מטוס טיהור ולנדינג (eVTOL) מייצג שינוי פרדיגמטי בניידות אוויר עירונית, מבטיח לעקוף עומס הקרקע על ידי הפעלת מוטציות בתוך ערים.עם זאת, ההצלחה של מטוסים אלה נשענת על אתגר הנדסי מרכזי אחד: אופטימיזציה דחף.בניגוד מסוקים קונבנציונליים, eTOLs להסתמך על הנעה חשמלית מבוזרת - מסובבים מונעים על ידי מנועים חשמליים - כדי לייצר רמות הגנה ולהשיג את רמות אבטחה ישירות לתוך מערכת ההפעלה.

הפיזיקה של Thrust: Rotor Aerodynamics and Power דרישות

(ב) ב[[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1966]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]] [[[[1966]]]],

במרח, eVTOL רוטטורים פועלים במצב דחף סטטי שבו הכוח המושרה שולט.במהלך הטיסה קדימה, הרוטור חווים זרימה אשר מפחיתה הפסדים מושרה, מה שהופך את השייט יעיל יותר מבחינה אווירית - בתנאי שהרוטטורים אינם מייצרים פרופיל מוגזם.יחס דחף לכוח, או FLT:0liftive יעילות FLT:1, ולכן אינו קבוע; עם שלב רפיח, מתפתל, דורש שינויים קלים, מתפתלים, בין המעטפת (אוב) בטווח הארוך, ירידה מהירה, ירידה,).

מפתח אופטימיזציה של Thrust Optimization

יעילות ובחירת

מנועים סינתטיים קבועים של מגנטים (PMSMs) הם הבחירה הדומיננטית עבור eVTOLs עקב צפיפות גבוהה של מערכת ההפעלה ואת יעילות (לעיתים קרובות מעל 95%) מנועים של שפעת, הידוע גם בשם pancake מנועים, הם יותר פופולרי כי הם מציעים גורם צורה שטוח כי משלבת גם עם duced או פתוח תוך מתן יחס גבוה משקל כוח גבוה אופטימיזציה מוטורי, אבל באופן מיידי של מנועים).

עיצוב: Rotor Design

הגיאומטריה ישירות שולטת בייצור דחף ויעילות. להבים יחסי היבט גבוהים (להבים ארוכים) להפחית את הגרור המושרה ולשפר את היעילות במהירויות נמוכות, אבל מציב אתגרים מבניים ולהגדיל את הרגישות ל-Tourtices.Ritch רוטטים משתנים מאפשרים הסתגלות דינמית של זווית דחף לחץ נמוך מדי, אבל להוסיף מורכבות מכנית ומשקל.

ניהול כוח סוללה

סוללות הן החוליה החלשה ביותר באופטימיזציה של ה- eVTOL. תאי ליתיום-יון עם שיניים אנרגיה דחיסות סביב 250-300 Wh / ק"ג עדיין מגבילה את משך הטיסה לבערך 20-30 דקות עבור רוב עיצובים בקנה מידה נוסעים.לספק את הכוח הגבוה הנדרש עבור צפיפות אנרגיה מתקדמת (לעתים 2-3 פעמים כוח ההפלגה) דורש כי שמירה על קצבה גבוהה (5- C) ללא מתח מופרז או מערכות טעינה טמפרטורה (מתח תרמיים) כדי להפחית את הלחץ).

בקרת טיסה Algorithms

מודרני eVTOLs להשתמש במערכות בקרת טיסה סגורה אשר משנה את המנוע RPM (ולפעמים סט קולקטיבי) אלפי פעמים בשנייה.הקצאת דחף על פני מספר רב של רוטורים היא בעיה אופטימיזציה מחוספסת: מערכת הבקרה חייבת ליצור את הכוח הנקי הנכון וכדי להישאר במקום תוך שמירה על מגבלות מוטוריות, הימנעות ריצוף, וצמצום צריכת האנרגיה.

ניכוי משקל ואופטימיזציה של חלקיקים

יעילות Thrust קשורה ישירות למשקל מטוסים: כל קילוגרם של מסגרת אוויר, סוללה, מטען, או מנוע מייצג דרישה דחף כי חייב להיות מרוצה על ידי כוח רוטר. Composite מבנים (סיבים פחמן ו-epoxy) משמשים נרחב כדי להפחית משקל ללא כוח הקרבה.עם זאת, מבנים קלים עדיין חייבים לעמוד בתנודה גבוהה של רוטטים ואפקטים קרקעיים.

שיטות תגמול וניסוי עבור אופטימיזציה של Thrust

מהנדסים מסתמכים על שילוב של דינמיקות נוזליות חישוביות (CFD), תיאוריית הדיסק של Actuator, ובדיקת מנהרה רוח כדי לחדד את הביצועים דחף ביצועים. סימולציות CFD גבוה באמצעות ריינולדס-הבוגר Navier-Stokes (RANS) או סימולציה מנותקת (DES) יכול מודל זרימה סביב מערכות רוטטור שלם, לכידת אינטראקציות והורדת השפעות ממזג האווירוזמות, ולכן הם ביעילות, עבור מודלים חישוביים מורכבים, אך ורקמות, אך ורקמות, הם, אך ורקמות, אך ורקמות, הם משתמשים.

אימות ניסיוני נשאר חיוני.בדיקת חומרים המדורגים דחף, מומנט, ו-RPM בזוויתות שונות של blade כרזות לספק נתונים של קליברציה עבור מודלים אנליטיים.עבור eVTOLs, מטוסים שלמים נבדקים לעתים קרובות במנהרות רוח גדולות במתקנים כמו נאס"א Ames National Full-Scale Aerodynamics Complex. Telemetry מ- אבטיפוס טיסות - מנוע הנוכחי, RPM, רטט, ו- GPS, ביצועים GPS - GPS - הוכחה סופית של נתונים של נתונים של נתונים.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

כמה מהסחר הבסיסי לעשות אופטימיזציה דחף לבעיה הנדסית רב-אובייקטיבית.הידוע ביותר הם רעש לעומת יעילות ורחף מול ביצועי השייט.

רעש לעומת יעילות

פעולות עירוניות דורשות רמות רעש נמוכות - באופן חד-משמעי מתחת לגיל 65 dBA ב 50 מטרים לקבלת הקהילה. Thrust אופטימיזציה עבור רעש נמוך לעתים קרובות סכסוכים עם יעילות אווירודינמית.לדוגמה, צמצום מהירות טיפ ב -20% יכול להוריד רעש על ידי 6-10 dB, אבל זה גם להפחית דחף עבור קוטר רוטטור מסוים, הדורש רקובים גדולים יותר או טעינה גבוהה יותר.

Hover vs. Cruise Efficiency

רוטר מותאם למרחף מייצר דחף סטטי גבוה במהירויות נמוכות המושרה, אבל בטיסה קדימה, אותו רוטטור חווה זווית גדולה של סימטריה התקפה, גרימת דוכני גילוח נסוג וגרור גבוה.conversely, רוטר מנוצל אופטימיזציה עבור השייט (עם משקל חזק יותר ועוצמה נמוכה) לא מצליח לייצר מספיק דחף מרחף ללא מהירות יתר.

רדודה מול משקל וביצועים

דרישות הסמכה תחת FAA חלק 23 או EASA SC-VTOL דורש כי eVTOL לשמור על טיסה מבוקרת לאחר הכישלון של מנוע יחיד או מניע.זה מכתיב מספר מינימלי של רוטטורים (בדרך כלל 6-8) ולעתים קרובות דורש שכל אחד מהם כישלונות רוטטור יכול להיות פיצוי על ידי הגדלת כוח רוטטנים.

אתגרים ב- Thrust Optimization

ניהול ארס

מנועים בעלי צפיפות גבוהה ומניעים מייצרים חום משמעותי – לעתים קרובות 2-5 קילוואט של הפסדים תרמיים לכל מנוע במהלך מרחף מתמשך.ללא קירור יעיל, מגנטים demagnetize, בידוד דרמות, ויעילות צנחנים.אוויר קירור עם להבים משולבים מאווררים הוא נפוץ, אבל עבור עיצובים בעוצמה גבוהה, לולאות קירור עם קורנטורים ומשאבות הופכים הכרחיים.

הכחשת האנרגיה והחיות

סוללות ליתיום-יון נוכחיות עדיין נופלות קצרות מהמטרה של 500 Wh / ק"ג הדרושים לפעילות eVTOL קיימא מבחינה כלכלית עם טווח מורחב.יתר על כן, רכיבה על אופניים גבוהה במהלך כל טיסה מאיצה את ה ⁇ ה-Rirmal ופריאות עמוקות לגרום ליתיום בשפע, אשר לא רק מפחיתה את היכולת אלא מגבירה את ההתנגדות הפנימית, עוד עלייה בביצועים של סוללות ממושכות כיום גבוהה מאוד, מהמשכות, מהצמיחה של סוללות פוטנציאל ארוך טווח, אלא גם כן.

פיצוי והסמכת

מערכות Thrust חייבות לעמוד בדרישות ההסתברותיות של כישלון (למשל, 1×10-9 לשעה טיסה עבור כשלים קטסטרופליים) דרישות בדיקה קפדנית של מנועים, בקרים, מניעים, והעלאת רתימות עבור ריצות תרמיות, נזק חיצוני, וסובלנות תקיפה ברקת של תצורה הנעה מבוססת של תצורה חדשה - כגון הפצת הנעה חשמלית עם בקרים עצמאיים - שיטות חדשות של ציות, במיוחד עבור קונצנזוס ורמת זמן מורכבת.

רעש והסכמה קהילתית

כאמור, מגבלות רעש עירוניות מגבילות את שעות התפעול ואת נתיבי הטיסה.גם אם מטוס פוגש גבולות הסמכה, החתימה הקולית שלו (הנזקים הקרניים, whine גבוה) עדיין עלולה לעצב את התושבים.האופטימיזציה של Thrust חייבת לכלול מדדים פסיכו-אקטיים כמו חדות וצעצוע, לא רק רמות dBA. Acoustic, מעריצים מטופחים, ו-Rirdsrererererererere יכול להפחית את הרעש, אלא להוסיף משקל.

כיוונים עתידיים ב- Thrust Optimization

מחקרים מתקדמים נועדו לדחוף ביצועים דחף eVTOL הרבה מעבר למדדים הנוכחיים.כמה כיוונים מבטיחים מתעוררים:

המונחים: Electric Propulsion (DEP) and Over-Wing Proellerאינטגרציה

DEP משתמש במספר רב של רוטורים קטנים התפשט לאורך קצה המוביל של כנף כדי להגדיל את זרימת האוויר על הזרוע, להגביר את המעלית ולהפחית את מהירות הדוכנים. במהלך ההמראה, את הדחף מן המדחף הזה יכול להיות וקטורד לתרום גם להאצה קדימה.תצורה זו משפרת את היעילות האירודינמית הכוללת ומפחיתה את דחף הנדרש לטיסה אנכית.

מעריצים ורוקדים

הסגירה של רוטורים בתוך דוקטרקטים מפחיתה את אובדן טיפ ורעש תוך מתן דחיפה של 30–50% בצחף בשל אי-uniform inflow. Docts גם להגן על ידי צופים והריסות.הצד התחתון הוא משקל מוגבר, גרר בטיסה קדימה, והתערבות גבול דו-קוט.

Superconducting Motors and Cryogenic Power Systems

מנועים בעלי טמפרטורה גבוהה יכולים להשיג נחיתות חשמל מעל 20 קילוואט / ק"ג, להפחית באופן דרמטי את משקל המנוע עבור פלט דחף נתון. HTS פועל גם בהתנגדות חשמלית ליד אפס, מה שהופך אותם יעילים מאוד. עם זאת, הם דורשים קירור Cryogenic (לקרוא חנקן או מימן), הוספת מורכבות משמעותית.

היברידית-חשמלית ו- Hydrogen Fuel Propulsion

כדי להתגבר על גבולות צפיפות האנרגיה של סוללות, תצורה היברידית-חשמלית משתמשת טורבינה קטנה או תא דלק כדי לייצר חשמל רציף, בעוד סוללות להתמודד עם דחף שיא במהלך טיסה אנכית. גישה זו יכולה להאריך טווח עד 200 ק"מ או יותר. תאי דלק הידרוגן לייצר רק פליטות מים אבל דורשים אחסון בלחץ גבוה או Cryogenic. Thrust אופטימיזציה במערכת היברידית הופכת לבעיה ניהול כוח: כאשר להשתמש בסוללה, כאשר להפעיל את הגנרטור, וכיצד לכל רכיב יעיל עבור כל רכיב אופטימלי עבור יעילות פרופיל אופטימלית.

בקרה מתקדמת עם רשתות נילי

מודלים של למידת מכונות המאומנים על נתוני טיסה יכולים ללמוד מדיניות הקצאה אופטימלית כי אלגורי בקרה קלאסית, במיוחד במצבי למידה דהרד או כישלון. Reinforcement Learning (RL) הוחלה על ידי בקרת מל"טים quadrotor עם תוצאות מרשימים, וטכניקות דומות מוגדלות למולטי-rotor eVTOLs. Neural בקרים ברשת Neural יכול להתאים לעומס, רוחות, ופעולות בזמן אמת, ביצועים מסולקים, מסוללות, ומציאותיים, מסוללות זמן, ביצועים נוספים.

(האופטימיזציה של Thrust נותרה האתגר ההנדסי של מטוס eVTOL.כל החלטה עיצובית - מרוטב וספירת להב לסוג המנוע וכימיה סוללה - מפרסמת דרך כל המעטפת הביצועית, כפי שטכנולוגיית סוללות משתפרת, שיטות חישוביות בוגרות, והוראות הסמכה הופכות ברורות יותר, הדור הבא של eVTOLs תשיג יעילות כי ניידות עירונית היא יעילה ועולה: