下表总结了不同侧向流入角度下作用于各个整机部件的滚动力矩系数,目的是量化上述影响。通过螺旋桨的平均诱导下洗速度v_h使横滚力矩无量纲化。横向无量纲自由流速度相对较低,U_∞/v_h=0.275。悬停案例仅供参考。在悬停状态下,滚动力矩的产生仅限于LA(升力臂)(LA_1和LA_r),由于固有的对称性,它们相互平衡。然而,在侧向流入的条件下,明显的不对称性变得明显:迎风LA(右侧)的下洗量大大减少,而背风侧的下洗量基本保持不变。这种不平衡会产生与指令运动相反的净滚动力矩。
表:侧向流入条件下单个交流部件的滚动力矩系数

机翼和机身的行为进一步支持了这一观察。随着负攻角的增加,在机翼和机身之间的内翼部分(wing_i)上观察到滚动力矩的增加,这与横向运动的方向相反。相比之下,对于中等攻角,外翼(wing_o)上明显存在相反的趋势,在这种情况下,在运动方向上会产生滚动力矩。然而,在较高的负攻角(例如α=-10°)下,整体贡献会逆转,从而产生阻尼力矩。机身最初对横滚力矩的贡献很小。然而,在较高的攻角下,它开始产生明显的阻尼力矩。结果表明,在侧向飞行中,LA以及在较小程度上外翼主导着气动响应。因此,由于螺旋桨与机身相互作用的不对称效应,横向横滚运动受到了显著抑制。
下图显示了机翼和LA上升力和阻力的相应翼展分布。再次,左右两侧之间明显不对称。观察到螺旋桨诱导的下洗流的存在导致迎风侧的局部升力增加。相反,对于更高的负攻角,背风侧的升力有所下降。这些力的最终结果是滚动力矩,用于在侧滑时稳定eVTOL整机,但另一方面,在侧向运动过程中,它会显著改变配平和控制响应。

翼展方向局部升力𝑪𝑳,𝒍𝒐𝒄 和阻力𝑪𝑫,𝒍𝒐𝒄 系数沿机翼和机身分布,流入量来自右侧
为了更好地了解这些力的来源,对机身周围的流场进行了详细分析。考虑向右滚转机动,与右侧相比,左侧VPU的推力更高,导致倾斜飞行状态。图23提供了侧滑角为90°时流场的可视化表示,说明了第二排VPU的尾流拓扑随着负攻角-1°、-5°和-10°的增加而演变。此外,还显示了悬停情况以供参考。

悬停和侧滑角为90°和负攻角为α=-1⁰, -5⁰, -10⁰时的流场可视化,其中平均垂直速度分量在穿过第二VPU的轴向位置的x平面上
随着流入和螺旋桨轴之间的角度增加,螺旋桨盘处的流入条件变得越来越不均匀和扭曲。因此,在所证明的流入条件下,-1°的攻角表示最极端的情况。
在悬停阶段,观察到两个螺旋桨的尾流、深蓝色区域和机身之间的距离是一致的。然而,侧向流入使螺旋桨滑流弯曲,随后滑流不对称地撞击机身和机翼。特别是,迎风螺旋桨的尾流朝向机身偏转,从而产生强烈的局部压力变化。螺旋桨的加速滑流对机身的右下侧产生冲击,从而在迎风侧的该区域产生负压,从而产生向下和侧向力。如果吸力峰值位于重心下方,则产生的侧向力将产生一个力矩,抵消侧向飞行期间的受控横滚运动。这将大大有助于整体力和力矩的稳定性和可控性。
分析表明,即使在适度侧向流入的条件下,螺旋桨和机翼之间的相互作用也会从根本上改变局部流场。在分布式电推进系统的气动建模中,必须仔细考虑这些尾流引起的不对称性,以确保在侧风条件下或横向机动中准确预测横向稳定性、控制权限和性能。
