Будущее электрических самолетов: управление перетаскиванием и подъемом для расширенной дальности и эффективности

Переход на электрическую тягу в авиации обещает сократить выбросы углерода, снизить эксплуатационные расходы и обеспечить новые конфигурации самолетов. Однако ограниченная плотность энергии текущей технологии аккумуляторов ставит жесткий потолок на дальность полета и выносливость. Чтобы преодолеть это ограничение, инженеры должны выжать из планера все возможные выгоды от эффективности, и нет более важного фактора, чем тщательное управление перетаскиванием и подъемом. В этой статье рассматриваются аэродинамические принципы, которые регулируют характеристики электрических самолетов, последние конструктивные инновации, направленные на снижение перетаскивания и повышение подъема, и оперативные стратегии, которые сделают электрический полет практичным для коммерческих, региональных и городских приложений воздушной мобильности.

Аэродинамический вызов для электрических самолетов

Обычные самолеты сжигают топливо, которое становится легче по мере продвижения полета, уменьшая нагрузку на крыло и повышая эффективность. Электрические самолеты, напротив, переносят батареи, вес которых остается постоянным на протяжении всей миссии. Этот фиксированный вес требует конструкции, которая генерирует достаточный подъем на всех этапах полета без создания чрезмерного сопротивления. Кроме того, электродвигатели и контроллеры имеют разные требования к управлению температурой, чем газовые турбины, что влияет на то, как воздух течет над и вокруг самолета. Понимание взаимодействия между подъемом, сопротивлением и уникальными ограничениями электрических силовых агрегатов является основой каждой успешной конструкции.

Почему сокращение драги не подлежит обсуждению

Драг - это сумма всех сил, которые противостоят движению самолета по воздуху. Он состоит из сопротивления паразитов (тормоза формы, трения кожи, сопротивления помех) и индуцированного сопротивления (тряпки, создаваемой генерирующим лифтом). В электрическом самолете с батарейным питанием каждый киловатт-час накопленной энергии должен использоваться максимально эффективно. Снижение сопротивления на 10% может дать увеличение дальности примерно на тот же процент, но поскольку батареи тяжелые, штраф за высокое сопротивление даже круче, чем для турбовинтового или реактивного самолета. Например, дополнительное сопротивление из плохо спроектированного пилона или обтекателя шасси может стоить несколько миль дальности - мили, которые трудно восстановить без более крупных, более тяжелых батарей.

Поэтому современные конструкции электрических самолетов включают в себя воздушные фольги с низким лобовым сопротивлением, заклепки, бесшовные композиционные шкурки и убирающиеся шасси даже в небольших классах самолетов. Проект NASA X-57 Maxwell продемонстрировал, как распределенная электрическая тяга (FLT: 1) может использоваться для продувания воздуха над поверхностью крыла, уменьшая трение кожи и общее сопротивление во время взлета и посадки. Такие экспериментальные усилия подчеркивают длину, на которую инженеры должны пойти, чтобы минимизировать каждый источник аэродинамического сопротивления.

Императив лифта

Подъем генерируется разностью давлений между верхней и нижней поверхностями крыла. Для данного веса крыло должно производить достаточное количество подъема для поддержания уровня полета. Более высокие коэффициенты подъема позволяют более медленные скорости сближения и более короткие взлетно-посадочные полосы, но они также увеличивают индуцированное сопротивление. Для электрических самолетов, работающих из небольших городских аэропортов или вертипортов, важна способность генерировать высокий подъем на низких скоростях. Это привело к возобновлению фокусировки на устройствах высокого подъема, морфинговых структурах и умному использованию распределенной тяги для питания пограничного слоя.

«Если мы сможем спроектировать крылья, которые генерируют нужный нам подъемник, без штрафа за сопротивление, который обычно поставляется с ним, мы разблокируем более длительные полеты на той же батарейке», — объясняет д-р Елена Торрес, исследователь аэродинамики в Технологическом университете Делфта (источник: ] TU Delft Research Portal ].

Стратегии сокращения драги

Сокращение нагрузки на электрические самолеты основывается на десятилетиях аэродинамических исследований, но применяется с новой срочностью. В нижеследующих разделах излагаются основные подходы, которые принимаются или исследуются сегодня.

Упрощенный дизайн Airframe

Первая линия защиты от сопротивления - общая форма самолета. Смешанные корпуса крыла (BWB), летающие крылья и очень тонкие фюзеляжи уменьшают фронтальную площадь и задерживают переход пограничного слоя. Для электрических самолетов общего размера авиации тенденция к крыльям с высоким коэффициентом сопротивления, которые срезают индуцированное сопротивление, часто поддерживаемое распорками или брекетами для управления структурным весом. E-Fan X (гибридный электрический демонстратор Airbus, Rolls-Royce и Siemens) использовал модифицированный планер BAE 146 с одним двигателем, замененным электродвигателем, но даже на этой традиционной платформе инженеры сосредоточились на обтекателях и гладких поверхностях, чтобы минимизировать увеличение сопротивления.

Для небольших электрических самолетов вертикального взлета и посадки (eVTOL) конструкторы предпочитают воздуховодные вентиляторы, которые уменьшают потери наконечника и шум ротора экрана, но воздуховоды добавляют мокрую область. Для достижения правильного баланса требуется обширное моделирование вычислительной динамики жидкости (CFD) и тестирование ветровых туннелей.

Лечение вингтипом

Вихри вихрей являются основным источником индуцированного сопротивления. Складные крылышки, смешанные вихри и заборы вихрей разрушают эти вихри и восстанавливают часть энергии, потерянной вихрем. На электрическом самолете каждая точка сокращения сопротивления непосредственно расширяет диапазон. Современные конструкции eVTOL часто имеют грабленные крылышки или несколько небольших вихрей, расположенных для распределения вихрей рассеивания на большей площади. Программа ecoDemonstrator компании Boeing протестировала активные устройства вихрей, которые вращаются в полете, чтобы оптимизировать отношение подъема к перетаскиванию на разных скоростях, концепция, которая может передаваться на электрические платформы.

Поверхностный отделочный и пограничный контроль уровня

Композитные материалы позволяют чрезвычайно гладкие поверхности, а некоторые производители применяют термопластичные краски или микросхемы (крошечные канавки, выровненные с воздушным потоком), чтобы уменьшить сопротивление на 5-8% на крейсерских скоростях. Активное управление пограничным слоем - использование всасывания через пористые поверхности или небольшие струи воздуха для повторного питания потока - остается темой исследования, но может быть особенно ценным для электрических самолетов, которые уже имеют электрические системы, способные управлять необходимыми насосами или компрессорами.

Ламинарное управление потоком является еще одним перспективным методом. Поддерживая ламинарный поток на большей части крыла, трение кожи можно разрезать пополам по сравнению с турбулентным потоком. Несколько прототипов электрических самолетов, включая Алису от Eviation, имеют естественные ламинарные крылья потока с гладкими, непрерывными поверхностями и без заклепок или стыков вперед максимальной точки толщины.

Уменьшение траектории помех

Везде, где встречаются два компонента - например, крыло и фюзеляж, гондола и крыло, хвост и фюзеляж - возникает помеховое сопротивление. Обтекатели и филе могут сгладить эти соединения. Для распределенных конструкций двигателей интеграция многих небольших двигателей вдоль передней кромки крыла создает несколько зон помех, которые должны быть тщательно контурированы. Компенсирует ли вес необходимых обтекателей аэродинамическое преимущество? Дизайнеры используют многодисциплинарную оптимизацию, чтобы найти лучший компромисс для каждого конкретного транспортного средства.

Подъем без штрафа

Создание лифта относительно легко; его эффективное создание на правильных скоростях и углах трудно. Электрические самолеты выигрывают от нескольких стратегий повышения подъема, которые не налагают непропорционального штрафа за сопротивление.

Высокоподъемные устройства и их электрические варианты

Обычные закрылки и рейки увеличивают камбер крыла и площадь, повышая максимальный коэффициент подъема на 40-80%. Для электрических самолетов механизм приведения в действие может быть полностью электрическим (не требуется гидравлических систем), снижая вес и обслуживание. Однако развертывание устройств с высокой грузоподъемностью значительно увеличивает сопротивление, поэтому они используются только во время взлета и посадки. Некоторые конструкторы электрических самолетов исследуют раздутые закрылки — маршрутизация части пропеллера или потока вентилятора по поверхности закрылка для задержки разделения — или использование распределенных электродвигателей для обеспечения прямого увеличения подъема.

Морфинг и адаптивные крылья

Адаптивные крылья, которые меняют поворот, камбер или даже форму плана во время полета, предлагают обещание оптимального подъема для каждого состояния полета. Сплавы с памятью формы, пьезоэлектрические приводы и гибкие композиционные структуры позволяют плавно изменять форму без зазоров и шарниров, которые вызывают сопротивление. адаптивный задняя кромка FlexSys, испытанная на Gulfstream III НАСА, продемонстрировала снижение сопротивления круиза на 6%, обеспечивая при этом тот же подъем, что и обычные закрылки. Для электрического самолета такая технология может постоянно оптимизировать крыло для подъема, круиза и спуска, потенциально добавляя 10-15% к эффективному диапазону.

Уменьшение нагрузки на густ

Порывы вызывают внезапные изменения в подъемнике, которые могут увеличить конструктивные нагрузки и заставить пилота или автопилота делать корректирующие управляющие входы, которые увеличивают сопротивление. Активные системы управления, которые ощущают порывы и быстро настраивают поверхности управления, могут уменьшить как нагрузки, так и сопротивление. Электрические самолеты с их точными, быстродействующими контроллерами двигателя и системами пролета-провода, хорошо расположены для реализации облегчения порывов. Это не только улучшает качество езды, но и позволяет крылу быть спроектированным для более высокого отношения подъема к перегрузке в его средней точке работы, потому что поля для порывных нагрузок могут быть уменьшены.

Технологические инновации, обеспечивающие эффективность вождения

Помимо основ аэродинамики, несколько конкретных технологий позволяют электросамолетам следующего поколения более эффективно управлять перетаскиванием и подъемом.

Распределенное электрическое движение (DEP)

DEP предполагает размещение многих небольших электродвигателей вдоль крыла или планера. Воздушный поток, ускоряемый пропеллерами, не только обеспечивает тягу, но и увеличивает динамическое давление над крылом, создавая дополнительный подъем. Это позволяет уменьшить площадь крыла для круиза (нижнее сопротивление), при этом все еще достигая высокого подъема, необходимого для взлета и посадки. В FLT:0 X-57 Maxwell используется 12 двигателей с высокой подъёмной силой вдоль передней кромки крыла, с более крупными круизными двигателями на крыле для восстановления энергии от вихрей крыльев. Концепция может снизить потребление энергии до 30% на типичном региональном полете по сравнению с обычным турбовинтовым двигателем.

Легкие композиты и производство

Композиты из углеродного волокна легче, жестче и гладче, чем алюминий, что позволяет более тонким, с более высоким соотношением сторон крылья, которые уменьшают индуцированное сопротивление. Достижения в автоматизированном размещении волокна и совместном отверждении позволяют изготавливать сложные аэродинамические формы с высокой повторяемостью. Элис использует фюзеляж из углеродного волокна и крыло, и его высокое соотношение сторон (оценивается как более 15) является прямым результатом структурной эффективности композитов. Более легкая структура также означает, что требуется меньше подъема, возвращаясь в более низкое сопротивление.

Пограничный уровень проглатывания (BLI)

BLI позиционирует двигатели (или вентиляторы) в задней части фюзеляжа для поглощения более медленно движущегося воздуха пограничного слоя, а не воздуха свободного потока. Это снижает сопротивление тарана и может повысить общую двигательную эффективность на 5-10%. Концепция Aurora Flight Sciences D8 (FLT: 1) (гибрид с двойным пузырем) использует BLI для своих двигателей, установленных на корме. Электрический самолет с распределенными вентиляторами вдоль фюзеляжа может аналогичным образом извлечь выгоду из BLI, при условии, что вентиляторы терпимы к искаженному притоку.

Интеграция термоменеджмента

Электрические двигатели, инверторы и батареи вырабатывают отработанное тепло, которое должно быть отклонено. Системы охлаждения (жидкие петли, радиаторы, воздухозаборники) добавляют сопротивление. Такие инновации, как теплообменники кожи , которые используют поверхность самолета для отвода тепла, могут уменьшить сопротивление охлаждения. Некоторые конструкции встраивают охлаждающие каналы в составные панели или используют поверхность крыла в качестве радиатора. Эффективное управление температурой необходимо не только для безопасности; это напрямую влияет на аэродинамические чистые линии самолета.

Эксплуатация рейсов и управление энергией

Аэродинамика не останавливается на этапе проектирования. То, как летает электрический самолет, оказывает большое влияние на управление перетаскиванием и подъемом, а значит, и на дальность полета.

Оптимизированные профили полетов

Электродвигатели имеют высокую эффективность в широком диапазоне настроек мощности, но аэродинамическая эффективность варьируется в зависимости от скорости и высоты. Восхождение на скорости, которая максимизирует отношение подъема к перетаскиванию, затем крейсерство на высоте, где плотность низкая (снижая сопротивление), и снижение с рекуперативным торможением может все сохранить энергию. Системы управления полетом для электрических самолетов разрабатываются для использования данных о погоде в реальном времени (ветровой, температурный, давление) для расчета оптимального профиля для каждой ноги.

Точный контроль распределения лифтов

Активное управление камбером, переменный поворот и дифференциальные настройки закрылка по всему крылу могут быть автоматически отрегулированы, чтобы сохранить распределение подъема близко к эллиптическому (идеальному для минимального индуцированного сопротивления). Современные системы пролета по проводам делают это возможным. Электрический самолет также может использовать дифференциальную тягу от DEP для противодействия рысканию или крену, уменьшая необходимость в отклонениях поверхности управления, которые добавляют сопротивление.

Полезная нагрузка и баланс

Поскольку масса батареи фиксирована, полезная нагрузка (пассажиры, грузы) должна управляться тщательно, чтобы держать центр тяжести в узком диапазоне. Передняя CG увеличивает прижимную силу хвоста, необходимую для отделки, что увеличивает индуцированное сопротивление. Некоторые конструкции электрических самолетов включают системы балластирования или позволяют батареям перемещаться вперед / на место для поддержания оптимальной отделки, уменьшая мощность, необходимую для полета на уровне.

Соображения батареи и энергетической системы

Хотя это не чисто аэродинамическая система, аккумуляторная батарея взаимодействует с аэродинамической конструкцией самолета несколькими способами.

Размещение батареи и центр тяжести

Батареи тяжелые и плотные. Они обычно помещаются в фюзеляж или корень крыла, чтобы чрезмерно не влиять на момент изгиба крыла. Однако большие аккумуляторные батареи в фюзеляже могут нарушить плавные линии и увеличить площадь смачивания. Некоторые конструкции eVTOL размещают батареи в стручках около центра подъема, чтобы минимизировать сопротивление отделки. Новые энергоемкие химические вещества (литий-сера, твердое состояние) уменьшат необходимый объем и вес батареи в течение следующего десятилетия, ослабив аэродинамические ограничения.

Термическое управление батареями

Батареи генерируют тепло во время разряда и особенно во время быстрой зарядки. Охлаждение их часто требует воздухозаборников, которые увеличивают сопротивление. Достижения в пассивном охлаждении (тепловые трубы, материалы с фазовым изменением) или контуры жидкого охлаждения, интегрированные в структуру крыла, могут уменьшить воздействие. Цель состоит в том, чтобы поддерживать батарею при оптимальной температуре (обычно 20–40 ° C) без больших, перетаскивающих теплообменников.

Дорога впереди: что принесет следующее десятилетие

Электрические самолеты не останутся нишей навсегда. По мере приближения плотности энергии аккумулятора к 400-500 Втч/кг на уровне упаковки (с сегодняшних 250-300 Втч/кг) дальность резко увеличится. В то же время аэродинамические улучшения умножат эффект этой накопленной энергии. Можно ожидать, что несколько тенденций сойдутся:

Крылья с более высоким соотношением сторон стали возможными благодаря легким композитам и аэроупругой пошивке, уменьшая индуцированное сопротивление.

Интегрированная распределенная двигательная установка , которая синергизирует контроль пограничного слоя, увеличение подъема и снижение шума.

Цифровые двойники и оптимизация дизайна на основе ИИ , которые позволяют тысячи итераций на формах крыла и системах управления до создания прототипа.

Стандартизированные системы с высокой грузоподъемностью , которые используют полностью электрическое приведение в действие для снижения веса и обслуживания.

Регулирующие органы, такие как EASA и FAA, разрабатывают стандарты сертификации специально для электрических самолетов, что будет стимулировать инвестиции в аэродинамические инновации, которые могут быть сертифицированы в соответствии с правилами части 23 или части 25 с особыми условиями для электрического двигателя.

Заключение

Управление перетаскиванием и подъемом не является второстепенной проблемой для электрических самолетов - это центральная инженерная задача. Каждое повышение аэродинамической эффективности на процентном пункте напрямую приводит к увеличению числа пассажиров или увеличению продолжительности маршрутов, обслуживаемых на одном заряде батареи. От стрелочных винглетов и ламинарного управления потоком до распределенных силовых установок и адаптивных структур преобразования уже тестируются инструменты. Компании, которые преуспеют, будут теми, которые рассматривают аэродинамику как свойство системного уровня, интегрируя планер, силовую установку и управление полетом в бесшовное, эффективное целое.

По мере развития технологии аккумуляторов аэродинамические уроки, извлеченные сегодня, станут еще более ценными. Будущее электрического полета - это не только чистая двигательная установка; это полет с умом - использование меньшего количества энергии, чтобы оставаться в воздухе, чтобы небо могло оставаться открытым и зеленым для будущих поколений.

Для дальнейшего чтения по аэродинамике электрических самолетов см. Страница исследований электрических самолетов NASA и Обзор EASA электрических самолетов .