详解NASA多倾转旋翼eVTOL飞行器设计过程和性能分析

城市空中交通(UAM)是指在人口密集区域上空运行的安全高效的空中运输系统，涵盖从小型包裹递送无人机到载人空中出租车等多种飞行器。随着城市化进程加速，地面交通拥堵问题日益严峻，UAM被视为缓解交通压力、提升出行效率的重要解决方案，其发展潜力受到全球航空领域的广泛关注。

NASA Revolutionary Vertical Lift Technologies(RVLT)项目提出了“探索多旋翼UAM飞行器噪声与性能的工具”这一技术挑战。目前，评估UAM飞行器噪声与效率权衡的有效方法体系尚未建立，这直接阻碍了三大关键工作的推进：一是无法准确评估UAM飞行器对社区的噪声影响；二是难以探索可行的噪声缓解策略；三是不能合理评估低噪声设计对飞行器性能的要求。

为应对该挑战，项目目标是开发、演示、验证并记录一套概念设计工具，以实现对UAM飞行器噪声与效率权衡的有效评估。作为支撑，NASA设计了一系列“UAM参考飞行器”，这些飞行器在概念层面具有代表性，公开可获取，能够反映UAM行业提出的各类飞行器特征。

UAM参考飞行器需满足多项要求，要能代表行业主流配置与技术，具备一致且明确的假设，并且有完整的文档记录且公开可用。其应用场景广泛，可作为UAM领域研究人员的通用参考模型，用于研究飞行器技术、识别关键使能技术、揭示设计权衡与约束、引导工具开发以满足UAM需求、模拟飞行器运行(如 fleet 噪声、空中交通整合)、助力行业共识标准制定以及进行乘坐品质模拟等，服务对象包括NASA、其他政府机构、企业、承包商及学术界。

本次设计的尺寸确定任务基于NASA之前提出的方案，包含以下关键参数：

1. 任务1(主要任务)：搭载6名乘客(总重1200磅)，在海拔6000英尺的国际标准大气(ISA)条件下起飞，在10节逆风环境中完成两段各37.5海里的飞行，且需具备以远程巡航速度飞行20分钟的巡航储备。

2. 任务2(应急任务)：应急电池尺寸需满足在无地效悬停状态下以30C放电率工作2分钟。

3. 条件1：平额定最大起飞重量(MTOW)需满足在6000英尺ISA条件下，以100%主旋翼功率实现无地效悬停(HOGE)。

4. 条件2：机动余量需满足在10000英尺ISA条件下，以100%主旋翼功率、设计着陆重量(DGW)实现500英尺/分钟的巡航爬升率。

研究团队对现有行业倾转旋翼概念进行了全面调研，涵盖XV-15、V-22、V-280、AW 609、Archer Maker等多个型号，并将NASA多倾转旋翼与行业概念的关键参数进行对比：

1.初步探索：研究团队对30-40种过往及当前设计进行调研，绘制初始草图并开展配置探索，利用快速尺寸确定工具(RST)对候选飞行器进行建模。

2.六旋翼配置筛选：考虑了两种六旋翼配置，分别为6个倾转推进器和4个倾转推进器加2个非倾转旋翼。6个倾转推进器配置的优点是所有推进器相同、垂直升力在纵向分布均匀(悬停配平)、翼尖推进器可抵消翼尖涡流，但存在巡航时推进器重叠的缺点；4个倾转推进器加2个非倾转旋翼配置的优点是巡航时无推进器重叠、翼尖推进器可抵消翼尖涡流，缺点是悬停时翼尖旋翼失效缺乏冗余、停转旋翼阻力降低巡航效率。

3.八旋翼配置筛选：评估了6个倾转推进器加2个非倾转旋翼、4个倾转推进器加4个非倾转旋翼两种八旋翼配置。两种配置均具有垂直升力纵向分布均匀、翼尖推进器可抵消翼尖涡流、具备冗余等优点，但都存在巡航效率低的问题，原因是推进器负载较轻且停转旋翼产生阻力。

1.快速尺寸确定工具(RST)对比：利用RST对八旋翼和六旋翼配置进行对比，该工具基于基本原理，采用高层飞行器参数和动量理论，通过悬停和巡航阶段定义任务，并结合用户定义的效率来确定电动垂直起降飞行器的尺寸。对比参数如下表所示：

2.选择依据：在固定电池比能量和比功率的情况下，两种配置的轮廓差异不大，但基于目标最大总重7000磅，需要升阻比至少为12，更可能约为13，而八旋翼难以达到这一高升阻比，因此选择六旋翼配置。

3.六旋翼配置优化：考虑的两种六旋翼配置在悬停配平及应对显著推力损失场景时存在困难，为增加推进器相对于重心的纵向变化，融合两种配置的元素开发了新的六旋翼配置。

在NDARC中对12-20 lb/ft²的桨盘载荷进行了分析，结果显示更大的桨盘载荷导致设计总重降低，这与RST的结果不同，两者趋势差异的原因有待进一步探索。基于先进电池技术假设，高桨盘载荷带来的功率需求增加不会影响设计，最终选择15 lb/ft²的桨盘载荷，这是在重量、能量和巡航速度之间的折中选择，具体数据如下表：

利用CHARM工具对NDARC的诱导功率因子κ(κ=诱导功率/理想功率)在悬停和巡航飞行条件下进行调谐。目前仍需对机翼Oswald效率、多旋翼干扰等进行调谐，相关图表展示了巡航时平均阻力系数与轴向前进比的关系、悬停时诱导功率因子与CT/σ的关系以及巡航时诱导功率因子与轴向前进比的关系。

该多倾转旋翼UAM参考飞行器具有以下关键属性：

1. 悬停与巡航配置：4个八叶片倾转推进器、2个四叶片堆叠旋翼；推进器叶尖速度≤550 ft/s，采用总距控制；桨盘载荷设为15 lb/ft²；主翼展弦比8.9；机翼载荷42.5 lb/ft²。

2. 布局设计：巡航时推进器横向分离以最小化干扰；悬停时推进器和旋翼在横向和纵向分离以最小化干扰。

3. 动力与传动：每个倾转推进器采用两速变速箱，非倾转旋翼采用单速变速箱(无交叉轴传动)。

4. 控制与起落：控制面包括襟副翼、襟翼、升降舵、方向舵；采用涡轮电推进；配备可伸缩起落架。

将多倾转旋翼(TE)与其他UAM参考飞行器的性能参数进行对比，结果如下表：

注:TE-涡轮电;TS-涡轮轴;E-电动;QSMR-安静级单主旋翼

1. 推进器和旋翼设计：深入研究推进器和旋翼的优化设计，以提升飞行器性能。

2. 模型调谐：针对推进器-机身和推进器-旋翼相互作用对NDARC模型进行调谐。

3. 旋转方向影响：研究推进器和旋翼旋转方向对飞行器性能的影响。

4. 噪声reduction技术：探索可信的噪声reduction技术，以改善UAM飞行器的社区接受度。

5. 工具改进：改进与该飞行器相关的概念设计和分析工具。

6. 验证测试：开展RVLT验证测试campaign，包括UAM相关测试及推进器测试。

初版多倾转旋翼UAM参考飞行器设计已完成，并被纳入NASA UAM参考飞行器系列。设计过程中，利用RST工具进行了广泛的参数扫描，以NDARC为基础确定所选飞行器配置的尺寸。该参考飞行器为UAM领域的研究提供了重要的基准模型，后续在开展包含该飞行器的权衡研究之前，还需进行进一步的设计工作。

本研究通过系统的设计流程和严谨的性能分析，为多倾转旋翼UAM飞行器的发展奠定了坚实基础，对推动UAM技术的进步和应用具有重要意义。未来，随着各项研究计划的推进，该参考飞行器的设计将不断优化，为UAM系统的安全、高效、低噪声运行提供更强有力的技术支撑。

来源：公开信息，要点纵航整理

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