Table of Contents

Эволюционная роль пенснеджа в электрических и гибридных самолетах

Вспенение, или хвостовая сборка, является критическим компонентом любого самолета с неподвижным крылом, отвечающего за продольную и направленную стабильность, а также контроль высоты и рыскания.По мере перехода авиационной промышленности к электрическим и гибридно-электрическим силовым установкам, традиционная роль пенсенажа пересматривается. Электрические силовые агрегаты вводят значительно разные распределения веса, эффекты крутящего момента и аэродинамические требования по сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания.Эта статья обеспечивает углубленное исследование принципов проектирования, проблем и инноваций, формирующих развитие пенсенажа для электрических и гибридных самолетов, опираясь на аэродинамику, конструкции и интеграцию систем.

Основные функции Empennage

Перед изучением электрических специфических соображений важно понять фундаментальные аэродинамические роли, которые выполняет пенсенаж. Хвостовая сборка обеспечивает стабильность по боковым (наклонным) и вертикальным (рычажным) осям и содержит поверхности управления, которые позволяют пилоту или системе управления полетом маневрировать самолетом.

Стабильность и контроль Pitch

Горизонтальный стабилизатор генерирует нисходящую (или иногда восходящую) аэродинамическую силу для противодействия моменту качения нос-вниз, создаваемому подъемником крыла. Это гарантирует, что самолет возвращается к своему урезанному углу атаки после возмущения. Лифт, шарнирная задняя поверхность на горизонтальном стабилизаторе, обеспечивает контроль шага. В конфигурациях канарды передняя горизонтальная поверхность вместо этого обеспечивает подъем, а кормовая поверхность становится стабилизатором, но принцип остается аналогичным. Для электрического самолета линия тяги от электродвигателей может быть смещена от центра тяжести, создавая дополнительные моменты качения, которые должны учитываться при задней калибровке.

Направленная стабильность и контроль

Вертикальный стабилизатор обеспечивает устойчивость метеорного каскада, удерживая нос выровненным с относительным ветром. Руль прикреплен к вертикальным стабилизаторам управления рысканием и используется для скоординированных поворотов, посадок поперечного ветра и сценариев выключения двигателя. В двухмоторном электросамолёте с двигателями, установленными на крыльях, асимметричная тяга от отказа двигателя накладывает момент рыскания. Вертикальный хвост должен быть размером, чтобы обеспечить достаточное рулевое управление, чтобы противодействовать этому моменту, особенно на низких скоростях, где поверхности управления менее эффективны.

Управление поверхностью интеграция

Современные пентажи часто включают в себя вкладки отделки, вкладки сервопривода или даже полностью привода проволоки. В электросамолете требования к весу и мощности исполнительных механизмов имеют решающее значение. Электрические исполнительные механизмы управления полетом (EMA или EHA) становятся обычным явлением, заменяя более тяжелые гидравлические системы. Интеграция этих систем с шиной распределения электроэнергии самолета должна быть тщательно разработана для обеспечения избыточности и отказоустойчивости.

Уникальные дизайнерские задачи для электрических и гибридных силовых агрегатов

Электрические и гибридные летательные аппараты вводят несколько факторов, непосредственно влияющих на конструкцию пенсенажа. К ним относятся смещенные ограждения центра тяжести, высокий крутящий момент от пропеллеров большого диаметра, высоковольтные электрические системы и необходимость максимизировать аэродинамическую эффективность для компенсации меньшей плотности энергии батарей.

Управление центром тяжести (CG)

Батареи тяжелые - обычно около 200-250 Втч / кг на уровне упаковки, по сравнению с 12 000 Втч / кг для реактивного топлива. В гибридной конфигурации двигатель внутреннего сгорания и генератор добавляют вес. Размещение батарей часто ограничивается структурой планера и соображениями безопасности (сдерживание огня батареи). Общие местоположения включают брюхо фюзеляжа, обтекатели корня крыла или даже сам пенсенаж. Размещение батарей в хвосте сдвигает CG корму, уменьшая требуемую силу загрузки хвоста, но потенциально вызывая проблемы стабильности, если CG движется за нейтральной точкой. Дизайнеры должны проводить строгий анализ экскурсионного CG на всех этапах полета, и коэффициент объема хвоста может потребоваться корректировка.

Эффекты крутящего момента и P-фактора

Электродвигатели могут вырабатывать мгновенный полный крутящий момент, а многие электрические летательные аппараты используют для эффективности винты большого диаметра, медленного поворота. Эти винты генерируют значительный крутящий момент и асимметричный подъем (P-фактор) при высоких углах атаки. Получающиеся моменты качения и рыскания должны быть противодействовать вертикальным и горизонтальным хвостам. В некоторых случаях дифференциальная тяга двигателя может использоваться для управления рысканием (дифференциальная тяга на основе двигателя), снижая нагрузку на руль. Однако для сертификации, пенсенаж должен по-прежнему обеспечивать достаточный контрольный орган, когда дифференциальная тяга недоступна.

Высоковольтные системы и электромагнитные помехи

В пентажах могут размещаться такие компоненты, как двигатели с хвостовым креплением, инверторы или аккумуляторные батареи. Высоковольтные кабели, проложенные через хвост, могут создавать электромагнитные помехи (ЭМИ) с сигналами управления полетом. Щитирование и заземление становятся критическими. Кроме того, для управления тепловыми потоками этих компонентов могут потребоваться охлаждающие воздуховоды или теплообменники, которые могут нарушить чистую аэродинамическую форму поверхностей хвоста. Вычислительная гидродинамика (CFD) и термический анализ должны быть интегрированы на ранней стадии процесса проектирования пентажа.

Требования к аэродинамической эффективности

Самолеты с батарейным питанием страдают от штрафа за дальность полета по сравнению с эквивалентами, работающими на ископаемом топливе. Каждый показатель сопротивления имеет значение. Взрыв вносит примерно 10-15% от общего сопротивления самолета в круизе. Конструкторы должны минимизировать площадь смачивания, оптимизировать формы аэродинамической пленки и рассмотреть ламинарное управление потоком. Использование естественных ламинарных воздушных фольг на стабилизаторах, иногда с активным всасыванием, может уменьшить сопротивление трения кожи. Однако NLF чувствителен к загрязнению поверхности, что является проблемой технического обслуживания и эксплуатации.

Аэродинамический дизайн и размеры пенснеа

Размер горизонтального и вертикального хвостов определяется классическими коэффициентами объема хвоста, которые соотносят площадь хвоста и моментную руку с аэродинамическими характеристиками крыла.Для электрических самолетов эти коэффициенты должны быть обновлены с учетом измененных производных момента качения и силовых эффектов.

Коэффициент горизонтального объема хвоста

Основная формула: VH = (Shhhww), где Shhwww] — среднеаэродинамический аккорд. Для электрических самолётов с кормовыми тяжёлыми батареями CG движется назад, уменьшая статическое поле. Это может позволить уменьшить горизонтальный хвост, так как для отделки требуется меньшее количество загрузки. Однако, усиление динамической стабильности (краткосрочный режим) может ослабить требования к статической стабильности, позволяя меньшие хвосты и меньшее сопротивление.

Коэффициент объема вертикального хвоста

VV =vv]/w, где Svvv — вертикальный хвостовой ход, а типичные значения — 0,04—0,08. Для электрических самолётов с распределенной электрической тягой (DEP), двигатели и пропеллеры с крылом могут обеспечивать сильное затухание рыскания и управление, потенциально снижая требуемую вертикальную площадь хвоста. Однако правила сертификации (например, 14 CFR Part 23 или 25) накладывают минимальные скорости управления с одним неработающим двигателем (OEI). Для многовинтовых гибридных самолётов VV должны быть рассчитаны на наихудший сценарий асимметричной тяги.

Выбор хвостовой части

Симметричные воздушные фольги (например, NACA 0012, 0015) являются общими для поверхностей хвоста, поскольку они обеспечивают нулевой подъем при нулевом угле атаки. Однако для электрических самолетов, фокусирующихся на высокой эффективности круиза, могут быть полезны оплетенные хвосты, которые производят небольшую загрузку в круизе, чтобы компенсировать тяжелую CG. Компромиссом является более высокое сопротивление при других условиях полета. Инструменты вычислительной оптимизации могут адаптировать воздушные фольги для конкретной оболочки полета, часто приводя к пользовательским формам.

Структурные и материальные инновации

Вспенение должно выдерживать аэродинамические нагрузки, динамические нагрузки от порывов и маневров и потенциальные нагрузки наземного обслуживания (хвостовые удары). Легкая конструкция имеет первостепенное значение для электрических самолетов для максимизации полезной нагрузки и дальности полета.

Композиты и аддитивное производство

Укрепленные углеродным волокном полимеры (CFRP) доминируют в современных авиационных пеннажах. Для электрических самолетов выгодна способность связывать или совместно лечить структурные элементы с интегрированными электрическими путями (например, для обледенения, антенн). Аддитивное производство (3D-печать) титановых или алюминиевых скобок и фитингов позволяет топологически оптимизированным частям, которые могут быть на 30-50% легче, чем обработанные компоненты. Такие компании, как Joby Aviation, используют обширные композиционные структуры в хвостах для достижения высокой жесткости с низким весом.

Контроль структурного здоровья

Встроенные оптоволоконные датчики или пьезоэлектрические патчи могут отслеживать напряжение и повреждения в режиме реального времени. Для электрических самолетов с высокой степенью использования (например, городская воздушная мобильность) важно прогнозирование срока службы усталости. Конструкция хвоста может быть спроектирована с учетом допуска к повреждениям, с использованием нескольких путей нагрузки и панелей доступа для проверки.

Молния и электробезопасность

Электрические самолеты должны соответствовать требованиям молниезащиты. Взрывная сетка является вероятной ударной точкой. Проводящая сетка в композитных конструкциях, полосы молниеотвода и соединительные ремни используются для безопасного проведения токов. Дополнительно, высоковольтные батареи и кабели в хвосте должны быть изолированы от планера для предотвращения дуги.

Инновационные конфигурации Empennage

Конструкционное пространство для хвостов электрических самолетов расширяется за пределы обычных макетов.В настоящее время изучается несколько новых конфигураций для повышения эффективности, снижения шума или интеграции компонентов электрической силовой установки.

V-Tails и рудерваторы

V-хвост объединяет функции вертикального и горизонтального стабилизаторов в две прокалываемые поверхности, рулевыми машинами обеспечивается управление как шагом, так и рылом. Это уменьшает площадь и вес смачивания и может поместить двигательные двигатели в сторону от крыльевого будки. Pipistrel Velis Electro использует V-хвост, который также упрощает сборку и уменьшает количество деталей. Недостатком является повышенная сложность в смешивании управления и потенциальная потеря авторитета в некоторых осях.

T-Tails и аккумуляторы с нагрузкой на пеннаж

Т-хвост помещает горизонтальный стабилизатор в верхней части вертикального плавника. Эта конфигурация перемещает горизонтальную поверхность из нисходящей промывки от крыла и пропеллеров, улучшая отклик шага. Это также позволяет использовать кормовой фюзеляж для хранения батареи. Несколько концепций электрических гидросамолетов используют Т-хвосты, чтобы держать хвостовую плоскость чистой от распыления. Основным недостатком является добавленный вес и момент на конструкции плавника, требующий более тяжелых разрежений.

Canard и трехгранный дизайн

Конфигурации Canard имеют переднюю горизонтальную поверхность и заднюю (меньшую) поверхность. В электросамолетах канарды могут позволять основным крыльям иметь более высокие пропорции сторон и уменьшенное индуцированное сопротивление. Задняя поверхность действует как стабилизатор, а иногда и как поверхность управления. Самолет ESTOL использует девятимоторную систему подъёмной силы с Т-хвостом и канарой? (на самом деле использует обычный хвост, но многие концептуальные конструкции исследуют канарду). Трехповерхностные конструкции добавляют канарду к обычному хвосту, что позволяет избыточность управления и улучшенные характеристики кабинки. Однако они добавляют структурную сложность и стоимость.

Летающее крыло и бесхвостые конструкции

Некоторые электрические самолеты полностью устраняют растяжение, используя для управления элевоны и рули застежки крыла. NASA X-57 Maxwell (распределенная двигательная установка) и различные конструкции беспилотников следуют этому подходу. Бесхвостые конфигурации имеют наименьшее сопротивление, но требуют сложных систем повышения устойчивости (SAS) для поддержания контроля. Они чувствительны к изменениям CG, которые являются проблемой для конструкций с батарейным питанием, где положение батареи может измениться во время полета (например, твердотельные батареи с тепловым расширением).

Активный контроль потока на поверхности хвоста

Исследователи экспериментируют с синтетическими реактивными приводами, дунием и всасыванием на хвостовых поверхностях для усиления подъема и задержки разделения на низких скоростях. Для электрических самолетов с доступной электрической мощностью эти системы могут уменьшить необходимый размер хвоста и сопротивление. Примечательным примером является проект Европейского союза AFFECT, который продемонстрировал активное управление потоком на вертикальном хвосте для уменьшения размера руля. Такая технология может быть применена к электрическим самолетам для повышения эффективности.

Системная интеграция и сертификация

Проектирование растяжки для электрического или гибридного самолета является не только аэродинамической или структурной задачей; оно включает тесную интеграцию с электрическими, тепловыми и системами управления полетом. Сертификация по части 23 или части 25 (или эквивалент для Европы, CS-23/25) требует демонстрации того, что хвост может выдерживать все предсказуемые нагрузки и отказы.

Полёт по проводу и повышение стабильности

Многие электрические летательные аппараты проектируются с полными системами управления пролетающим проводом (FBW), в том числе с поверхностями растяжения. Это позволяет снизить размер хвоста и сопротивление. Компьютеры управления полетом модулируют поверхности тысячи раз в секунду для поддержания стабильности. Для сертификации требуется несколько избыточных каналов и разное программное обеспечение (например, с использованием двух разных микроконтроллеров). Условие отделки должно поддерживаться даже в случае первичного сбоя компьютера.

Термическое управление компонентами хвоста

Если в перпеннаже размещены инверторы или двигатели, отработанное тепло должно быть отброшено. Для этого могут потребоваться наземные теплоотводы, бараньи впуски воздуха или петли жидкого охлаждения, проложенные через конструкцию. Аэродинамическое воздействие этих особенностей должно быть сведено к минимуму. Например, скачок на вертикальном плавнике для охлаждения воздуха может добавить сопротивление давлению. Инженеры часто выполняют сопряженные симуляции теплопередачи, чтобы найти оптимальный компромисс.

Сертификация шума

Электрические самолеты, как правило, тише, но восполнение может по-прежнему способствовать шуму, особенно в конфигурации подхода, когда пилоты развертывают хвостовые тормоза или закрылки. Кроме того, взаимодействие винтовых будок с хвостовыми поверхностями может производить тональный шум. Более низкие уровни шума являются преимуществом для операций вблизи населенных пунктов, поэтому дизайнеры стремятся минимизировать шум, создаваемый восполнением, путем тщательного формирования и управления потоком.

Заключение

Конструкция пентажей для электрических и гибридных самолетов является многодисциплинарной задачей, которая основывается на классической аэродинамике при включении новых технологий и ограничений. Сдвиг в центре тяжести из-за размещения батареи, высокого крутящего момента и P-фактора от электродвигателей и неустанный толчок для аэродинамической эффективности требуют инновационных решений, таких как активное управление потоком, повышенная стабильность FBW и альтернативные конфигурации хвоста, такие как V-хвосты или бесхвостые конструкции. Такие материалы, как CFRP и аддитивное производство, позволяют создавать более легкие, прочные конструкции, в то время как интегрированные тепловые и электрические системы должны развиваться, балансируя стабильность, контроль, эффективность и безопасность. Для дальнейшего чтения по основам конструкции хвоста, сервер технических отчетов НАСА предоставляет отличные ресурсы по методам калибровки стабилизатора и .