年2月主打产品设计的外形对比附图(图1)。该诉讼已在加利福尼亚州北部地区法院根据第11号案件提起。有关诉讼结果尚不得而知。我们感兴趣的是,所争议归属的知识产权设计,是采用一半固定一半可倾斜控制升力旋翼系统加上固定翼设计。除了升力旋翼总轴数以及可倾斜旋翼翼片数不同之外,和与英国VA公司产品VA-X4相似。
图1:


  另外,月初在Yahoo网还读到有关UPS采购Beta Tech公司EVTOL飞机Alia250C报道,文中除提供该机型多张图片,及简单数据外,还附加了Archer Aviation公司相关产品的图片。特收集上述图片及简单数据作为编号20,21列出,撰写本文。供对EVTOL飞机感兴趣的企业家,投资人及大众飞行爱好者参考。

盘点编号:20

制造商:美国 Beta Technologies公司  
产品型号: Alia250C 货运机
产品发布及预计面世时间
:  据路透社报道:2021年4月7日,UPS公司已经订购10架,将在2024交付。UPS公司还拥有150架该型号飞机的优先购买权。据YouTube 网3月19日视频,已完成水平驱动飞行起降试验(临时改装固定4轮式起落架)。
产品外形图:(据Yahoo网上)
图2:垂直起降态

图3:水平飞行态

图4:地面停放态

方案概述(按图2,3,4):

整机设计 采用上单翼和细长V型尾翼的组合布局。升力旋翼系统为4轴双翼片电动,分别位于双翼的左右前后的一双连接支撑杆之上,该连接支撑杆前端突出在机翼前,后端固定于细长V型尾翼上,整体呈流线型。在机身尾端装有3桨叶电动水平驱动螺旋桨(见图2,4)。系作者所称典型A型驱动配置。机身配有一般直升机采用的固定雪橇式起落架。
垂直起降模式:靠固定在机身左右两边固定翼与细长V型尾翼之间支撑杆上的翼前后的共4轴电动双翼片升力旋翼旋转产生的升力平衡整机重力。(见图2)。机尾螺旋桨不工作。
水平飞行模式:靠机尾水平驱动螺旋桨工作产生推力平衡整机阻力。而位于双翼前后左右的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3,4);靠固定翼及尾翼产生升力平衡整机重力。

技术数据            网上报导数据           
总起飞重量:  不详,                    ;
  有效载荷重:   635kg(1400 lb);
  最大航速:     不祥;
  巡航速度:     超过170mph(272km/h);
  最大航程:     约400km (250miles);
动力装置:   电力推动装置系统;              
悬停功率:   不详;
  巡航功率:   不详;                           
  电池容量:   不详;                           
电池重量:   不详。

点评
亮点 整体外形设计简洁优雅,驱动机构相对简单。
升力旋翼半径较大(与更多旋翼轴数相比)有利于提高悬停能效。在升力旋翼不工作时,翼片固定于前后
方向,翼片外形设计尽量减少其固定态阻力。
专用水平驱动螺旋桨能按巡航速度最大能效设计制造。  
独立的垂直,水平驱动系统使得从垂直起降到水平飞行飞行模式转换更容易操控。

缺点 按整机空中占位面积,所采用升力旋翼半径还是相对较小,致使悬停升功比较小,垂直起降能效变低。
水平飞行时升力旋翼系统全部(4套电机及旋翼)闲置,增加设备总重及飞行阻力。这是A类动力配置的通病。

盘点编号:21

制造商:美国 Archer Aviation 公司
产品型号: 不祥
产品发布及预计面世时间:  据Yahoo网2021年4月初报道,将在2024面世。
专利权纠纷:美国Wisk Aero公司4月6日对Archer Aviation提起诉讼,指控其侵犯专利权和盗用商业秘密。
产品外形图:(据Yahoo网上) 整机外形见图1右部
图5:垂直起降态

图6:地面停放态

方案概述(按图1,5,6):

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12轴(电动)升力旋翼,其中位于双翼前端的6轴为可倾斜设计(每轴5翼片),在水平飞行时转为水平驱动,而机翼后面其余6轴为固定垂直方向(双翼片)。采用固定于每边机翼上三杆连接支撑所述12轴。机身配有前三点固定轮式起落架。
垂直起降模式:位于双翼前端的6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12轴电动(前5翼片/后双翼片)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6轴旋翼(每轴5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6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;靠固定翼产生升力平衡整机重力。

技术数据            
  总起飞重量:  不详,                           
  有效载荷重:  估计1名飞行员2--4名乘客;
最大航速:     不详;
  巡航速度:     不详;                        
最大航程:     不祥;
动力装置:   电力推动装置系统;              
悬停功率:   不详;
  巡航功率:   不详,                           
电池容量:   不详,                           
电池重量:   不详,                           
  尺寸:       不详。

点评
亮点
   水平飞行时采用6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(6套)动力闲置。(一般A类EVTOL都是全部闲置)。
   图5,6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,所采用升力旋翼轴数多,翼片半径相对较小,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,6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(6套电机)动力闲置,增加设备总重及飞行阻力。

结语
美国 Beta Technologies公司坚持采用双套驱动系统,用4轴升力旋翼解决垂直起降,用1轴专用水平驱动3叶螺旋桨解决水平驱动,典型A类驱动EVTOL飞机。由于在机翼尾翼及连接杆外形设计下功夫,解决升力旋翼不工作时定位技术,实现有效载荷635公斤(1400磅),最大航程400公里的非常强大的技术指标。整体能效指标超过(补4)英国VA-X4(编号19),令人印象深刻。无怪UPS已经提前下订单。
  而美国Wisk Aero公司4月6日对Archer Aviation提起诉讼,指控其侵犯专利权和盗用商业秘密所涉及的EVTOL飞机设计(编号21),和英国VA-X4(编号19)采用了类似技术路线,但从基本理论分析增加4轴升力旋翼以及翼片数并没有提高整机能效(尽管未发布基本技术数据)。不管哪家官司打赢,和更成功的设计方案相比都不会有胜算机会。有趣的是,上述各家包括德国Lilium公司都把新产品面世日期定在2024。最终优劣花落谁家,值得拭目以待!
   欧美各EVTOL飞机公司在创新产品开发的竞争如火如荼,中国相关公司也动作频频。据报道:3月29日,“天九一号”载人智能无人机在四川苍溪卢家湾成功首飞。所附图片显示外形酷似亿航216。另据报道:吉利集团要在今年上海航空展览推出所投资德国Volocopter的电动飞车,似乎是18个升力旋翼无固定翼的双人载客机型(与国产亿航216类似),都属于多旋翼直升机,和以固定翼做水平飞行的EVTOL飞机不在一个能效档次。可惜吉利集团目前能展示的并非自己集团研制的太力飞车TF-2A(补3,编号17)。按TF-2A技术方案,与编号20美国Beta Tech的机型似乎相差不大,(虽然所预期实现的有效载重和最大航程的数据难望其项背),显然还是比德国Volocopter的电动飞车要强些。
   作者在此向吉利集团老总李书福致言:投资购买外国公司EVTOL成功产品似乎见效快,但往往因为技术判断能力限制,要花大冤枉钱(例如:当年买美国某飞行汽车公司,以及投资Volocopter都可以称为败笔),不如找国内高人做好技术咨询,探求一条更为节能高效的EVTOL技术路线在国内研发。作者在2019年底所发表盘点结束篇中所描述过的,提高EVTOL能效4条实施原则,发现至今(编号1-21)尚无一种机型能够全部实施,说明创新机型设计在提高能效上还大有余地。作者自2018年起至今不断完善的设计方案确实能够全部实施4条原则,原意随时通过电子邮件方式为我国有志于EVTOL飞机研发的企业提供咨询服务。(完)
    2021/4/13发表于新浪博客,和中国滑翔网/论坛/硬翼飞行
发表于 2021-4-15 06:42 | 显示全部楼层
 楼主| 发表于 2021-5-31 04:08 | 显示全部楼层
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