NASA将倾转涵道eVTOL纳入概念飞行器研究体系

NASA开展城市空中交通(UAM)参考飞行器研究的核心目标是建立一套标准化的概念设计体系，以支撑技术敏感性分析、明确研发需求，并为行业提供公开透明的对比基准。这一系列研究已发布五种六座级UAM参考飞行器，包括单主旋翼直升机、并列双旋翼直升机、四旋翼、升力+巡航构型及倾转机翼，覆盖了不同的气动布局与推进技术。为进一步拓宽技术覆盖范围，本文新增倾转涵道构型，使其成为参考飞行器库的第六个成员，该库将随未来分析与权衡研究持续演进，如图1所示。

图1 可搭载6名乘客的美国国家航空航天局(NASA)

城市空中交通(UAM)参考机型

倾转涵道构型的纳入基于其独特的技术潜力：涵道结构有望实现噪声的降低、屏蔽与定向引导，提升气动效率，缓解叶片脱落风险，改善地面操作安全性，并因无外露旋翼可能提升公众接受度。同时，该构型也面临气流分离、噪声特性等技术挑战，参考飞行器的建立将为这些问题的研究提供统一平台。

倾转涵道飞行器的尺寸设计基于NASA之前提出的最严苛任务需求，以确保与先前参考飞行器的一致性。该任务包含两个完全相同的37.5海里“跳飞”段(每段含9个子阶段)及20分钟巡航储备段，起降海拔设定为6000英尺国际标准大气(ISA)条件。图2展示了任务的高度剖面，表1详细列出各子阶段参数，其中爬升与巡航阶段分别采用最佳爬升率速度(Vy)与最佳航程速度(Vbr)。

图2 尺寸设计任务剖面，代表两个相同的 “起降段” 

以及 20 分钟的巡航储备

任务各阶段的核心参数明确：地面启动阶段(1段)功率为最大功率的10%，持续15秒；垂直起飞阶段(2段)以100%功率运行30秒，爬升至6050英尺；过渡阶段(3段)维持高度10秒；随后以≥900英尺/分钟的爬升率升至10000英尺(4段)；巡航阶段(5段)在10000英尺以最佳航程速度飞行，覆盖剩余距离；下降、过渡与着陆阶段(6-9段)对称于爬升过程；巡航储备段(19段)在10000英尺以巡航功率持续1200秒。

表1 尺寸设计任务段1 - 9、19 及其相关属性

本次设计以NASA旋翼机设计与分析工具(NDARC)1.15c版本为核心，该工具专为飞行器概念设计与技术影响评估开发，能根据设计条件与任务需求完成尺寸优化，并分析非设计任务与工况的性能。NDARC将飞行器分解为机身、旋翼、机翼等部件，通过聚合各部件的性能、阻力与重量属性获得整机特性，支持快速开展技术权衡研究，例如评估不同技术对全机设计与性能的影响。

NDARC的灵活性体现在其可扩展架构：初始模型适用于常规旋翼机概念设计，通过逐步集成新模型可支持非常规构型分析，满足先进概念的研究需求。为提升使用效率，设计通过NDARC集成设计环境(AIDEN)2.0.6版本执行，该环境提供图形用户界面、语法检查、输入自动补全、模型版本控制等功能，类似集成开发工具；其输出解析工具可展示收敛信息、提供索引化结果并自动生成图表，增强设计人员对结果的理解能力。

几何建模依赖开源参数化工具OpenVSP，该工具用于生成可视化与分析用概念模型。通过AIDEN中的“N2事件”功能，可将NDARC输出直接关联Python脚本，利用Python到OpenVSP的应用程序接口(API)自动更新几何模型。这种联动使OpenVSP模型能作为气动、结构等后续分析的基础，并将结果反馈至NDARC，形成设计迭代闭环。

三类工具的协同构成完整设计链：NDARC负责性能与尺寸计算，AIDEN优化工作流与结果解析，OpenVSP提供几何支撑，共同确保倾转涵道构型从概念到量化分析的顺畅推进，为后续设计细化与性能验证奠定技术基础。

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