Динамика тяги в разработке персональных летающих устройств

В авиации тяга должна преодолевать сопротивление сопротивления — аэродинамическое сопротивление, которое увеличивается с квадратом скорости воздуха. Во время взлета тяга должна также превышать весовую составляющую вдоль траектории полета. Для устройств вертикального взлета и посадки (VTOL) тяга должна быть больше, чем общий вес транспортного средства. Отношение тяги к весу является критическим параметром конструкции; для устойчивого вертикального подъема требуется значение более 1,0.

Эффективность двигателя измеряется конкретным импульсом (I_]sp) или тяговым расходом топлива (TSFC). Для электрической тяги ключевой показатель — тяга на единицу электрической мощности (N/kW). Эти показатели помогают инженерам сравнивать различные двигательные архитектуры при проектировании личных летающих устройств.

Законы Ньютона, применяемые к личному полету

Глубокое понимание законов Ньютона необходимо для всех, кто участвует в разработке персональных летательных аппаратов. Первый закон — тело в состоянии покоя остается в состоянии покоя, если на него не воздействует внешняя сила — объясняет, почему ховербайк остается неподвижным на земле до тех пор, пока его роторы не раскрутятся. Второй закон (сила равна ускорению в массах) определяет, как быстро устройство может изменить скорость или направление. Третий закон, как уже упоминалось, приводит к генерации тяги. Вместе эти принципы диктуют минимальные требования к мощности и движению для любого заданного веса устройства и желаемой производительности оболочки.

Типы систем тяги для персональных летающих устройств

Три основные архитектуры тяги доминируют в ландшафте персональных летательных аппаратов: реактивная тяга, тяга винта и тяга ракеты.У каждой есть свои преимущества и ограничения, которые влияют на безопасность, шум, расход топлива и рабочий диапазон.

реактивная тяга

Реактивные двигатели производят тягу, сжимая поступающий воздух, смешивая его с топливом, сжигая смесь и выталкивая горячий выхлопной газ на высокой скорости через сопло. В личных устройствах обычно используются небольшие турбореактивные или турбовентиляторные двигатели. Например, JB-10 использует два небольших реактивных двигателя, установленных на ремне, чтобы обеспечить примерно 200 фунтов тяги каждый, достаточно для подъема человека. Преимущества включают высокую плотность мощности и способность работать на больших высотах. Недостатки включают экстремальный шум (до 130 дБ), значительную тепловую мощность и потребность в керосине или топливе реактивного двигателя.

Однако системы реактивной тяги остаются сложными для гражданского использования из-за нормативных ограничений (многие органы воздушного пространства классифицируют их как экспериментальные самолеты) и проблем безопасности - один отказ двигателя в двухструйной упряжке может быть катастрофическим, если не развернута баллистическая парашютная система.

Пропеллер Трус

Личные летающие устройства, управляемые пропеллером, более распространены среди любителей и ранних последователей. Они используют один или несколько электрических или приводимых в движение двигателями для вращения пропеллеров, которые ускоряют воздух назад и генерируют тягу вперед. Наиболее известные примеры включают Martin Jetpack (хотя технически конструкция с воздуховодом-фаном) и многочисленные персональные беспилотники в многокоптерном стиле, такие как Volocopter или Ehang 184. Тяга пропеллера тише, чем тяга реактивного самолета, более энергоэффективна на низких скоростях и позволяет управлять вектором тяги с помощью переменных лопастей шага или дифференциальных скоростей двигателя.

Для личного полета основной проблемой с тягой винта является присущая нестабильность роторов малого диаметра при высокой нагрузке лопастей. Большие роторы более эффективны, но увеличивают площадь и вес транспортного средства. Электрическая тяга стала доминирующим выбором для личных летающих устройств на основе винта, потому что бесщеточные двигатели постоянного тока обеспечивают мгновенный отклик крутящего момента, высокую надежность и нулевые прямые выбросы. Плотность энергии батареи, однако, остается ограничивающим фактором - типичное время полета составляет 15-30 минут, что ограничивает практическое использование для коротких поездок или развлекательных полетов.

Ракета торчит

Ракетная двигательная установка несет свой собственный окислитель, что делает его независимым от атмосферного кислорода. Это позволяет ракетным личным летающим устройствам работать в вакууме или на очень больших высотах - полезно для суборбитального космического туризма или экстремальных скайдайвинг-костюмов. Самый известный пример - двигатели SuperDraco Crew Dragon (хотя и не личное устройство как таковое). Для индивидуального использования ракетные пояса, такие как Bell Rocket Belt, а затем конструкции таких компаний, как JetPack Aviation, используют разложение перекиси водорода для генерации высокоскоростного пара. Ракетная тяга обеспечивает огромную плотность мощности (отношение тяги к весу, превышающее 20:1), но страдает от очень короткого времени горения (менее 30 секунд) и опасностей обращения с концентрированными ракетными топливами.

Сегодня тяга ракеты для персональных устройств в значительной степени ограничивается экспериментальными и каскадными приложениями. Тепловая и акустическая подпись ракет делает их непрактичными для городской среды. Однако продолжающиеся исследования гибридных ракет и гелеобразных ракет-носителей могут продлить продолжительность горения и повысить безопасность, потенциально открывая новые ниши для экстремально высокогорного личного полета.

Основные принципы динамики тяги

Помимо основных ньютоновских отношений, успешная конструкция системы тяги зависит от оптимизации нескольких взаимосвязанных переменных: скорости выхлопа, скорости массового расхода и эффективности двигателя.В следующих подразделах подробно рассматривается каждая из них.

Скорость выхлопа

Для данного массового расхода более высокая скорость выхлопа дает более высокую тягу. Вот почему реактивные двигатели и ракеты, которые выхлопные газы на сверхзвуковых скоростях, могут производить огромную тягу из относительно небольших ядер двигателя. В пропеллере и системах с воздуховодами скорость пробуждения ниже (обычно дозвуковая), но скорость массового потока намного больше из-за большой области промаха. Этот компромисс объясняет, почему ротор вертолета (большой массовый поток, низкая скорость) более эффективен при производстве подъема, чем реактивный двигатель той же мощности, но реактивный двигатель может достигать более высоких скоростей вперед.

В личных летательных аппаратах инженеры должны сбалансировать желаемую максимальную скорость, шумовые ограничения и потребление энергии. Системы с высокой скоростью выхлопа громче и менее эффективны на низких скоростях, тогда как системы с низкой скоростью с высокой массой потока тише, но требуют более крупных конструкций (большие роторы или отверстия воздуховода), чтобы перемещать достаточно воздуха.

Массовый поток

Скорость, с которой воздух или масса топлива проходит через двигательную систему в секунду, является прямым рычагом на тяге. Увеличение массы потока может быть достигнуто за счет увеличения площади впуска, повышения плотности проглоченного воздуха (через сжатие) или увеличения RPM. Для личных электрических вентиляторов массовый поток ограничен диаметром вентилятора и максимальной безопасной скоростью наконечника лопастей. Композитные материалы, такие как углеродное волокно, позволили инженерам увеличить скорость наконечника без распада, но шум и структурная усталость устанавливают практические ограничения.

Некоторые инновационные конструкции пытаются увеличить массовый поток без увеличения транспортного средства с помощью коаксиальных вращающихся роторов или нескольких небольших роторов, расположенных в матрице. В eVolo Volocopter используется 18 небольших роторов, каждый из которых обеспечивает скромный массовый поток, но в совокупности достигает достаточной тяги для человека плюс транспортное средство. Этот распределенный двигательный подход также обеспечивает избыточность: если один ротор выходит из строя, другие могут компенсировать поддержание стабильного полета.

Эффективность двигателя и термоменеджмент

Эффективность в системе тяги определяется как отношение полезной мощности тяги к входной энергии (топливу или электричеству). Для двигателей внутреннего сгорания тепловая эффективность обычно составляет 25-40%, а остальная теряется в виде тепла. Электрические двигатели, напротив, могут превышать 90% эффективности, что делает их значительно более энергоэффективными. Однако источники электроэнергии (батареи или топливные элементы) имеют меньшую плотность энергии, чем реактивное топливо, поэтому общую систему необходимо оценивать сквозно.

Управление теплом является критической проблемой, особенно для реактивных и ракетных устройств. Высокотемпературные выхлопные газы должны быть направлены от пилота и любых уязвимых компонентов. Многие личные конструкции реактивных ранцев используют керамические или титановые тепловые экраны для защиты ног и спины оператора. Для электрических систем тепло генерируется в обмотках двигателей и силовой электронике; активное охлаждение воздуха или петли жидкого охлаждения добавляют вес, но предотвращают ухудшение производительности.

Проблемы в разработке торцевых устройств для персональных устройств

Разработка практичного, безопасного и доступного персонального летающего устройства требует решения нескольких взаимосвязанных задач, выходящих за рамки чистой физики тяги.Следующие наиболее актуальные проблемы, с которыми сталкиваются инженеры сегодня.

Поставка электроэнергии и плотность энергии

Единственным самым большим препятствием является хранение энергии. Текущие литий-ионные батареи предлагают около 250-300 Втч / кг. Человеку плюс транспортному средству весом 200 кг потребуется примерно 20-30 кВтч для 30-минутного полета, что означает, что только масса батареи будет составлять 100 кг или более - половина от общего веса. Это оставляет небольшую полезную нагрузку для двигательной системы, рамы, авионики и оборудования безопасности. Реактивное топливо имеет плотность энергии около 12 000 Втч / кг, но двигатели тяжелее и менее эффективны. Водородные топливные элементы предлагают промежуточный вариант (~ 500-1000 Втч / кг, включая резервуары для хранения), но требуют криогенной или с высоким давлением сдерживания, которое трудно миниатюризировать.

Исследователи изучают твердотельные батареи, литий-серные химические вещества и передовые суперконденсаторы для закрытия разрыва плотности энергии. До тех пор личные летающие устройства будут оставаться ограниченными краткосрочными полетами, если не станет возможной привязная мощность (через кабель или беспроводную микроволновую передачу).

Шум и вибрация

Шумовое загрязнение является основным барьером для общественного признания личных летающих устройств. Реактивные двигатели и винты с высокой РПМ генерируют уровни звука, которые могут превышать 100 дБ, что делает их непригодными для жилых районов. Вибрация не только вызывает дискомфорт пилота, но и напрягает компоненты планера и может со временем привести к отказу усталости. Инженеры работают над акустическими лайнерами, активным шумоподавлением и оптимизированными формами лопастей винта (например, зазубренными задней частью) для снижения шума без ущерба для тяги. Дюктированные вентиляторы по своей природе тише, чем открытые роторы, потому что воздуховод щиты и направляет сигнал, но они тяжелее и менее эффективны при наведении.

Контроль и стабильность во время переходных периодов

Личные летающие устройства должны быстро и предсказуемо реагировать на входы пилотов. Векторирование тяги — способность изменять направление вектора тяги — имеет важное значение для маневрирования. В реактивных ранках это обычно достигается наклоном сопл двигателя или использованием флюгеров. В мультикоптерах векторирование тяги осуществляется с помощью различных индивидуальных скоростей ротора. Однако быстрые изменения тяги могут вызывать колебания, особенно в устройствах с высоким центром тяжести относительно линии тяги. Для поддержания баланса требуются усовершенствованные контроллеры полета с использованием инерциальных единиц измерения и GPS-помощь стабилизации, но они добавляют сложность системы и потенциальные точки отказа.

Исследователи исследуют системы векторизации тяги, которые используют небольшие поверхности управления в потоке выхлопных газов, аналогичные тем, которые используются в истребителях.Для личных устройств эти системы должны быть легкими и маломощными, обеспечивая при этом достаточный авторитет для восстановления от порывов ветра.

Будущие направления в технологии Thrust для личного полета

Заглядывая в будущее, несколько новых технологий обещают сделать личные летающие устройства более практичными, безопасными и доступными. Следующие тенденции формируют следующее поколение систем тяги.

Электрические вентиляторы и гибридное движение

Электрические вентиляторы (EDF) сочетают в себе тишину и эффективность электродвигателей с концентрацией тяги воздуховода. Такие компании, как Лилий (хотя их транспортное средство представляет собой пятиместный eVTOL) продемонстрировали, что массивы небольших EDF могут обеспечивать как вертикальный подъем, так и тягу вперед. Для устройств с одним человеком EDFs предлагают снижение шума относительно открытых роторов и лучшую защиту от ударов лопастей. Гибридная тяга - с использованием небольшого двигателя внутреннего сгорания для привода генератора, который питает электродвигатели - может расширить диапазон, сохраняя преимущества электрической модуляции тяги. Подход ZeroAvia для больших самолетов адаптируется для небольших платформ, с водородными топливными элементами, обеспечивающими еще более чистый источник энергии, чем бензин.

Расширенный лифт через Ground Effect

Личные летающие устройства, которые летают очень близко к земле (в пределах одного диаметра ротора), могут использовать эффект земли, где воздушная подушка между ротором и землей увеличивает эффективность подъема до 30%. Это снижает потребность в тяге для взлета, позволяя меньшим двигателям и меньшему весу батареи. Некоторые концепции, такие как AeroX Hoverbike , снимают на малых высотах, чтобы максимизировать дальность. Однако устойчивый полет над слоем эффекта земли требует обычной тяги, поэтому эта техника в основном полезна для фаз взлета и посадки.

Аддитивное производство для индивидуальных систем толчков

3D-печать позволяет инженерам проектировать и изготавливать сложные формы сопла, лопасти ротора и геометрии воздуховодов, которые невозможно было бы обрабатывать обычным способом. Это позволяет использовать компоненты тяги, которые легче, прочнее и настроены на конкретные профили полета. Например, решетки-структурированные радиаторы могут быть напечатаны непосредственно в выхлопной сопле для извлечения отработанного тепла без добавления веса. Частные строители и небольшие стартапы используют металлическую 3D-печать для быстрого итерации на прототипе личных летающих устройств, сокращая время разработки от лет до месяцев.

Автономное управление тягой и отказоустойчивые системы

Будущее личного полета, вероятно, включает автономные режимы полета, которые обрабатывают управление тягой за кулисами. Датчики, измеряющие высоту, скорость воздуха и состояние батареи, могут автоматически регулировать тягу для поддержания оптимальных параметров полета. В случае отказа питания или неисправности двигателя избыточные системы должны мгновенно перенастраивать распределение тяги - например, путем симметричного отключения противоположных двигателей для предотвращения неконтролируемых спинов. Баллистические парашюты, которые разворачивают большой навес с использованием небольшой ракеты, обеспечивают последнее средство снижения при потере всей тяги. Эти системы уже необходимы для экспериментальных персональных летательных аппаратов во многих юрисдикциях.

Вывод: динамика толчков как двигатель инноваций

Динамика тяги является основой, на которой построены все личные летающие устройства. От простой взаимосвязи скорости выхлопа времени массового потока до сложных компромиссов между шумом, эффективностью и безопасностью, каждое дизайнерское решение восходит к тому, как создается, контролируется и поддерживается тяга. По мере совершенствования технологии аккумуляторов, созревает электрическая двигательная установка и аддитивное производство позволяет беспрецедентно настраивать, видение широко распространенного личного полета неуклонно движется от научной фантастики к практической реальности. Инженеры и предприниматели, которые осваивают динамику тяги, будут не только формировать следующее поколение самолетов, но и переопределять, как люди испытывают мобильность и свободу.