重新评估eVTOL整机概念设计的性能

eVTOL 2025-08-19 09:12

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伴随着行业技术要素的不断变化 ,有必须要每隔几年基于新的技术成熟度和变化对AAM概念设计进行重新评估,基于此NASA就开展了一项类似的工作,可惜是,分析的几个概念整机还没有将复合翼和倾转构型纳入进来。不过我们仍然可以从几个子系统模型配置上来获取一些有用的参考信息(请以原文资料为准)。

2025垂直起降变革技术研讨会(深圳站,8月29日)

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重量

设计总重是任务起飞重量。结构设计总重量被视为具有极限载荷系数4的设计总重量。作为重量模型而非运行中使用的参数,最大净重等于设计总重量(满载燃料和最大有效载荷)。最多可容纳5名乘客(可能包括飞行员)。每名乘客的重量为200磅,最大有效载荷为1000磅。

减振的重量分配为空重的3%,与低桨毂力矩旋翼(扑翼叶片)的使用一致。

这些设计包括相当于飞机空重5%。该系数基于使用NDARC重量模型估计总标量飞机重量的5%误差。

NDARC参数化重量模型用于机身、飞行控制、起落架、旋翼桨毂和叶片、齿轮箱、传动轴、机翼和螺旋桨。通过比较特定飞机的实际重量和估计重量来校准参数模型。在没有经过认证的生产AAM/UAM飞机重量声明的情况下,重量数据库中的小型飞机用于校准。当小型直升机没有可用信息时,较大的旋翼机(UH-60A、UH-60M、RAH-66.V-22)也包括在校准范围内。倾转旋翼机的校准基于XV-15(尽管它不是生产设计)和V-22(尽管它不小)。下表给出了当前设计中使用的校准系数。基准校准基于几架飞机的平均值;设计偏差将包括高校准(平均值+标准偏差)和低校准(平均标准偏差)。表还给出了技术因素,包括设计方法和先进材料的影响。NDARC输入技术因素(参数TECH_xxx)是下表中校准和技术因素的乘积。

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重量方程分别对非增压控制(不虑气动面或旋翼载荷)、增压机构(执行器)和增压控制(受气动面和旋翼载荷影响)进行建模;负载路径从飞行员、控制台控制、非增压控制、增压机构、增压控制,最后到达部件。参数方程是根据液压执行器的重量数据开发的。假设增压机构和液压重量的总和(以及技术因素的合理值)也是电动执行系统重量的合理估计。

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系统和设备组重量的分配取决于当前的直升机。下表给出了权重。还显示了这些权重中包含的技术因素,总重量为480磅。





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阻力

下表总结了飞机阻力累积,以阻力系数表示,并按比例缩放。所有飞机都配备有低阻力机身。表中给出了带尾翼和无尾翼旋翼的机身几何形状。固定起落架的阻力为D/q=0.35ft³,旋翼有光滑的桨毂和低阻力桁架。四旋翼桨毂阻力系数包括旋翼支撑臂(因此支撑臂D/q与旋翼半径的平方成比例)。并排的旋翼支撑(机翼)是一种不会产生升力的流线型结构。机身和机翼的垂直阻力系数使飞机在悬停时产生下洗。
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下图显示了基准飞机的阻力累积。旋翼桨毂和支架贡献了大部分阻力。旋翼桨毂、旋翼支撑和机翼阻力与飞机尺寸成正比,因此电动飞机的阻力更高。

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飞机和旋翼模型

飞机和旋翼特性通常基于原始设计,更新了叶片载荷和翼型面板,优化了扭度和锥度,并更新了旋翼性能模型。


设计叶片载荷为

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,根据失速裕度选择,以获得良好的前飞机动能力。该叶片载荷的参考大气是起飞条件,6000英尺高度ISA,旋翼叶尖端速度为450英尺/秒,噪音低。所有旋翼(倾转旋翼除外)的叶片翼型均为VR12内侧和SSCA09外侧,过渡超过85-95%R。VR12翼型具有良好的失速特性,与设计叶片载荷选择一致。当前设计的低叶尖速度不需要尖端的薄翼型,但在最初的开发中使用了薄翼型,以检查叶尖速度的影响。翼型面板是专门为支持这些概念飞机设计而建造的。


针对倾转旋翼,设计叶片载荷为:

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高于其他配置,因为飞机处于高速前进飞行的飞行模式,巡航尖端速度为225英尺/秒,悬停的50%用于高效运行。叶片翼型为NACA-64系列截面,从根部到尖端的厚度t/c=28/18/12/8%(XV-15翼型;分别用于径向站r/R=0.2、0.55、0.8、0.95)。失速延迟模型用于悬停和边缘飞行性能。


通过研究设计叶片载荷和旋翼Profile Power 概念飞行器的影响,可以评估进一步优化翼型的潜在收益,飞机配平方案通过调整飞机控制装置(总距、横向周期、纵向周期和踏板,根据旋翼飞行器类型连接到旋翼和固定翼控制装置)和飞机姿态(俯仰角),在飞机上获得零净力和力矩。对于对称飞机配平,只能使用纵向载荷和控制装置。


四旋翼具有总距控制、交叉轴系和挥舞旋翼。旋翼速度控制被视为一种偏移(固定的总桨距值基于总控制和设计叶尖速度的悬停性能)。四旋翼桨毂位于横向和纵向位置±1.35R(35%间距,臂长1.91R)。后旋翼比前旋翼高0.35R,以提高性能和噪音水平(减少旋翼/旋翼干扰)。重心向前0.8英尺(相对于旋翼之间的中点),以进一步提高前飞配平的性能。旋翼有5个叶片。挥舞频率为1.03/rev(4%R等效铰链偏移),用于低桨毂力矩,从而降低旋翼重量。铰链和俯仰轴采用俯仰襟翼联轴器

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布置,这使得在向前飞行时相对于轴的摆动减少了约30%。支撑臂的重量为7.5 Ib/ft(这一估计给出了实际重量的合理比例)。优化后的叶片几何尺寸具有14度线性扭度和0.95线性锥度比。


QSMR具有传统的直升机控制,带有铰接叶片(挥舞滞后俯仰运动)。原始设计使用NOTAR抗扭矩系统;本研究的基准设计具有低叶尖速度的尾旋翼。主旋翼有6个叶片,叶尖下垂(20度)和锥形(60%),转速为0.94R,以降低噪音。挥舞频率为1.035/rev(相当于铰链偏移量的4.5%)。优化的叶片几何形状具有-14度线性扭曲。尾旋翼设计约束为7lb/ft²的桨盘载荷、Cw/o=0.12和450ft/sec的叶尖速度有6个叶片,83=45度。


横列双旋翼具有总距和纵向周期旋翼控制,带有铰接叶片(挥舞滞后俯仰运动)。旋翼重叠15%(跨度=旋翼直径的85%),以获得最佳巡航性能,旋翼使外侧叶片向前旋转。旋翼有4个叶片,叶尖扫掠(15度)和锥度(60%)为0.94R。并在0.94R时逐渐变细(60%)。挥舞频率为1.035/rev(相当于铰链偏移量的4.5%)。旋翼支撑(机翼)是一种非升降、光滑的结构;根据起飞要求和扭转刚度约束,估算倾转旋翼机机翼的结构重量。优化的叶片几何形状具有-16度线性扭度。


倾转旋翼机具有用于直升机模式飞行的总距和纵向周期变距控制,以及用于飞机模式飞行的固定翼控制,具有无铰链旋翼。旋翼有6个叶片。挥舞频率为1.07/rev(用于估算叶片重量)。优化后的叶片几何形状具有-29度的线性扭度(在50%悬停尖端速度下巡航时不需要非线性扭度)和0.95的线性锥度比。设计机翼载荷为60 lbft²,机翼跨度由机身宽度、旋翼半径(旋翼桨毂位于翼尖)和旋翼机身间隙0.60 ft获得。






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涡轴动力

使用了一种先进技术的涡轴发动机模型。重量模型为W=255.+0.0484P+0.0000353p2

功率P(MRP)以马力为单位,重量以磅为单位。下表给出了性能特征,包括IRP(30分钟)和MRP(10分钟)额定功率值与发动机设计功率(MRP)的比例。机械极限实际上是在规格速度15000 rpm下的扭矩极限。燃油消耗率随着功率的增加而降低。在设计尺寸(660马力MRP)下,发动机重量为288磅(0.44磅/马力)。


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传输损耗为2%。由于发动机性能下降,燃油流量增加了5%。附件损失为20马力。发动机静音要求每台发动机25磅。






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电动机

电动飞机使用高速/低扭矩电机,因此具有从电机到低速高扭矩转子的传动装置。电机和变速器的组合可以被认为相当于专门设计用于承载旋翼稳定和振动负载的电动机。NDARC参数化电机重量模型为:

W=0.5382Q0.8129+0.1P

对于以磅为单位的重量,峰值扭矩Q(ft-lb)和功率P(hp)。该回归方程基于64台电机,功率为20-550hp,转速为100-10000rpm,高扭矩重量比电机的平均误差为25%。第二项是电子速度控制系统的重量。热管理系统有一个单独的模型。下表给出了性能特征,包括IRP(30分钟)和MRP(10分钟)额定值。功率值与发动机设计功率(MRP)成比例。峰值功率实际上是在规格速度6000 rpm时的扭矩限制。基本速度是功率限制和扭矩限制相交的地方。假设电机效率恒定在95%,与地形和速度无关。更完整的发动机性能模型将使用效率图,但用于悬停和巡航的恒定效率可以捕捉到对飞机尺寸的影响。

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接线重量为0.62磅/英尺,接线长度根据电机和蓄电池之间的距离计算。

对于转速受控的旋翼,需要25%的扭矩裕度才能在阵风和机动中对控制做出良好响应。该裕度是通过在所有设计任务段和飞行条件下将可用功率限制在75%(而不是95%)来实现的。






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电池

轻便高效的电池对于电动飞机的设计至关重要。所考虑的电池技术基于MolicelINR-21700-P45B Li-ion电池。电池放电特性下图所示。内阻降低了高放电倍率下的效率。电池的当前输送限制指定为aC速率(容量/小时)。电池模型使用这些曲线(V/Vref,作为放电深度和电流的函数)进行效率计算。设定最大充放电余量以延长电池寿命(就放电充电周期而言):充电至满容量的5-10%以内,放电至15-20%容量,消耗80%的可用能量;放电深度=0.05至0.85。NDARC惯例是,放电容量是指可用能量,输入比能占最小放电深度和最大放电深度限制。安装的比能因包装和调节要求而降低,热管理系统采用单独的型号。

Molicel INR-21700-P45B锂离子电池的比能量为242 Whkg,能量密度为643 WhL。最大脉冲放电电流为10C。在80%可用能量的情况下,电池比能量为194 Whkg。假设电池管理系统为50%,则安装的可用比能为129 Whkg。

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采用电推进的基准设计使用了400Whkg的安装可用电池比能。电池比能量(未安装)为650Whkg;520 Whkg的可用能量为80%,假设电池管理系统为30%,安装的可用比能量为400 Whkg。


热管理系统模型给出了功率、质量流量和推力与排热的函数关系。系统重量取决于设计排出的热量。对于基准飞机,设计散热量为电池功率容量的2%和电机功率的5%。






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成本

飞机的购买成本大致(准确率约为20%)取决于飞机的空重、装机功率和复杂性,以及电子系统的成本。对于电推进,电池的成本明确包含在采购成本估算中。有关于执行传统任务的直升机维护成本的数据,但没有关于从事空中出行的非常规飞机类型的数据。运营成本的一个重要组成部分是燃料或能源成本。如果任务范围足够小,电推进是可行的,那么全电推进配置的能源成本通常较小,即使飞机重量较大。

Harris和Scully开发了一种估算旋翼飞机购买价格的方法,Scott对其进行了修订和扩展。该方法给出了20%以内的价格,因为价格=K(SF),尺寸系数SF=WE04638 p0.5945。这里WE是空载重量,P是装机功率;因子K取决于飞机类型和一些复杂性度量。方程式Price=K(SF)适用于直升机、倾转旋翼机、通用航空和民航飞机,以及商用涡轮螺旋桨飞机和无人驾驶飞机。尺寸因子SF显示为飞机成本的通用缩放参数。美国国家航空航天局的概念飞行器的SF=1500至6000,这意味着根据下图中的数据,单位飞行成本在300万至1000万美元之间。然而,当采用高速制造并生产更多的UAM整机时,UAM行业预计价格将比现有的旋翼机和涡轮螺旋桨飞机低一个数量级。目前还没有数据来评估适用于UAM飞机的系数K,但使用这个尺寸系数来估算概念机的相对成本是合理的。

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根据2024年的数据,运营成本是使用喷气式飞机A每加仑2.31美元的燃料价格和每千瓦时0.0400美元的电力价格计算的。电池成本为每千瓦时50美元,相当于未来十年内的电池购买量。排放交易计划的成本为每千克二氧化碳0.065美元。对于电推进,功率在尺寸系数上降低了0.5倍。任务设备和飞行控制电子设备的成本为每磅5000美元。






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几个结果

以下是4个相关整机概念设计的结果。
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原文参考资料:2025技术和任务变化对NASA的AAM概念整机影响,https://wvul7.xetlk.com/s/1Xr17U。



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