Il ruolo girevole dell'Empennage in Aereo elettrico e ibrido

L'integrazione dei sistemi di aerodinamica e di aerodinamica, che si basano sull'integrazione dei sistemi di propulsione elettrica e ibrida, è un elemento fondamentale di qualsiasi aeromobile a motore, responsabile della stabilità longitudinale e direzionale, nonché del controllo del passo e della zampa.

Le funzioni principali dell'Empenage

Prima di esaminare considerazioni specifiche elettriche, è essenziale comprendere i ruoli fondamentali aerodinamici che l'amplificatore svolge. L'assemblaggio di coda fornisce stabilità circa gli assi laterali (pitch) e verticali (yaw) e ospita le superfici di controllo che permettono al pilota o al sistema di controllo del volo di manovrare l'aereo.

Piazzola stabilità e controllo

Lo stabilizzatore orizzontale genera una forza aerodinamica verso il basso (o talvolta verso l'alto) per contrastare il momento di lancio del naso-salto prodotto dall'ascensore dell'ala. Questo assicura che l'aereo ritorni al suo angolo di attacco tritato dopo un disturbo. L'ascensore, una superficie di traino a cerniera sullo stabilizzatore orizzontale, fornisce il controllo del passo.

Stabilità direzionale e controllo

Lo stabilizzatore verticale fornisce stabilità del cock, mantenendo il naso allineato al vento relativo. Il timone apporti al controllo dello stabilizzatore verticale yaw e viene utilizzato per curve coordinate, sbarchi a traforo e scenari di motore-out. In aeromobili elettrici a due motori montati sulle ali, spinta asimmetrica da un guasto motore impone un momento di sbavatura.

Integrazione delle superfici di controllo

Nelle aeromobili elettrici, il peso e le esigenze di potenza degli attuatori sono fondamentali. Gli attuatori elettrici di controllo del volo (EMA o EHA) stanno diventando comuni, sostituendo sistemi idraulici più pesanti. L'integrazione di questi sistemi con l'autobus di distribuzione dell'energia elettrica dell'aereo deve essere progettata con cura per garantire la ridondanza e la tolleranza dei guasti.

Sfide di progettazione uniche per Powertrains elettrici e ibridi

Gli aeromobili elettrici e ibridi presentano diversi fattori che influenzano direttamente il design dei vuoto, tra cui il centro di buste a gravità spostato, la coppia elevata delle eliche di grande diametro, i sistemi elettrici ad alta tensione e la necessità di massimizzare l'efficienza aerodinamica per compensare la minore densità di energia delle batterie.

Gestione Centro-di-Gravity (CG)

Le batterie sono pesanti, in genere intorno a 200-250 Wh/kg a livello del pacchetto, rispetto a 12.000 Wh/kg per il carburante a getto. In una configurazione ibrida, il motore a combustione interna e il generatore aggiungono il peso. Il posizionamento delle batterie è spesso limitato dalla struttura del telaio e dalle considerazioni di sicurezza (contenimento del fuoco di batteria).

Effetti di coppia e P-Factor

I motori elettrici possono produrre coppia completa istantanea e molti aerei elettrici utilizzano propulsori di grande diametro, a lento giro per l'efficienza. Questi eliche generano una coppia significativa e un ascensore asimmetrico (P-factor) ad angoli elevati di attacco. I momenti di rotolamento e sbavatura risultanti devono essere contrastati dalle code verticali e orizzontali. In alcuni casi, la spinta differenziale del motore può essere utilizzata per il controllo della yaw (motor-based differenziale.

Sistemi ad alta tensione e interferenze elettromagnetiche

I cavi ad alta tensione, attraversati attraverso la coda, possono creare interferenze elettromagnetiche (EMI) con segnali di controllo del volo. Inoltre, la gestione termica di questi componenti può richiedere condotti di raffreddamento o scambiatori di calore, che possono interrompere la forma aerodinamica pulita delle superfici di coda.

Richieste di efficienza aerodinamica

Gli aerei alimentati a batteria soffrono di una penalità di gamma rispetto agli equivalenti combustibili fossili. Ogni conteggio di trascinamento conta. L'ampennale contribuisce circa il 10-15% della resistenza totale degli aerei in crociera. I progettisti devono ridurre l'area bagnata, ottimizzare le forme di aerodinamica e considerare il controllo del flusso laminare. L'uso di canali aeronautici naturali (NLF) sugli stabilizzatori, a volte con aspirazione attiva, può ridurre la resistenza della superficie di attrito è sensibile alla pelle.

Design aerodinamico e dimensionamento dell'Empennage

Il dimensionamento delle code orizzontali e verticali è regolato da coefficienti di volume di coda classici, che riguardano l'area di coda e il braccio di istante alle caratteristiche aerodinamiche dell'ala. Per gli aerei elettrici, questi coefficienti devono essere aggiornati per tener conto dei derivati di momento di pitching alterati e degli effetti di potenza.

Tail Volume orizzontale Coefficiente

La formula di base è: V H = (S]h]] * Lh) / (S

Tail Volume verticale Coefficiente

V[LT][FLT]][[FLT]]][S]]] [FLT]]]] [[FLT]]][[[[FLT]]]]] [[[L'area di controllo verticale[FLT]][[[FLT]]]][[[[[[Scheda]]]]]]][[[[FLT]]]]]]]]]]][[[[[[[[[[[[[[[Spacchetta]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]

Selezione del profilo di coda

Gli airfoil simmetrici (ad esempio NACA 0012, 0015) sono comuni per le superfici di coda perché forniscono zero lift ad angolo zero di attacco. Tuttavia, per gli aerei elettrici che si concentrano sull'alta efficienza di crociera, code camberate che producono un piccolo download in crociera per compensare il naso-pesante CG può essere utile. Il trade-off è maggiore trascinamento in altre condizioni di volo.

Innovazione strutturale e materiale

L'ampenennage deve sopportare carichi aerodinamici, carichi dinamici da gomme e manovre, e potenziali carichi di movimentazione (coperture di coda).

Compositi e produzione additiva

Per gli aeromobili elettrici, la capacità di legare o co-cure i membri strutturali con percorsi elettrici integrati (ad esempio, per la de-icing, antenne) è vantaggiosa. La produzione aggiuntiva (3D) di staffe e raccordi in titanio o alluminio consente la realizzazione di componenti compositi topologici-ottimizzati che possono essere ad alta densità di peso.

Monitoraggio della salute strutturale

Per gli aerei elettrici ad alto utilizzo (ad esempio, mobilità urbana), è importante prevedere la durata della fatica. La struttura della coda può essere progettata con tolleranza ai danni in mente, utilizzando più percorsi di carico e pannelli di accesso all'ispezione.

Illuminazione e sicurezza elettrica

L'aeromobile elettrico deve soddisfare i requisiti di protezione dei fulmini. L'ampennage è un probabile punto di attacco. Mesh conduttivo in strutture composite, strisce di deviatore fulmine e cinghie di incollaggio sono utilizzati per condurre le correnti in modo sicuro. Inoltre, le batterie e i cavi ad alta tensione nella coda devono essere isolati dal telaio dell'aria per evitare l'archiviazione.

Configurazioni innovative di Empennage

Lo spazio di progettazione per le code di aeromobili elettrici si sta espandendo oltre i layout convenzionali.

V-Tails e Ruddervators

Un V-tail combina le funzioni degli stabilizzatori verticali e orizzontali in due superfici a cantone, con i timoneri che forniscono sia il controllo del passo che del yaw. Ciò riduce l'area e il peso bagnati, e può posizionare i motori propulsivi lontano dalla scia dell'ala. Il Pipistrel Velis Electro]] utilizza un V-tail, che semplifica anche la complessità del conteggio e riduce i componenti.

Batterie a T-Tails e Empennage-Mounted

Una coda T posiziona lo stabilizzatore orizzontale in cima alla pinna verticale. Questa configurazione sposta la superficie orizzontale dal lavaggio a terra e le eliche, migliorando la risposta al passo. Consente inoltre di utilizzare la fusoliera a poppa per l'archiviazione della batteria. Diversi concetti di idrovolante elettrici impiegano le code T per mantenere il piano di coda pulito dallo spray.

Canard e disegni a tre superfici

Le configurazioni di candeggine hanno una superficie orizzontale in avanti e una superficie posteriore (più piccola). In aeromobili elettrici, i candeggi possono permettere alle ali principali di avere rapporti di aspetto più elevati e una resistenza ridotta. La superficie posteriore agisce come stabilizzatore e talvolta come superficie di controllo.

Ala volante e disegni senza coda

Alcuni aerei elettrici eliminano completamente l'ampennage, utilizzando elevons e timone ala per il controllo. La NASA X-57 Maxwell (distribuita propulsione) e vari progetti di droni seguono questo approccio. Le configurazioni senza coda hanno la resistenza più bassa ma richiedono sistemi di aumento della stabilità sofisticati (SAS) per mantenere il controllo.

Controllo attivo del flusso sulle superfici del tallone

I ricercatori stanno sperimentando con attuatori a getto sintetico, soffiando e aspirando su superfici posteriori per aumentare la separazione degli ascensori e dei ritardi a basse velocità. Per gli aerei elettrici con potenza elettrica disponibile, questi sistemi possono ridurre le dimensioni e la resistenza della coda necessarie. Un esempio notevole è il progetto dell'Unione Europea ]Afficienza AFFECT]]]]] che ha dimostrato il controllo attivo del flusso su una coda verticale per ridurre la dimensione del timoneteriale per migliorare.

Integrazione e certificazione dei sistemi

La progettazione dell'impianto elettrico o ibrido non è solo un compito aerodinamico o strutturale; comporta una stretta integrazione con i sistemi di controllo elettrico, termico e aereo. La certificazione in base alla parte 23 o alla parte 25 (o equivalente per l'Europa, CS-23/25) richiede la dimostrazione che la coda può sopportare tutti i carichi e i guasti prevedibili.

Aumento della stabilità e della velocità

Molti aerei elettrici sono stati progettati con sistemi di controllo full fly-by-wire (FBW), comprese le superfici di empennage. Questo permette una stabilità statica rilassata (RSS) per ridurre la dimensione e la resistenza della coda. I computer di controllo del volo modulano le superfici migliaia di volte al secondo per mantenere la stabilità. Per la certificazione, più canali ridondanti e software dissimili (ad esempio, utilizzando due diversi microcontroller) sono necessari.

Gestione termica dei componenti modificati

Se inverter o motori sono alloggiati nell'ampennale, il calore dei rifiuti deve essere respinto. Ciò può richiedere lavelli di calore montati su superficie, ingressi dell'aria del ram, o circuiti di raffreddamento liquidi percorsi attraverso la struttura. L'impatto aerodinamico di queste caratteristiche deve essere minimizzato. Ad esempio, un scoop sulla pinna verticale per il raffreddamento dell'aria può aggiungere resistenza alla pressione.

Certificazione di rumore

Gli aeromobili elettrici sono generalmente più silenziosi, ma l'ampenennage può ancora contribuire al rumore, soprattutto nella configurazione di avvicinamento quando i piloti dispiegano freni o patta di immersione posteriori. Inoltre, l'interazione di elica si sveglia con le superfici di coda può produrre rumore tonale.

Conclusioni

Il design di empennale per gli aeromobili elettrici e ibridi è una sfida multidisciplinare che si basa sull'aerodinamica classica, incorporando nuove tecnologie e vincoli. Il passaggio al centro della gravità a causa del posizionamento della batteria, l'alta coppia e il fattore di coda di P dai motori elettrici, e la spinta irreversibile per l'efficienza aerodinamica richiedono soluzioni innovative come il controllo attivo del flusso, FBW ha aumentato la stabilità e le configurazioni di coda alternative come V