מגמות מתפתחות בעיצוב כנפיים עבור מטוסים היברידים ולקלקטריים

פיתוח ה-WTOL מטוסים היברידיים וחשמליים

דחיפה לעבר תעופה בת קיימא הציבה מטוס היברידי וחשמלי ונחתה (VTOL) בחזית החדשנות של חלל.בניגוד למטוסים קבועים קבועים, eVTOL ועיצובים היברידיים VTOL חייבים לאזן את הדרישות המנוגדות של מעלית אנכית, שיוט יעיל, והפחתה של רעש. עיצוב כנפיים הוא הגורם המשפיע ביותר בהשגת איזון זה, ישירות ליחס מבנים, משקל, ובקרת אנרגיה מתקדמת יותר מאשר חומרים מתקדמים.

דרישות מסחר ב-VTOL Wing Design

השתלטות ונחיתות לכפות מגבלות ייחודיות במהלך המרחף, כנפיים יוצרות גרור ולהוסיף משקל ללא העלאה - רקובים או מניעים לשאת את כל הנטל.בשיט קדימה, כנפיים חייבות לייצר להרים ביעילות כדי להפחית את כוח הגלם מסוללות או מנועים היברידיים.המתח הבסיסי הזה מניע FLT:0 כל החלטה בגיאומטריהFLT:1, החל מיחס למהנדסי אוויריים, חייב גם לשקול את השלב שבו הלחץ הראשוני משתלט בהדרגה על פני מערכת האנרגיה הזו יכול להוביל להפסדים או בהדרגה.

רעש הוא גורם קריטי נוסף עבור ניידות אווירית עירונית (UAM) להיות בר קיימא, מטוס VTOL חייב לפעול בשקט באזורים מאוכלסים. עיצוב כנף משפיע על רעש באמצעות אינטראקציה עם דחף מתעורר ודרך הדור של רעש פורצי דרך.העיצובים המודרניים הטובים ביותר מעצבים כנפיים כדי למזער את החתימות האקוסיביות האלה ללא הקרבת ביצועים אווירודינמיקה.

ארכיון התגבשות

מגוון רחב של תצורה הוא בפיתוח פעיל, כל אחד עם יתרונות נפרדים עבור פרופילי משימה ספציפיים. להלן הם הכיוונים המבטיחים ביותר.

BWB (BWB)

בעיצוב גוף משולב, הפתיחת הציליידית המסורתית וכנפיים נפרדות מתמזגים לתוך משטח הרמת יחיד.זה מבטל את ההתערבות האירודינמית בין כנף וגוף, צמצום הגרור המושרה עד 20-30% בהשוואה לפרוזות צינוריות קונבנציונליות וwing.עבור מטוס VTOL היברידי-אלקטרי BWBBWB מציע סוללות פנימיות משמעותיות עבור, מימן, או מטענים, בעוד שהם צריכים להיות ממהירויות גבוהות יותר ממרחק כדי לשלוט על פני השטח האנרגמטיל, כדי למנוע את ה-Bside, הם יכולים להתמודד עם זאת, כדי למנוע את המהירויות גבוהות יותר מאשר ממערכות האבטחה של מערכות BWide, כמו גם ממרחק של מערכות בקרה מתוחכמות גבוהה.

כמה סטארט-אפים, כולל FLT:0) AirbusFLT:1 עם המושגים של ZEROe, חקרו את הגדרות BWB עבור חברת תעופה המופעלת מימן.עבור פלטפורמות eVTOL קטנות יותר, BWB נשאר השדרה מחקר - אבל אחד המבטיח שיפורים משמעותיים טווח כאשר אנרגיה סוללות בוגר.

כנפיים אחוריות

במקום להסתמך על כנף גדולה אחת, כנפיים מופצות משתמשות במספר משטחים קטנים יותר או ב- lattice של הסרת אלמנטים. בהקשר VTOL, גישה זו זוגות באופן טבעי עם FLT:0 מחולקים להנעה חשמלית (DEP)FLT:1, שבו מנועים קטנים רבים אינם ממוצבים לאורך קצה המוביל של הזרוע.

נאס"א חקרה תצורה נרחבת של מעליות מבוזרות באמצעות פרויקט ההרחבה שלה:0LEAPIRTechFLT:1, מה שמדגים שיפורים משמעותיים ביעילות ההפלגה ותכונות הדוכנים שלה.

תגית: Geometry Wings

הגיאומטריה משתנה כוללת גם מבנים מורפיום - כנפיים שמשנות סומב, גורף, או עיגול בטיסה - ומנגנונים כמו הטיה המנציח את כל הזרוע ביחס למזג.עבור VTOL, עיצובים הטיה משכנעים במיוחד: האגף מסתובב לספק מעלית אנכית במהלך ההמראה והנחתה, ואז מתקפל בחזרה למגמה אופקית קונבנציונלית עבור טיסה קדימה.זה יכול לשלב את היעילות של יכולת הפעלה קבועה עם יכולת תחזוקה מכנית, אך מורכבת, אך מורכבת, אך ורקדה, אך היא מוסיפה משקל מכני, אך ורקו.

כנפיים ממורפינג, לעומת זאת, מסתמכות על עור וגמטורים גמישים כדי להתאים את צורת האוויר בזמן אמת.סטארט-אפ כמו FLT:0) ירוק CarbercioFLT:1 ושחקנים גדולים יותר כגון בואינג הם חוקרים סגסוגת בצורת-זיכרון או pneumatic Actumatic Actumatic Act כדי לאפשר אופטימיזציה חלקה של האוויר.

חומרים ומוצרים מתקדמים

הדרישות מבניות של VTOL הן קיצוניות. Wings חייב לתמוך עומסים סטטיים במהלך המרחף (לעתים קרובות עם pylons או מנועים המצורפים) ועומסים דינמיים במהלך השייטת הגורי, תוך שמירה על אור מספיק כדי לעמוד במטרות מסורתיות.סגסוגת אלומיניום נותן דרך לתהליכים מתקדמים ותהליכי ייצור חדשניים.

Carbon סיבים Reinforced Polymers (CFRP)

מודרני eVTOL לוחות אוויר, כולל אלה של איובי, ליליום וארצ'ר, להסתמך מאוד על סיבים פחמן מרוכבים. CFRP מציע יחסי כוח יוצאי דופן והתנגדות לעייפות, המאפשר מבנים כנף כי הם 30-50% יותר מאשר המקבילות מתכתית.חומר יכול גם להיות מותאם: סיבים מתאימים לנתיבים הספציפיים בכל חלק מהאגף, צמצום השימוש החומרי תוך הגדלת הנוקשות.

ייצור תוספתי ו 3D הדפסה

הדפסה תלת מימדית (ייצור ממכר) היא מהפכה בייצור רכיב כנף. מורכב גיאוגרפיות פנימיות כגון מבנים צמיגים, ערוצי קירור תואמים, נקודות מצורפות משולבות ניתן להדפיס בשלב אחד, לחסל את הממריצים ולהפחית ספירת חלק.זה חשוב במיוחד עבור כנפיים המשלבות מערכות משובצות כמו סוללות או חילופי חום.

לדוגמה, (FLT:0)BoeingFLT:1 הוכיחה 3D-printed titanium כנף ribs כי הם 20% בהיר יותר מאשר המקבילה מכונה.במרחב VTOL, חברות כמו לילאום להשתמש בייצור תוספת לייצור נמוך כרכים של משטחים אווירודינמיים, המאפשרת השקיה מהירה במהלך הפיתוח.

Thermoplastic Composites for Speed and Sustainability

בעוד שתרכובות תרמוסט שולטות בתעופה, תרכובות תרמופלסטיות צוברות מתחנן לכנפיים eVTOL. הם יכולים להיות מחוסנים, ממוחזרים, מעובדים תוך דקות ולא שעות (כמו עם מטענים בעלי משקל אוטומטי) זה הופך אותם אטרקטיביים לייצור גבוה - צורך אם UAM סולמות לאלפים של מטוסים בשנה.

שילוב עם מערכות הנטורינג

ההפיכה הקרובה בין כנפיים לנעוריה במטוסי VTOL יוצרת הזדמנויות חסרות תקדים בתעופה קונבנציונלית.עיצוב כנפיים כבר לא רק על אווירודינמיקה; הוא חייב להתאים ל-FLT:0electric Motors, סוללות, ניהול תרמי ומערכות בקרה מבוזרות, ו-FLT:1.

פיזור חשמלי (DEP)

DEP מקבץ מנועים חשמליים קטנים לאורך האגף.מנועים אלה יכולים לסובב במהירויות שונות ואפילו בכיוון הפוך עבור שליטה ב- yaw.האגף עצמו יכול להיות מתוכנן להפיק תועלת מהזרימה האווירית המושרה על ידי המדחף - תופעה ידועה בשם FLT:0 âbsp;0 âbsp;0 ¢ ¢ ¢ â, ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ¢ ¢ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מטוס X-57 מקסוול של נאס"א, אם כי לא מטוס VTOL, הראה כיצד DEP יכול להפחית את שטח הזרוע ב-50% תוך שמירה על ביצועים מהירים. עבור VTOL, אותו עיקרון חל: ניתן לנפח את האגף עבור השייט, בעוד הרוטורים מספקים את המעלית הנוספת הדרושה לפעילות אנכית.

Embedd Batteries ו- Thermal Management

כנפיים הן מיקום אידיאלי עבור סוללות כי המסה מבוזרת עוזר להפחית רגעים מתפתל שורש הזרוע. עם זאת, סוללות לייצר חום משמעותי במהלך השחרור והטעינה, תאי ליתיום-יון רגישים לתנודות טמפרטורה. עיצובים מודרניים של כנף משלבים דוקטרטים קירור, חומרי שינוי שלב, או לולאות קירור נוזלי בתוך מבנה הכנפיים. כמה מושגים מציעים להשתמש באגף כמו שקוע חום, קרינה חום פסולת כדי אוויר שמסביב.

עבור עיצובים היברידיים חשמליים (שילוב מנוע טורבינות קטן או piston עם סוללות), הזרוע עשויה גם להחנות גנרטור או מיכל דלק.זה דורש ניהול זהיר של שינויים במרכז-של הכובד כמו דלק נצרך וסוללות. עיצובים מתקדמים של כנף משלבים חיישנים ומחוללים שמתאימים את זרימת הדלק או קצב פריקת הסוללה כדי לשמור על איזון אופטימלי.

מבנים חכמים ושטחי בקרה

במקום להסתמך על איילונים מסורתיים, על משטחים, ועל מדרגות, מטוסים רבים של eVTOL משתמשים בשילוב של בקרת מהירות רוטר, מגרשי בקרה קולקטיבית, משטחים של כנף, חלק מהעיצובים מבטלים משטחים מסובכים לחלוטין, תוך שימוש בעומסים שונים לכל שליטה.

אתגרים ופתרונות

מעבר לתצורה וחומרים, מעצבים חייבים לפתור בעיות אווירודינמיקה ספציפיות הייחודיות לטיסה VTOL.

אינטראקציה רוט-וינג

כאשר הרוטורים רכובים על או ליד האגף, הדמיית מטה יכולה ליצור זרימה מורכבת המפחיתה את המעלית ומגדילה את גרר.זה בעייתי במיוחד במהלך המרחף והמעבר. סימולציות של נוזל Computational נוזל (CFD) הפכו חיוניות עבור אופטימיזציה של מיקום רוטטור, צורה כנף, עיצוב דלי כדי למזער הפסדים.מחקרים מראים כי כנף מעוצבת היטב עם סובבים מתחת להשגה יכול 10-15% יותר מאשר יעילות מרחפת.

סטול ופוסט-Stall Behavior

מטוס VTOL פועל לעתים קרובות ליד הגבול הדוכנים במהלך המעבר.האגף חייב להיות מאפיינים דוכי דוכיים דוציל - דום הדרגתי המספק אזהרה ומאפשר התאוששות. לוחות מובילים, גנרטורים טורטקס, או בקרת זרימה פעילה יכול לעזור.

אסטרטגיות ניכוי

רעש פורצ דרך כנפיים הוא תורם גדול לרעש מטוסים הכולל.סרב משטחים (דומה לכנפיים ינשוף), ⁇ שבילים קצוות, ועיצובי צמת גבול כל להראות הבטחה בצמצום פליטות אקוסטיות.האגף יכול גם להיות זוה או עטוף סביב הרוטב כדי להגן על רעש מן הקרקע - טכניקה המשמשת עיצובים איובי ו ליליום.

שיקולים ושיקולי הרשאה

עיצובי כנף עבור מטוס VTOL חייבים לספק את המסגרות המתעוררות של FAA (למשל, חלק 23 תיקון עבור eVTOL) ו-EASA (מצב מיוחד VTOL) דרישות הסמכה כוללים שלמות מבנית תחת עומסי התרסקות, התנגדות לתקיפה ציפור, הגנה ברק, עיצוב לא בטוח עבור מערכות קריטיות. Wings עם סוללות מוטבעות או מנועים חייב להפגין אש ומניעה מבנית אלה.

דוגמאות מובילות בתעשייה

כמה מטוסים עכשיו בבדיקת טיסות ממחישים כיצד מושגי האגף הנוכחיים מוגלים.

• (FLT:0)Joby Aviation S4:FLT:1ir משתמש כנף קבועה עם שישה רוטורים להטות - ארבעה על קצה המוביל כנף, שניים על V-tail.The Wing הוא סיבי פחמן עם יחס גבוה, מותאם ליעילות השייט.
• (FLT:0)Lilium Jetcio:FLT:1 מעסיקים 36 מעריצים גנובים רכובים בכנפיים ו Canards, כל נטייה להשיג מעלית אנכית ודחף קדימה.האגף משמש כגורם ניי ומבני, עם האוהדים מוטבעים בחוד החנית.
• (FLT:0Archer Midnight:03FLT:1) כולל פריסה קונבנציונלית עם 12 מדחף קבוע-pitch (six קדימה, שישה ft) רכוב על כנף.האגף מיועד למעלית מהירה נמוכה והוא גדול יחסית בהשוואה לאגף העבודה, כדי להפחית את טעינת הדיסק ורעש.
• (FLT:0)Beta Technologies Alia: FLT:1 כנף אחת עיקרית עם V-tail ודחף גדול אחד לדחוף קדימה.עבור מעלית אנכית, Alia משתמש ארבעה מעריצים מוכלים ואחד מעליבים זנב אחד בצורת שיוט יעיל, ואת אוהדי המעלית הם מטופסים בתאים אשר מתמזגים לתוך קוטר.

מגמות עתידיות: כנפיים הסתגלות וביו- בהשראת

הדור הבא של כנפיים VTOL יהיה כנראה לשלב מבנים הסתגלותיים להגיב לתנאי טיסה ללא חלקי הנעה דיסקרטית.סגסוגת Shape-memory, טקסטיל מתכנת, ומיקרו-קטרטורים יכולים לייצר כנפיים אשר מורמות מהונאה גבוהה, תצורה מרוממת גבוהה עבור לקיחת גרוטציה לצורה sleek, נמוכה עבור שיוט.

רעיון מתפתח נוסף הוא כנף:0ring או annular WingsFLT 1:1, כנף מלאה, כי סוגרת מדחף או רוטר.זה יכול להפחית באופן תיאורטי אובדן טיפ ורעש תוך מתן תמיכה מבנית עבור מעריצים מחנכים.עם זאת, עיצובים אלה מציגים אתגרים התקנה ועדיין יש להוכיח בטיסה בקנה מידה מלא.

השפעות על אחריות ועל מחזור החיים

אפשרויות עיצוב כנפיים משפיעות על יותר מאשר ביצועי טיסה.שימוש בתרכובות thermoplastic וייצור תוספים יכול להפחית את הפסולת במהלך הייצור ומאפשרות מחזור קל יותר בסוף החיים. חיישנים ניטור בריאות מחוסנים יכול להאריך את החיים כנף על ידי גילוי נזק מוקדם, צמצום תדירות החלפת.כפי הביקוש הגלובלי עבור UAM גדל - פוטנציאל עשרות אלפי מטוסים - ההשפעה המצטברת של ייצור, תחזוקה, וסילוק הופך משמעותי מעצבים.

מסקנה

עיצוב כנף עומד במרכז המהפכה של eVTOL.כל פריצת דרך באירודינמיקה, חומרים ושילוב הנעה פותח אפשרויות חדשות לטווח, תשלום, ירידה רעש וגמישות תפעולית.הדוגמאות והמגמות שנדונו כאן מראות כי עברנו הרבה מעבר לקווי אוויר קונבנציונליים; כנפי המחר יהיו פעילים, הסתגלות, והשקעה משולבת עמוק עם מערכות חשמל.