Инновации в аэродинамическом дизайне для эффективных городских транспортных средств

Обещание Urban Air Mobility (UAM) перешло от спекулятивной концепции к осязаемой инженерной реальности, с десятками электрических вертикальных взлетов и посадок (eVTOL) самолетов в активной разработке. Центральное место в жизнеспособности этих транспортных средств - будь то воздушные такси, грузовые беспилотные летательные аппараты или самолеты аварийного реагирования - является аэродинамическим дизайном. В отличие от обычных самолетов с фиксированным или поворотным крылом, транспортные средства UAM должны работать в плотной, богатой препятствиями городской среде, балансируя противоречивые требования эффективности наведения, крейсерской скорости, низкого шума и безопасности. Инновации в аэродинамике не просто постепенны; они являются основополагающими для обеспечения безопасности, эффективности и коммерческой жизнеспособности UAM. В этой статье рассматриваются последние достижения в аэродинамическом дизайне, которые формируют следующее поколение городских воздушных транспортных средств.

Основные аэродинамические проблемы городской воздушной мобильности

Проектирование транспортного средства UAM, которое хорошо работает по всей своей оболочке полета - вертикальный взлет, переход, круиз, подход и посадка - представляет собой уникальные аэродинамические препятствия. В отличие от традиционных самолетов, которые оптимизируют для одного режима полета (например, круиз для авиалайнеров), eVTOL должны преуспевать как в полете на воздушном шаре, так и в полете вперед, часто с ограничениями массы брутто менее 2000 кг и диаметром ротора менее 10 метров. Следующие подразделы подробно описывают основные аэродинамические проблемы, которые инженеры должны преодолеть.

Низкоскоростная обработка и высокие требования к лифтам

Во время взлета и посадки транспортные средства UAM должны генерировать достаточный подъем, не полагаясь на высокую скорость движения вперед. Многие конструкции используют несколько роторов или пропеллеров для создания распределенного вектора тяги. Однако управление сложными взаимодействиями потока между роторами - особенно в поперечных ветрах или порывистых городских каньонах - требует тщательного аэродинамического формирования. Конструкции крыла должны балансировать низкоскоростной подъем (через закрылки, рейки или выдуваемые крылья) с низким сопротивлением в круизе. Некоторые конфигурации, такие как дроссель, сталкиваются с дополнительной проблемой перехода всей двигательной системы через 90 градусов, где аэродинамические силы на лопастях ротора резко меняются.

Методы сокращения дрогов

Минимизация сопротивления необходима для расширения диапазона и повышения энергоэффективности, особенно с учетом ограниченной плотности энергии в современных технологиях батарей.

• Природный ламинарный поток (NLF) воздушные фольги применяются к крыльям и фюзеляжам для поддержания ламинарных пограничных слоев на большей площади поверхности, уменьшая сопротивление трения кожи на 30-40% по сравнению с турбулентными конструкциями потока.
• Адаптивные винглеты и заборы с крылом снижают индуцированное сопротивление во время круиза, управляя вихрями крыльев. Некоторые прототипы используют крыльчатки катания или расщепленные винглеты, которые развертываются только на определенных фазах полета.
• Морфинговые задающие края позволяют непрерывно изменять форму для оптимизации камбера для различных коэффициентов подъема, уменьшая сопротивление отделки и устраняя дискретные зазоры поверхности управления.
• Плавная отделка поверхности и заклепка приливов имеют решающее значение; даже шаги или зазоры на миллиметровом уровне могут вызвать ранний переход к турбулентности. Производители изучают методы композитного формования, которые производят бесшовные скины.

Также изучается активное уменьшение сопротивления, такое как поглощение пограничного слоя (BLI), когда винт поглощает более медленный воздух с поверхности фюзеляжа. Например, Joby Aviation S4 использует задние винты, которые проглатывают бодрствование с крыла и фюзеляжа, повышая двигательную эффективность.

Повышение стабильности и контроля

Стабильность особенно сложна во время наведения и низкоскоростного полета, где обычные аэродинамические поверхности (рули, лифты) неэффективны. Транспортные средства UAM полагаются на дифференциальную тягу между винтами для управления отношением - метод, известный как распределение управления. Однако аэродинамические моменты, генерируемые каждым изменением ротора с передней скоростью, требуют передовых законов управления полетом. Современные конструкции включают:

• Активные системы повышения устойчивости , которые используют скорость двигателя, углы наклона и передовые устройства для поддержания настроений без постоянного ввода пилота.
• Распределенная электрическая тяга (DEP) позволяет напрямую управлять крутящим моментом, но также вводит сложные взаимодействия будильника, которые могут влиять на предел стабильности. Вычислительная динамика жидкости (CFD) моделирование имеет важное значение для прогнозирования этих взаимодействий.
• Передвижные поверхности управления на крыльях и хвостах, размером с обеспечивающие авторитет в диапазоне скоростей. В некоторых конструкциях используются всеподвижные вертикальные стабилизаторы, которые удваиваются в качестве руля и скоростного тормоза.

Снижение шума как аэродинамический вызов

Общественное принятие UAM зависит от низкого шума. Доминируют аэродинамические источники: взаимодействие лопасти-вихряка ротора (BVI), передний шум и шум вентилятора от электродвигателей. Инновации включают:

• Формирование лезвий с разметанными, суженными или зазубренными задней кромкой для разрушения когерентных источников шума.Исследование НАСА по малошумным роторам показывает снижение 3-5 дБ с использованием синусоидальных задней кромки.
• Увеличение количества лопастей при одновременном снижении скорости наконечника снижает шум BVI. В Lilium Jet используются воздуховоды со многими лопастями, работающими при низких числах наконечника Маха (~0,5), которые по своей сути производят меньше шума, чем открытые роторы.
• Обработанные пропеллеры (также называемые окутанными вентиляторами) содержат шум ротора и могут включать в себя акустические вкладыши, но добавляют сопротивление и вес. Оптимальный баланс варьируется по конструкции.
• Управление тонкой подачей и переменная RPM позволяют снизить шум при низковысотных операциях вблизи вертипортов.

Инновационные подходы к дизайну

Для решения этих многогранных задач инженеры UAM внедряют целостные философии проектирования, которые интегрируют аэродинамику, конструкции, двигательную установку и управление в тесно связанные системы. Следующие инновации представляют собой передний край аэродинамической интеграции.

Интегрированные конструкции крыла и движителя

Вместо того, чтобы прикреплять отдельные крылья и винты, многие новые концепции встраивают движитель непосредственно в структуру крыла. Эта концепция «расколовшегося крыла» или «подъемника с питанием» использует пропеллерную скользящую нить для подзарядки пограничного слоя над крылом, задерживая стойку и увеличивая максимальный коэффициент подъема (C L,max). Например, NASA X-57 Maxwell (теперь отмененный) исследовала интеграцию силовых установок с 12 небольшими винтами вдоль передней кромки крыла. В то время как X-57 не летал в своей окончательной конфигурации, аэродинамические данные лежат в основе многих конструкций DEP. Другие транспортные средства, такие как Wisk Cora, размещают роторы подъема позади крыла, чтобы захватить помывку для дополнительного подъема и уменьшенного индуцированного сопротивления.

Распределенные двигательные системы

Распределенная электрическая тяга (DEP) является краеугольным камнем аэродинамики UAM. Распределяя несколько меньших движителей по плану, дизайнеры могут:

• Уменьшите турбулентность будильника позади каждого ротора, улучшив аэродинамические характеристики нисходящего потока и уменьшив сопротивление поверхностей позади.
• Включить точную векторизацию для управления в наведении, устраняя необходимость в хвостовом роторе или сложных циклических механизмах шага.
• Улучшить эффективность круиза, используя только наиболее оптимально расположенные пропеллеры для круиза (например, толкатели крыльев) при перьевом или укладке подъемных роторов.
• Низкий шум , потому что меньшие роторы работают на более низких скоростях наконечника, и звук распространяется по более широкой полосе частот, что делает его менее навязчивым.

Тем не менее, такие компании, как Archer Aviation и Joby Aviation, доказали, что шестироторная конфигурация (четыре подъемных ротора, два круизных винта) может обеспечить эффективное наведение и крейсерскую скорость 200 миль в час с приемлемым шумом.

Активные аэродинамические элементы

Адаптивные структуры, меняющие форму во время полета, перемещаются из лаборатории в прототип. Примеры включают:

• Морфинг передних краев, которые изменяют камбер и толщину, чтобы задержать разделение пограничного слоя под высокими углами атаки, сохраняя при этом низкое сопротивление при круизе. Исследование MIT по совместимым механизмам демонстрирует плавное преобразование без веса традиционных приводов.
• Активные спойлеры, которые разворачиваются на верхней поверхности крыла для создания сопротивления и снижения подъема во время спуска, устраняя необходимость в специальных скоростных тормозах и уменьшая шум подхода.
• Настраиваемые впускные отверстия воздуховодов на конструкциях вентиляторов воздуховодов, которые изменяют геометрию входа в соответствии с условиями полета, уменьшая сопротивление разлива и повышая эффективность вентилятора.
• Адаптивное к миссии шасси, которое втягивается в обтекатели с минимальным штрафом за сопротивление. Многие eVTOL используют фиксированную передачу для простоты, но будущие конструкции, вероятно, будут использовать убирающуюся передачу с аэродинамическими обтекателями.

Программа NASA Adaptive Compliant Trailing Edge (ACTE) продемонстрировала гибкий лоскут, который может достигать 30% снижения сопротивления на обычных крыльях; аналогичные принципы адаптируются для многофункциональных транспортных средств UAM.

Легкие композиционные структуры

Аэродинамическая эффективность не имеет смысла, если структура слишком тяжелая. Углеродно-волокнистые полимеры (CFRP) являются материалами выбора для транспортных средств UAM, предлагая высокие соотношения прочности к весу и способность образовывать сложные аэродинамические формы. Инновации включают:

• Сэндвич-панели сопровождения , которые интегрируют кожу, ядро и жесткости в один производственный этап, уменьшая количество деталей и вес.
• Аддитивное производство небольших аэродинамических компонентов (например, наконечники винглетов, обтекатели лопастей ротора), которые ранее требовали дорогостоящей оснастки.
• Аэроупругая пошивка, где композитная накладка предназначена для изгиба или скручивания под аэродинамическими нагрузками для уменьшения сопротивления или задержки затвора. Например, крыло с перевернутым вперед крылом может скручиваться вниз носом, чтобы разгружать наконечник на высокой скорости, предотвращая сопротивление вихрей наконечника.
• Наполните материал , такой как синтаксическая пена или сотовая сотка, которая также обеспечивает изоляцию и звукоизоляцию.

Роль вычислительной динамики жидкости

Тестирование аэродинамических туннелей остается важным, но CFD в настоящее время обеспечивает большинство аэродинамических инноваций в UAM. Моделирование высокой точности с использованием Reynolds-Average Navier-Stokes (RANS) и Large Eddy Simulation (LES) позволяют инженерам моделировать взаимодействия ротора и ротора, переход между наведением и передним полетом и распространением шума. Ключевые приложения:

• Разработка оптимизации с использованием смежных методов и генетических алгоритмов для поиска форм, которые минимизируют сопротивление или максимизируют подъем для заданного набора ограничений. Это привело к нетрадиционным формам, таким как «мухи» Лилиевого реактивного двигателя — несколько протоков вентиляторов, расположенных вдоль крыльев.
• Аэроакустическое предсказание (методы Уильямса-Хокинга Ffowcs), вычисляющие шумовые следы перед созданием прототипов, позволяющие итеративное умиротворение.
• Динамическое моделирование порывов и городской местности (строительные будки) для проверки законов контроля. Такие компании, как Wisk и Volocopter, используют CFD для сертификации своих транспортных средств в соответствии с руководящими принципами FAA / EASA.
• Модели пониженного порядка, встроенные в контроллеры полёта в реальном времени для прогнозирования разделения потока и проактивной настройки поверхностей управления.