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[心得交流] EVTOL 产品技术进展跟踪(1)

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发表于 2021-8-10 05:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
EVTOL 产品技术进展跟踪(1)
有容乃大

引言
   自2019年开始撰写发表的“垂直起降飞行器设计方案盘点(一至六)“以及随后的”补(1—7)“系列文章,至今共计盘点国内外可垂直起降飞行器产品设计方案23例。其中包括个别无固定翼全旋翼产品,重点关注的大多是各国创业公司的电驱动载人产品,即EVTOL轻型客运机。作为对照,也曾介绍了贝尔V系列军用大功率较重型燃油驱动产品,以及个别小型电动无人机产品。
  2020年开始续补盘点前,曾通过对各设计特点分析对比,得出提高VTOL飞行器能效的“四点技术实施要点”,当时尚未有一种设计能全部实施。
  数年来,不少曾盘点过的产品有了各种进展最新报道:其中有的公司获得大额投资,有的开辟了海外市场获的大数量订单。而作者更关心的是关于设计方案技术方面的进展。最近从网上发现有的公司产品公布了更多技术数据,值得补充报道分析;有的公司在产品设计上有重大改变,与以前介绍相比似脱胎换骨。遂决定开始撰写本跟踪系列。这次集中于可垂直起降的电动飞机,把已经盘点过的相关EVTOL轻型客运机技术进展跟踪结果介绍给感兴趣读者,每篇集中于一家公司产品。本篇跟踪对象是传统大航空制造公司欧洲空客的CityAirbus(原盘点四,编号8)虽然与盘点文介绍的技术方案未变,但提供了此前未公开的重要技术数据,值得认真分析。

欧洲空客CityAirbus 最新技术数据公布
  根据网易航空网页2021/08/06报道有关图片,空客不久前公布了在2019年5月发布会未曾介绍的该产品主要技术数据,值得认真分析。具体技术数据见附图1
附图1:CityAirbus 主要技术数据


技术数据 :(和此前盘点介绍对比,除载4人外,各项数据都是最新公开,仅悬停及巡航功率数据缺失)
  总起飞重量: 2200kg。
  有效载重:  载4人 。
  巡航速度:  120km/h。
  驱动电机功率:8 X 100kW。
  悬停功率:  不详。
  巡航功率:  不详。
  续航时间: 15min。
  电池容量:110kWh。
  占空尺寸:   8x8m  旋翼直径:2.8m。

对CityAirbus 数据的有关功率及能效估算
在盘点四中曾点出,空客完全放弃Vahana可倾转固定翼方案,回归到重叠式4轴多旋翼方案。CityAirbus在有限的8x8米占空尺寸内,采用了较大的2.8米旋翼半径(每轴3翼片,安装迎角固定),100kW功率电机直接驱动,重叠置于座舱上部悬挂式。把重心置于旋翼面之下,既利于稳定,又利于乘员上下。下层4旋翼的护圈主要起保护安全作用,也有助于减少水平飞行阻力。由于现有电池能量密度所限,最终实现110kWh电池容量,总起飞重量2200kg,续航时间仅15分钟。
   在已知最大电机功率8x100kW以及巡航速度120km/h(33.33m/s),但又不知具体悬停功率及水平飞行巡航功率数据的基础上,作者试对CityAirbus的垂直起降能效,即悬停功率,悬停升功比,以及水平飞行能效,即相当升阻比作如下简单推算:
垂直起降能效 假定该产品悬停功率为最大功率的60%,即整机悬停功率为:
      8x100x0.6=480kW
  则整机悬停升/功比为:
      2200/480=4.583kg/kW
  对于2.2顿总重,虽然数据值显著低于高效直升机水平,作为多旋翼该数值还算不低。
水平飞行能效 假定该产品水平飞行巡航功率为最大功率50%,即水平飞行巡航功率为:
8x100x0.5=400kW
  则水平飞行阻力大致为 :
D=400000/(33.33)=12000N(牛顿)  
  则相当的升力/阻力比为:
2200x9.81/12000=1.80
这个数值和固定翼飞机数据相比(通常大于10)太低。
鉴于巡航功率数据没有依据。我们换个思路根据电池容量110kWh和续航时间15分钟重新估算水平飞行功率。
  如果假定15分钟续航中垂直起降各1次,历时较短,近似取平均消耗功率作为巡航功率,则按电池容量计算得平均功率为:
110/0.25= 440kW。
  结果大于上述估计值,推算出水平飞行升阻比会更小。
有效载荷比
除了总起飞重量,悬停功率,巡航飞行的升阻比数据能直接反映产品的垂直起降能效,水平飞行能效外,有效载荷比,也是反映产品终极能效的重要数据,与上述能效数据结合能给出最终单位载荷运行耗能。
  本产品,总重2.2吨,有效载荷4人加20kg行李,设平均100kg,有效载荷400kg,则有效载荷比为:
400/2200=0.18
该数值相对一般飞机产品较小。

小结 根据所提供数据估算,该产品垂直起降能效数据相对2.2顿总重,虽不及高效直升机水平,与类似多旋翼无固定翼的方案相比,还算比较高。但水平飞行能效与固定翼飞行器相比太小。有效载荷比也较小。估计这也是采用类似多旋翼无固定翼的EVTOL飞机,如德国Volocopter,中国亿航216等产品的所面临的通病。

后记 由于缺乏通用技术条件标准要求,不用说创业公司EVTOL新型载人产品,即便现有各种广泛应用的多旋翼或带固定翼无人机产品,也未见有完整的能效技术数据(这里强调:总起飞重量,悬停功率,巡航速度,巡航功率,续航时间,电池容量)向用户公开。仅靠公司在各类媒体上,展会上的单方面发布图片视频及很有限技术数据,使得用户,投资人难以对其产品能效水平(垂直起降,水平巡航飞行)作横向比较。
  相对来说,空客此次公布的技术数据中,提供了产品能效有关的相当多关键数据,应算是难能可贵的。值得各国EVTOL创业公司学习效仿。
   (完)2021/8/10 发表于“新浪博客”和“中国滑翔网/论坛/硬翼飞行”
发表于 2021-8-12 07:05 | 显示全部楼层
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