Будущее устройств с высокой грузоподъемностью в электрических вертикальных взлетно-посадочных (эвтол) самолетах

Быстрая эволюция городской воздушной мобильности (UAM) поставила самолеты с вертикальным взлетом и посадкой (eVTOL) на передний план транспортных инноваций. В то время как технология батарей, двигательные системы и автономия часто доминируют в заголовках, менее известный, но одинаково важный компонент определяет, могут ли эти самолеты безопасно и эффективно переходить между висящим и передовым полетом: устройства с высокой грузоподъемностью. Эти аэродинамические поверхности и механизмы имеют основополагающее значение для создания дополнительного подъема, необходимого во время взлета, посадки и маневров на низкой скорости - именно фазы, когда eVTOL сталкиваются с их наиболее сложными задачами. Поскольку производители стремятся сертифицировать и развертывать самолеты с высокой грузоподъемностью к концу 2020-х годов, понимание будущего устройств с высокой грузоподъемностью становится необходимым для любого, кто отслеживает прогресс в области воздушного обмена, доставки грузов и экстренного медицинского транспорта.

Что такое устройства с высоким лифтом и почему они важны для eVTOL?

Высокоподъемные устройства - это аэродинамические увеличения, которые увеличивают максимальный коэффициент подъема крыла или роторной системы на низких скоростях полета. В обычной авиации с фиксированным крылом они включают передние рейки, передние закрылки и опрокидывание элерона. Для самолетов eVTOL ставки выше, потому что эти транспортные средства должны работать в ограниченных городских условиях с ограниченными посадочными зонами, строгими правилами шума и необходимостью нескольких режимов полета - потолок, переход и круиз. Без эффективных систем высокого подъема eVTOL потребует либо непрактически больших крыльев, либо жертвует полезной нагрузкой и диапазоном.

Физика проста: лифт пропорционален квадрату скорости воздуха и площади крыла. Во время взлета и посадки скорость воздуха близка к нулю, поэтому без устройств высокого подъема крыло производило бы незначительный подъем. Традиционные вертолеты решают эту проблему с помощью роторов с питанием для всех фаз, но eVTOLs стремятся объединить эффективность круиза с фиксированным крылом с вертикальной маневренностью. Высокоподъемные устройства преодолевают разрыв, позволяя относительно маленькому крылу генерировать достаточное количество подъема на низких скоростях, что позволяет сократить потребление энергии, минимизировать шум и увеличить запас прочности.

Аэродинамические принципы, лежащие в основе высокого лифта

Высокоподъемные устройства работают либо за счет увеличения камбера (кривизны крыла), либо за счет увеличения эффективной площади крыла — или того и другого. Например, развернутый передний лоскут увеличивает камбер, что задерживает разделение потока и позволяет крылу генерировать больше подъема при заданном угле атаки. Передние планки заряжают энергией пограничный слой, дополнительно задерживая кабинку. Результатом является более высокий максимальный коэффициент подъема (C_]Lmax), что непосредственно снижает скорость кабинки и позволяет использовать более крутые углы подхода. В eVTOL эти принципы имеют решающее значение во время переходного коридора — диапазон скорости, где самолет переходит от несущих винт лифта к подъемникам крыла. Хорошо спроектированная система высокого подъема сужает этот коридор, сокращая время, затрачиваемое на аэродинамически неэффективное состояние.

Исследователи из НАСА и академических учреждений широко изучили аэродинамику конфигураций eVTOL. Например, в технической статье NASA 2021 изучалось взаимодействие между будкой ротора и крылом, выдвигающим передние закрылки, подчеркивая потенциал значительного улучшения подъема при оптимизации отклонения лоскута относительно нисходящего потока ротора. Такие результаты подчеркивают необходимость интегрированного аэродинамического дизайна, а не просто масштабирования обычных закрылков.

Уникальные требования к бортовому конверту eVTOL

Оболочка полета eVTOL отличается от оболочки любого предыдущего самолета. Она охватывает три различных режима: вертикальное восхождение/спуск, переход на низкую скорость и высокоскоростной круиз. Каждый из них предъявляет различные требования к устройствам с высокой подъемной способностью.

Вертикальная фаза полета

Во время наведения и вертикального подъема крылья по существу застопорились или работают на очень низкой скорости вперед. Любое устройство высокого подъема, которое увеличивает сопротивление (например, развернутый лоскут), фактически снижает эффективность ротора, потому что ротор должен преодолевать дополнительное сопротивление. Поэтому многие конструкции eVTOL убирают или укладывают поверхности высокого подъема во время наведения, чтобы минимизировать сопротивление. Однако некоторые инновационные концепции развертывают закрылки для перенаправления нисходящего потока ротора, создавая полезные эффекты помех, которые увеличивают подъем - метод, известный как «подъем с питанием».

Переходный этап

Переходная фаза является наиболее аэродинамически сложной. По мере того, как самолет ускоряется от зависания к прямому полету, крылья постепенно становятся более эффективными. Высокоподъемные устройства обычно развертываются на низких скоростях, а затем убираются по мере увеличения скорости воздуха. Сроки и скорость удержания должны тщательно контролироваться, чтобы избежать резких изменений в подъеме или перетаскивании, которые могут нарушить самолет. Активные системы управления, которые координируют положение лобового сгиба с тягой ротора и наклоном, являются активной областью исследований.

Шумовые ограничения

Городские операции eVTOL требуют уровней шума намного ниже, чем у вертолетов. Высокоподъемные устройства могут способствовать шуму через разделение потока, вихревое сбрасывание и звуки механического приведения в действие. В поисках более тихих самолетов дизайнеры изучают гладкие морфинговые поверхности вместо дискретных закрылков, а также пористые или зазубренные задней кромки. Стандарты шума Европейского агентства по авиационной безопасности (EASA) для eVTOL, опубликованные в 2023 году, явно рассматривают источники аэродинамического шума, подталкивая производителей к более тихим решениям для высоких лифтов.

Современные технологии устройств с высоким лифтом для eVTOL

В существующих прототипах и концептуальных самолетах eVTOL реализовано или предложено несколько подходов к подъему с высокой грузоподъемностью. Ниже приведены наиболее известные категории.

Развертывающиеся лопатки и решетки

Традиционные плоские закрылки, раздвоенные закрылки и закрылки Фаулера появляются на конструкциях eVTOL от таких компаний, как Archer Aviation (Полуночный самолет) и Joby Aviation. Эти простые, проверенные механизмы обеспечивают предсказуемые аэродинамические характеристики и относительно легко сертифицируются. В Midnight Archer используются передние закрылки на крыле, в которых также находятся восемь вентиляторов подъема, для увеличения подъема во время взлета и посадки, что позволяет использовать меньшую площадь крыла для эффективности круиза. Самолет Джоби использует закрылки, которые интегрированы в заднюю кромку крыла и развернуты во время перехода. Основным недостатком является вес и сложность системы приведения в действие.

Переменные геометрические крылья

Некоторые концепции eVTOL исследуют крылья, которые могут изменять свою форму, например, телескопические или складные кончики крыла, для корректировки площади крыла и соотношения сторон для различных фаз полета. Более крупная площадь крыла во время взлета уменьшает потребность в отклонении лоскута с высокой подъёмностью, в то время как меньшая площадь во время круизных разрезов перетаскивает. Однако механизмы телескопирования добавляют вес и риски механического отказа, что делает их менее распространенными в краткосрочных проектах.

Поклонники лифтов и интеграция с прямым лифтом

Многие eVTOL используют распределенную электрическую тягу (DEP) с несколькими вентиляторами подъема, встроенными в крыло или канарду. Эти вентиляторы генерируют вертикальный подъем непосредственно, эффективно действуя как мощные устройства высокого подъема. Путем направления потока розетки вентилятора над поверхностью крыла, дизайнеры могут достичь контроля циркуляции - вздувание воздуха над крылом для задержки разделения и подъемного подъема. Лилиевый реактивный двигатель использует массив проводящих электрических вентиляторов вдоль своих передних краев горчицы и крыла; в то время как в первую очередь для движения, поток, вызванный вентилятором, также обеспечивает высокий подъем. Beta Technologies Самолет Alia сочетает в себе традиционное крыло с конфигурацией винта, производящего подъем. Интегративные подходы размывают линию между движителем и высоким подъемом, предлагая потенциальный прирост эффективности.

Крылья контроля циркуляции

Вместо движущихся поверхностей управление циркуляцией использует серию слотов или струй для продувания воздуха по изогнутым задней кромке. Управляя эффектом Коанда, эти системы могут достигать высоких коэффициентов подъема без громоздких закрылков. Они легче и потенциально более надежны, но требуют сжатого воздуха или кровоточащего воздуха, что добавляет сложность системы. Исследования в Университете Дейтонской лаборатории технологий воздушных транспортных средств продемонстрировали впечатляющие улучшения подъема с использованием управления циркуляцией на секциях крыла eVTOL.

Активное управление пограничным слоем посредством всасывания или продувания может предотвратить разделение на верхней поверхности крыла. В то время как энергоемкие электрические компрессоры в eVTOL могут эффективно питать такие системы. Отсасывание удаляет низкомоментальный воздух вблизи поверхности, поддерживая прикрепленный поток под высокими углами атаки. Эта технология все еще находится на лабораторной стадии для применений eVTOL, но исследования, опубликованные в журнале Aerospace Science and Technology , предполагают ее осуществимость для городских воздушных транспортных средств.

Ключевые проблемы и инженерные торговые операции

Ни одна система подъема не идеальна. Каждое дизайнерское решение включает компромиссы, которые влияют на общую производительность самолета, стоимость и путь сертификации.

Вес и сложность

Механические закрылки, петли, приводы и управляющие звенья добавляют значительный вес - обычно от 3% до 8% веса крыла для обычной системы закрылков. Для eVTOL, где каждый килограмм уменьшает дальность или полезную нагрузку, могут быть предпочтительны легкие альтернативы, такие как фиксированные рейки (которые всегда развернуты) могут быть предпочтительными, даже при стоимости круизного сопротивления. Морфиновые системы предлагают потенциальную экономию веса, но вводят новые проблемы надежности. Производители также должны учитывать потребность в мощности для приведения в действие; электрические приводы для поверхностей высокого подъема могут составлять до нескольких киловатт во время развертывания.

Надежность и избыточность

Высокие отказы подъемных устройств являются известной опасностью в авиации, приводящей к авариям, таким как крушение Spanair 2008 года (MD-82). eVTOLs будет работать на малых высотах над населенными районами, требуя чрезвычайно низких показателей отказов. Излишние приводы, механические замки и заторможенные конструкции имеют важное значение. Руководящие принципы сертификации от EASA и Федерального управления гражданской авиации США (FAA) требуют, чтобы заторможенный клапан не предотвращал безопасную посадку. Для tiltrotor eVTOL, отказы высокого подъема также могут влиять на стабильность перехода, добавляя сложность к законам управления полетом.

Аэродинамическое вмешательство в роторы

Когда устройства с высоким подъемом развернуты вблизи путей пробуждения ротора, взаимодействие может быть полезным или вредным. Вентилятор, расположенный в нисходящем потоке вентилятора подъемника, может испытывать повышенное динамическое давление, но также неустойчивую нагрузку, которая снижает эффективность вентилятора. Вычислительная динамика текучей среды (CFD) моделирование должно точно фиксировать эти взаимодействия. Тесты ветровых туннелей интегрированных систем с высоким подъемом и тягой редки и дороги, замедляя прогресс.

Шум и принятие сообщества

Как уже упоминалось, шум является ограничивающим фактором рынка. Навесные закрылки могут создавать резкие тона; штриховые зазоры генерируют широкополосный шум. Гладкие морфинговые поверхности и контроль циркуляции более тихие, но менее зрелые. Сертификация шума, вероятно, заставит производителей использовать развертывания с низким уровнем шума и, возможно, активное шумоподавление через управление лопастями ротора.

Дорога впереди: сертификация, тестирование и принятие на рынке

Путь к производству eVTOL с передовыми устройствами высокого подъема проложен с тщательным тестированием и нормативным контролем. И EASA, и FAA разрабатывают специальные условия и средства соответствия для этих новых конфигураций.

Система сертификации

Специальное условие EASA для малых категорий VTOL (SC-VTOL) требует, чтобы системы с высокой грузоподъемностью демонстрировали «неопасное состояние отказа», включая заторы, асимметричное развертывание и непреднамеренные опровержения. Инициатива FLT:0 FAA по усовершенствованной воздушной мобильности (AAM) работает над эквивалентными стандартами. Сертификация систем с морфингом или интеллектуальными материалами потребует новых методов испытаний, потому что существующие предположения об усталости и долговечности могут не применяться. Такие компании, как Wisk и Volocopter, уже взаимодействуют с регулирующими органами по этим темам.

Тестирование парадигм

Тестирование ветровых туннелей остается важным, особенно для трансзвуковых режимов, где eVTOL может достигать 150-200 узлов. Однако полномасштабные испытания ветровых туннелей моделей eVTOL с вращающимися пропеллерами дороги. Вместо этого производители в значительной степени полагаются на CFD и пилотируемые тренажеры для определения графиков подъема. Летные испытания отказов системы подъема в контролируемой среде (например, с использованием парашютной системы) также запланированы большинством разработчиков.

Дифференциация рынка

По мере развития рынка eVTOL высокая производительность подъемных устройств может стать конкурентным дифференциатором. Самолет с более коротким переходным временем использует меньше энергии батареи, переводя на больший диапазон или больше пассажиров. Тихие системы подъема будут предпочтительны в шумочувствительных городских районах. Компании, которые могут сертифицировать надежные, эффективные и тихие устройства подъема, получат значительное преимущество.

Заключение

Высокоподъемные устройства могут быть не самым заметным компонентом самолета eVTOL, но они являются одними из наиболее важных для достижения обещаний городской воздушной мобильности. От обычных развертываемых закрылков до меняющих форму крыльев и управления циркуляцией технология быстро развивается, чтобы удовлетворить уникальные требования вертикального полета. При постоянных инвестициях в материалы, элементы управления и интегрированный дизайн в следующем десятилетии будут представлены системы высокого подъема, которые легче, умнее и тише, чем что-либо в авиации сегодня. Для инженеров, регулирующих органов и общественности понимание этих достижений обеспечивает более четкую картину того, как eVTOL будут безопасно и эффективно ориентироваться в наших будущих городах.