Основы подъема и перетаскивания в аэродинамике VTOL

Подъем — это чистая аэродинамическая сила, перпендикулярная встречному потоку, который противостоит весу самолета, в то время как сопротивление — сила, сопротивляющаяся движению по воздуху, действующая параллельно относительному ветру. В поведении и вертикальном полете роторы генерируют подъем, ускоряя воздух вниз; вес транспортного средства поддерживается полностью тягой. В прямом полете роторы могут частично или полностью переходить к обеспечению тяги вперед, при этом крылья захватывают значительную часть подъема. Профиль сопротивления включает в себя не только паразитическое сопротивление планера и открытых компонентов, но также индуцированное сопротивление от подъемных поверхностей и помех, вызванных взаимодействиями ротора-фюзеляжа, ротора-ротора и ротора.

Размещение винтов и роторов напрямую влияет на то, как эти силы развиваются и взаимодействуют. Когда роторы расположены близко к фюзеляжу или крылу, местный воздушный поток может ускоряться или замедляться, изменяя распределение давления и характеристики пограничного слоя. Это может привести к увеличению сопротивления трения кожи или более раннему разделению потока. И наоборот, тщательное размещение может использовать благоприятные помехи - например, использование потока ротора для поднятия энергии над крылом, усиливая подъем на более низких скоростях. Таким образом, подъем и перетаскивание не являются изолированными свойствами ротора, а выходят из интегрированного поля потока вокруг всего транспортного средства. Понимание этих основ имеет важное значение для любого дизайнера VTOL, стремящегося оптимизировать производительность по всей оболочке полета.

Другим критическим аспектом является роль числа Рейнольдса и эффектов числа Маха. Меньшие роторы, работающие на более низких числах Рейнольдса, испытывают более высокие коэффициенты сопротивления профиля и более ранний переход к турбулентности, что означает решения о размещении, которые работают в масштабе модели, могут не масштабироваться непосредственно до полного размера. Аналогично, высокоскоростные роторы вблизи трансоника могут генерировать ударное сопротивление, которое взаимодействует с соседними поверхностями. Эти эффекты масштабирования подчеркивают, почему размещение должно оцениваться в предполагаемых условиях эксплуатации.

Уравнения, управляющие производительностью ротора — теория диска привода и теория импульса лопасти — предполагают однородный приток, но реальные размещения вводят неравномерные распределения притока. Например, ротор, установленный рядом с плечом фюзеляжа, испытывает перекос притока из-за кривизны корпуса, изменяя локальный угол атаки и распределение тяги. Дизайнеры должны учитывать эти локализованные эффекты через итерационную CFD и итерацию аэродинамической трубы.

Основные конфигурации Propeller и Rotor

Дизайнеры обычно принимают две широкие философии размещения - централизованные и распределенные - каждая с различными субвариантами, которые появились в прототипах eVTOL и военных программах VTOL. Выбор между ними диктует все, от структурного проектирования до логики управления полетом. Помимо основного различия, гибридные конфигурации все чаще встречаются, такие как центральные роторы подъемника в сочетании с распределенными круизными пропеллерами.

Централизованные конфигурации

Централизованное размещение ротора концентрирует основные подъемные роторы вблизи центра тяжести самолета. Примеры включают одноглавые роторные вертолеты, коаксиальные роторные системы и некоторые конструкции наклонного ротора, где роторы установлены на корнях крыла или верху фюзеляжа. Это расположение имеет тенденцию производить компактное, сбалансированное распределение подъема, сводя к минимуму механическую сложность сцепления рыскания с рысканием и упрощая механическую сложность поперечного вала или электрической синхронизации. Роторы работают в относительно чистом поле потока, уменьшая помехи, сопротивление от обширных опорных конструкций. Однако концентрированная тяга может создавать сильную помеху, которая влияет на фюзеляж, увеличивая силы загрузки (эффективно отрицательный подъем), которые повышают требования к мощности. В переднем полете один большой ротор или коаксиальная пара создает существенное индуцированное сопротивление вблизи узла, и будка может взаимодействовать с хвостовыми поверхностями, усложняя отделку.

Заметным централизованным подходом является коаксиальный ротор, наблюдаемый в демонстраторе технологии Sikorsky X2. Противовращающийся ротор естественным образом уравновешивает крутящий момент и обеспечивает компактный след, в то время как толкающий винт обрабатывает тягу вперед. Здесь основные роторы сосредоточены над кабиной, и конструкция тщательно управляет сопротивлением концентратора и помехами ротора на роторе через передовые формы лопасти. Результатом является высокоскоростной VTOL с низким общим сопротивлением относительно обычного вертолета, но аэродинамическое взаимодействие между двумя дисками ротора требует точного вертикального расстояния, чтобы избежать взаимодействий лопасти-вихря, которые увеличивают сопротивление и вибрацию. Коаксиальная конфигурация также страдает от увеличения загрузки на фюзеляже в наведении, компромисс, который инженеры смягчают, формируя коронку фюзеляжа, чтобы отклонить нисходящую.

Другой централизованный вариант — конфигурация одноглавого ротора с хвостовым ротором, где хвостовой ротор обеспечивает антикрутящий момент и направленное управление. Размещение хвостового ротора в конце стрелы помещает его в нарушенный поток от будки и усилителя главного ротора, что приводит к штрафу за мощность 5-10% по сравнению с изолированным ротором. Вертикальное размещение хвостового ротора относительно главного ротора также влияет на его эффективность; более высокое размещение снижает воздействие хвостового ротора на основную помывку ротора, но увеличивает структурный вес.

Распределенные конфигурации

Распределенная электрическая тяга (DEP) стала отличительной чертой многих концепций eVTOL следующего поколения. В этой установке несколько роторов или вентиляторов с воздуховодом размещаются вдоль крыла, хвоста или специальных стрел. Моторы с батарейным питанием позволяют аэродинамической связи быть более гибкими, чем механические системы с валом. Распределенное размещение может обеспечить избыточность - если один двигатель выходит из строя, другие компенсируют - и позволяет дифференциальную тягу для повышения маневренности. Это также позволяет роторам использоваться для увеличения подъема во время взлета и перехода при складывании или наклоне во время круиза, чтобы уменьшить сопротивление.

Однако распределенный подход вводит сложное интерференционное сопротивление. Каждый ротор генерирует будку, которая может взаимодействовать с соседними роторами, опорными стрелами и крылом. Пробуждение ротора вверх по течению может уменьшить эффективный угол атаки ротора вниз по течению, понизив его подъем и увеличив его индуцированное сопротивление. Кроме того, многочисленные открытые моторные струи, пилоны и стрелы добавляют паразитическое сопротивление, которое может подорвать прирост эффективности круиза в наклонном крыле или наклонном роторе. Детальные исследования с использованием вычислительной гидродинамики (CFD) на квадроторах и восьмироторном подъеме плюс круизные транспортные средства показали, что оптимизация интервала между роторами, высоты и угла наклона может снизить общее энергопотребление до 15% по сравнению с наивной одинаково расположенной компоновкой. Распределенная конфигурация также предлагает возможность использования меньших, более высоких оборотов роторов, которые могут быть тише и легче интегрировать в тонкие крылья.

Обработанные варианты вентиляторов распределенных конфигураций, например, на Lilium Jet, помещают вентиляторы внутри крыла и горчичных поверхностей. Это уменьшает количество открытых компонентов и позволяет воздуховодам действовать как подъемные поверхности, но вводит внутренние потери потока и разделение губ воздуховода под высокими углами атаки. Размещение входного отверстия воздуховода относительно передней кромки крыла имеет решающее значение: слишком далеко вперед и вход нарушает поле давления крыла; слишком далеко в корму и воздуховод поглощает низкоэнергетический пограничный слой воздуха, снижая эффективность вентилятора до 8%.

Гибридные и уникальные конфигурации

Некоторые конструкции VTOL сочетают централизованные и распределенные подходы. Например, концепция Bell Nexus eVTOL использует четыре специальных вентилятора подъемника, встроенных в фюзеляж (централизованный подъемник) плюс наклонный распределенный набор винтов на крыльях. Этот гибридный подход пытается захватить компактность централизованного подъема во время наведения, используя распределенную тягу для подъема крыла и эффективности круиза. Аэродинамические взаимодействия между встроенными вентиляторами и роторами, установленными на крыле, создают дополнительные проблемы, но испытания CFD и ветровых туннелей показали, что при тщательном размещении - удержании выхлопа встроенного вентилятора от притока крыльев - штраф может быть сохранен ниже 5% от общей тяги.

Еще один гибрид - это класс-S eVTOL, который использует один большой вентилятор подъема у носа плюс два наклона-ротора на крыльях. Размещение вентилятора носа вблизи переднего фюзеляжа создает будку, которая ударяет по ветровому стеклу и переднему отсеку полезной нагрузки, требуя усиленной структуры и тщательного управления краевым слоем. Компромисс позволяет самолету иметь очень короткую колесную базу, уменьшая пустой вес.

Подъем и перетаскивание компромиссов как функция размещения

Вертикальное и горизонтальное положение ротора относительно планера создает спектр аэродинамических эффектов, которые инженеры должны отображать и смягчать. Одной из наиболее влиятельных переменных является высота ротора относительно поверхности крыла или фюзеляжа. Высоко установленный ротор (выше крыла, на пилоне) может уменьшить неблагоприятный градиент давления на верхней поверхности крыла, эффективно задерживая разделение потока и позволяя более высокую нагрузку на крыло перед остановкой. Однако высокие пилоны добавляют смоченную область и мешают потоку над концом крыла, создавая дополнительное сопротивление профиля. Этот компромисс сильно зависит от числа Рейнольдса, то есть результаты небольших испытаний ветровой туннеля должны быть тщательно масштабированы.

Низко установленные роторы (под крылом или близко к земле) могут извлечь выгоду из эффекта «подушки земли» в наведении, увеличивая тягу для данной мощности из-за увеличенного поля давления между ротором и поверхностью. Тем не менее в прямом полете низкие роторы могут испытывать значительное поглощение воздуха пограничного слоя от крыла, снижая эффективность движения и увеличивая вибрацию. Кроме того, если ротор помещается непосредственно перед передней кромкой крыла, то скользящий поток может ускорить поток над крылом, повышая подъем за счет увеличения индуцированного сопротивления от более высокого местного динамического давления. Чистый эффект на отношение подъема к драже автомобиля зависит от того, является ли крыло размером с круиз или VTOL условия; удар ротора может позволить меньшее крыло, но штраф лобового сопротивления ротора должен быть учтен.

Асимметричное или смещенное размещение — где роторы не распределены симметрично — может создавать моменты рыскания и качения даже при постоянном наведении. Это заставляет систему управления полетом работать усерднее, вызывая энергию кровотечения посредством непрерывных регулировок тяги. В то время как асимметричные схемы могут использоваться для упаковки транспортного средства вокруг центральной полезной нагрузки или для предотвращения путей выхода пассажиров, вызванное сопротивление от компенсирующей тяги не отменяется; это проявляется как чистое увеличение общей потребности в мощности. Исследование НАСА (] Распределенное электрическое движение для самолетов — Первый взгляд ) подчеркнуло, что симметричные роторные механизмы вокруг центра массы дают почти на 10% меньшее потребление энергии на сегмент миссии по сравнению с другими аналогичными асимметричными конструкциями. Кроме того, размещение относительно продольной оси влияет на стабильность направления; роторы, расположенные далеко в корме, могут уменьшить потребность в большом вертикальном хвосте, экономя вес и сопротивление.

Размещение по шпанге также влияет на полномочия управления креном. Бортовые роторы обеспечивают более крупные моменты качения для заданного дифференциала тяги, но при размещении слишком далеко за бортом результирующие взаимодействия наконечника-вихря с наконечником крыла могут увеличить индуцированное сопротивление. Оптимальное расположение по шпанге для набора подъемных роторов обычно составляет от 60% до 80% от полупролета, где произведение рычага момента и индуцированного сопротивления сводится к минимуму.

Ротор-ротор и ротор-крыло аэродинамические взаимодействия

Когда несколько роторов работают в непосредственной близости, их будки перекрываются, что приводит к сложным взаимодействиям, которые не просто аддитивны. Скоростное поле, индуцируемое одним ротором, изменяет условия притока своих соседей. Это может быть либо конструктивным (например, вихрь наконечника от подъемного ротора может помочь подзарядить вентилятор управления вниз по течению), либо разрушительным (сильная нисходящая оболочка от переднего ротора может задержать заднюю подъемную поверхность). Взаимодействие очень чувствительно к интервалу между роторами и относительной загрузке диска. В конфигурациях высокой загрузки диска, как и многие концепции вентилятора с воздуховодом, скорость эффлюкса высока и распространяется меньше, уменьшая боковые помехи, но потенциально создавая более сильное препятствие на поверхностях вниз по течению.

Помехи между ротором и крылом - классическая тема, изучаемая в аэродинамике tiltrotor. В режиме вертолета, погружение ротора над крылом может создать большую силу загрузки, которая противостоит подъему, иногда составляющую 10-15% тяги ротора. Умное размещение - такое как наклон плоскости диска ротора или использование распределенных крыльев - может уменьшить эту загрузку. В круизном режиме ротор, который сворачивает или наклоняется, чтобы стать пропеллером, может действовать как ведущий передний поставщик всасывания, но установленный на крыле гондола создает свой собственный термин сопротивления давлению. Расширенные вычислительные инструменты, такие как неустойчивые RANS (усредненные Рейнольдсом Navier-Stokes) моделирование и измерения ветрового туннеля с нагрузочными ячейками показали, что оптимальное вертикальное смещение между гондолой tiltrotor и крылом находится вокруг одного диаметра ротора над плоскостью аккорда, чтобы минимизировать загрузку, сохраняя приемлемое сопротивление интерференции крыла-населения.

Взаимодействие ротора с ротором в близко расположенных многороторных массивах может быть смягчено путем пошатывания роторов в направлении поперек, метод, используемый на нескольких прототипах eVTOL. Исследования также показали, что противоположные вращающиеся пары при размещении бок о бок могут отменить некоторые из индуцированных эффектов скорости, если их направления вращения выбраны надлежащим образом. Это снижает штраф за чистую мощность и повышает эффективность наведения. Для восьмироторной матрицы исследование CFD (] Ротор-крыло аэродинамического взаимодействия гибридного самолета eVTOL ) сообщило о 12% сокращении общего сопротивления системы, когда роторы были пошагнуты на 0,3 диаметра по потоку и 0,1 диаметра вертикально.

Чувствительность поперечного ветра является ещё одним фактором. Ротор, расположенный на наветренной стороне планера, будет испытывать другой эффективный угол атаки по сравнению с подветренной стороной. Эта асимметрия может быть сбалансирована дифференциальным коллективным шагом или RPM, но за счёт повышенной мощности управления. В экстремальных поперечных ветрах роторы, расположенные слишком близко к фюзеляжу, могут страдать от разделения потока на гондоле, что приводит к потере подъема и пределов управления.

Эффект грунта и эффективность наведения

Пропеллер и расположение ротора также меняют поведение транспортного средства при работе вблизи земли. Наземный эффект усиливает подъем за счет уменьшения индуцированной скорости на диске ротора, уменьшая мощность, необходимую для зависания. Для распределенной системы подъема преимущество не является однородным; роторы ближе к земле испытывают более выраженную подушку, в то время как те, которые установлены высоко на пилонах, видят мало изменений. Это может привести к нежелательному моменту подкачки, если транспортное средство входит в эффект заземления асимметрично. Инженеры смягчают это, размещая центры тяги наведения как можно ближе к той же вертикальной плоскости или путем включения адаптивных законов управления, которые регулируют отдельные скорости ротора для поддержания отношения уровня.

В зонах посадки с неровной местностью роторы размещали очень низкий риск наземного удара, поэтому имеется более низкая граница размещения. Дюктированные вентиляторы, как используется в Lilium Jet, частично экранируют ротор от близости к земле, позволяя при этом более компактное расположение, но они добавляют сопротивление воздуховода в круизе. Подробное влияние размещения на эффект грунта можно увидеть в экспериментальных кампаниях: испытания на квадроторном БПЛА показали, что установка роторов диаметром 0,3 ротора ниже центральной линии фюзеляжа увеличила увеличение тяги наземного эффекта на 8% по сравнению с установленной в центре установкой, но такое же низкое размещение увеличило загрузку фюзеляжа в прямом полете на компенсирующие 5%.

Кроме того, форма нижней части фюзеляжа играет роль. Плоский или вогнутый живот может удерживать воздушную подушку под роторами, усиливая эффект земли, в то время как острый или заостренный живот может позволить воздуху ускользать боком, уменьшая преимущество. Поэтому размещение ротора должно рассматриваться в тандеме с геометрией фюзеляжа, особенно для воздушных такси, которые работают от вертипортов со стандартными плоскими поверхностями. Для роторов, расположенных под крылом (например, в конфигурации подъемник плюс крейсер), эффект земли может быть дополнительно усилен, если крыло обеспечивает отражающую поверхность, но этот эффект уменьшается, поскольку зазор ротора-земли уменьшается ниже 0,5 радиусов ротора.

В наземном эффекте (IGE) снижение мощности следует экспоненциальной связи с высотой; типичным преимуществом является снижение мощности наведения, когда ротор находится на высоте, равной одному диаметру ротора. Дизайнеры используют эти знания для размера роторов для наиболее требовательного состояния — вне наземного эффекта (OGE) наведения — и затем принимают более низкое потребление энергии вблизи земли в качестве запаса.

Подходы к вычислительной и экспериментальной оптимизации

Поскольку пространство параметров размещения ротора, углы наклона и геометрия опорной конструкции огромны, современная конструкция VTOL в значительной степени зависит от междисциплинарной оптимизации (MDO). Модели CFD высокой точности в сочетании с оценками веса конструкции и картами производительности электродвигателя для изучения компромиссов. Суррогатные модели, такие как реакции на кригинг, позволяют быстро оценивать тысячи конфигураций. Например, недавнее исследование, опубликованное в журнале ]Аэрокосмическая наука и технология Аэродинамическое взаимодействие с приводом гибридного самолета eVTOL , использовало метод сопряженного привода диска и поверхностной панели для оптимизации бокового расстояния и наклона восьми роторов подъема на транспортном средстве с горчичным крылом. Авторы обнаружили, что пошатнувшееся расположение - где роторы на одной стреле смещены вперед по сравнению с другой - уменьшило ударную нагрузку на заднее крыло на 22%, уменьшив вызванное сопротивление измеримым запасом.

Испытания ветровых туннелей остаются незаменимыми. Подмасштабные модели с балансом сил и чувствительной к давлению краской предоставляют данные проверки, которые CFD не может гарантировать. Особое внимание уделяется переходному коридору - режиму полета, когда роторы наклоняются от вертикальной до горизонтальной тяги, вызывая резкие изменения потока. Во время перехода размещение ротора может создать глубокую стойку на крыле, если поток скольжения от частично наклоненного ротора преждевременно отделяется. Демонстратор X-57 Maxwell НАСА, хотя и демонстратор DEP с фиксированным крылом, учил отрасль, что расстояние между винтами высокой подъемной силы и передней кромкой крыла должно быть тщательно установлено, чтобы избежать столкновения с вихрем лопасти, которое может вызвать структурные вибрации и избыточное сопротивление. Эти уроки непосредственно информируют стратегии размещения ротора VTOL.

Последние достижения в машинном обучении также были применены к оптимизации размещения роторов. Нейронные сети, обученные на больших базах данных CFD, могут прогнозировать перетаскивание помех и загрузку сил в реальном времени, что позволяет быстрее проводить компромиссные исследования. Эти инструменты все еще являются экспериментальными, но обещают снизить вычислительную стоимость циклов MDO. Недавнее исследование MIT использовало глубокую сверточную нейронную сеть для прогнозирования распределения 2D-давления вокруг многороторного массива с 95% точностью при 1/100-й вычислительной стоимости RANS - хотя сеть боролась с захватом ударного разделения на трансонных скоростях наконечника.

Реальные примеры торговли роторными площадями

Несколько программ eVTOL подчеркивают практическое применение этих принципов. Самолет S4 компании Joby использует шесть наклонных пропеллеров — четыре на крыле и два на хвосте — с установленными на крыле блоками, расположенными перед крылом, чтобы обеспечить чистый приток. Роторы расположены широко, чтобы избежать пересечения будки, и крыло оптимизировано для работы в потоке, и конструкция Джоби намеренно размещает передние большинство роторов ниже крыла, чтобы минимизировать загрузку в вертикальном полете, в то же время извлекая выгоду из подъема крыла. Лилий встраивает несколько вентиляторов в крыло и поверхности горчицы, высоко распределенная конфигурация, которая исключает открытые пилоны, но требует тщательной аэродинамической интеграции воздуховодов, чтобы держать вентиляторы частью подъемной поверхности, но за счет сложной внутренней продукции и потенциального искажения потока на лицевой стороне вентилятора.

Двигатель AgustaWestland AW609 (ранее Bell-Agusta) предлагает понимание крупномасштабного коммерческого размещения. Его двигатели и роторы установлены на кончиках крыльев - распределенное местоположение, которое максимизирует клиренс ротора и уменьшает загрузку фюзеляжа, но наконечники добавляют значительную массу и сопротивление. Компромисс был признан приемлемым для гражданского тильтротора, потому что высокая загрузка крыла от чистого крыла перевешивала весовой штраф. Эти программы в совокупности демонстрируют, что нет единого оптимального размещения; «лучшее» решение глубоко связано с профилем миссии, полезной нагрузкой и сертификационными требованиями.

Другим заметным примером является Archer Midnight, который использует 12 несущих винтов, установленных на стрелах над крылом, с двумя задними круизными пропеллерами. Роторы подъемника размещены таким образом, что они могут работать в чистом притоке без значительного взаимодействия с крылом в наведении, в то время как стрелы предназначены для аэродинамической эффективности в круизе. Испытания аэродинамической трубы Арчера показали, что 5-градусная внутренняя муфта роторов подъема улучшила эффективность наведения на 3% за счет снижения вихревых взаимодействий. Кроме того, стрелы ротора слегка наклонены наружу в круизе, чтобы действовать как винглеты, еще больше уменьшая индуцированное сопротивление.

Руководство по проектированию для оптимизации размещения роторов

Опираясь на весь исследовательский и эксплуатационный опыт, инженеры могут следовать структурированной структуре при определении положений ротора. Во-первых, определить основные режимы работы: эффективность наведения, безопасность перехода и сопротивление круиза должны быть взвешены в соответствии с предполагаемой миссией. Для городского воздушного такси, которое будет тратить большую часть своего времени на подъем и спуск, может доминировать производительность наведения и низкой скорости, что способствует распределенному расположению подъема плюс круиза, где вертикальные роторы подъема отключаются и укладываются в круиз. Для междугородного VTOL на большие расстояния эффективность круиза имеет первостепенное значение, толкая к конструкции наклона-ротора или наклона-крыла, где размещение ротора должно минимизировать сопротивление гондолы.

Основные руководящие принципы включают:

  • Поддерживать клиренс ротора к поверхности: Минимальный радиус ротора от любого большого блефа — это общее правило большого пальца, чтобы уменьшить потери загрузки. Это расстояние должно быть проверено с помощью CFD для конкретных геометрий. Для вентиляторов с воздуховодами правило изменяется до 0,5 радиуса воздуховода.
  • Выравнивание роторов с центром тяжести фюзеляжа: Обеспечение пропускания вектора сетки подъёмника через CG в наведении, чтобы минимизировать потребность в дифференциальной тяге, которая расходует энергию. Продольное смещение более 5% колесной базы обычно требует активной компенсации крутящего момента.
  • Оптимизируйте вертикальное размещение для эффекта земли: Поместите вращающиеся роторы низко относительно брюха фюзеляжа, чтобы максимизировать эффект земли, но убедитесь, что то же самое размещение не вызывает чрезмерную загрузку при переходе. Общим компромиссом является размещение диска ротора на 0,5 глубины фюзеляжа ниже максимальной высоты фюзеляжа.
  • Используйте стрелу разметки и диэдр на опорных стрелах: Выравнивайте стрелы с местными обтекателями, чтобы уменьшить сопротивление помех. Опорные стойки наклона в направлении свободного потока, когда это возможно. Для стрел, несущих роторы подъема, диэдральный элемент 3-5 градусов помогает отойти от фюзеляжа.
  • Комплектация роторов в направлении потока: Когда несколько роторов расположены в ряд, качайтесь их, чтобы уменьшить аэродинамический штраф от удара будильника на роторах нижнего течения. Типичное расстояние качающегося ротора 0,2-0,4 диаметра.
  • Рассматривайте вентиляторы с воздуховодом для плотных пространств: Дюктированные вентиляторы позволяют ближе располагаться к планеру, но за счет добавленного веса и сопротивления воздуховода. Используйте их только тогда, когда требуется зазор грунта или шумовые ограничения. Внутренний контур воздуховода должен быть тщательно сформирован, чтобы избежать разделения потока на лицевой стороне вентилятора.
  • Учет зазора кончика лопасти: Для роторов, расположенных вблизи фюзеляжа или других роторов, необходим зазор кончика не менее 5% радиуса ротора, чтобы избежать чрезмерного взаимодействия завихрения кончика и связанного с этим повышения шума.

Алгоритмы оптимизации сегодня могут автоматически изменять положения ротора при оценке комбинированной цели максимального соотношения подъема к растяжению, минимальной мощности, необходимой при наведении, и удовлетворенности ограничениями на структурную динамику. Надежный подход использует генетический алгоритм в сочетании с кодом аэродинамической панели низкой точности для широкого исследования, за которым следует уточнение на основе градиента с CFD. Окончательная конфигурация затем проверяется с подробным анализом свободного бодрствования, чтобы гарантировать, что взаимодействия лопасти-вихряка не вызывают неприемлемые усталостные нагрузки. Многие команды разработчиков теперь также включают акустические ограничения, поскольку размещение ротора влияет на направленность шума и уровни тона - все более важное требование сертификации.

Будущие тенденции и новые технологии

По мере развития отрасли активные структуры управления потоком и морфинга могут дополнительно ослаблять ограничения на размещение. Вентиляторы с вставкой на впускные лопасти с переменным шагом могут направлять поток, чтобы избежать локального разделения, что позволяет более плотную упаковку ротора без штрафов за сопротивление. Распределенные системы электрических каналов, которые направляют тягу через внутренние сопла, могут отделять физическое местоположение ротора от точки выхода тяги, что позволяет получить большую свободу для аэродинамического формирования. Автономные системы управления также становятся достаточно сложными для обработки высокодинамической аэродинамики асимметричных отказов ротора, делая ранее рискованные варианты размещения жизнеспособными.

Продолжение исследований электрических силовых установок, таких как движители с открытым ротором высокой RPM с легким экранированием, снова сместит расчет размещения. Если роторы могут быть сделаны достаточно маленькими, они могут быть интегрированы в пограничный слой планера в качестве средства уменьшения сопротивления - футуристическая концепция, уже исследуемая в концепции STARC-ABL НАСА, где кормовой вентилятор поглощает пограничный слой фюзеляжа для уменьшения сопротивления пробуждения. Хотя эта конкретная конфигурация не является VTOL, основная идея использования размещения движителя для манипулирования общим профилем сопротивления транспортного средства непосредственно переносима на конструкции VTOL, которые смешивают подъем и движение.

Еще одна новая тенденция - использование роторов с изменяемой геометрией, которые изменяют их размещение во время полета. Такие концепции, как раздвижные роторы или телескопические стрелы, могут позволить роторам смещаться наружу для наведения и втягивания для круиза, оптимизируя компромисс между загрузкой диска и сопротивлением гондолы. Хотя эти механизмы добавляют вес и сложность, они могут стать практичными по мере улучшения материалов и исполнительных механизмов. Кроме того, рост многороторных архитектур с более чем 12 пропеллерами бросает вызов существующей эвристике размещения, поскольку интерференционные модели становятся все более статистическими по своей природе. Модели машинного обучения, обученные на больших наборах данных измерений будки, разрабатываются для прогнозирования оптимального размещения для таких плотно упакованных массивов. Исследование 2023 года из Стэнфорда использовало нейронную сеть графа, чтобы рекомендовать положения ротора для 16-роторного eVTOL, который снизил общее энергопотребление на 18% по сравнению с ручной оптимизацией базового уровня.

Активное снижение нагрузки является еще одной перспективной областью. Динамически регулируя наклон ротора или RPM в ответ на моменты изгиба корня крыла, измеренные в полете, инженеры могут уменьшить структурную массу опорных стрел и пилонов. Это косвенно изменяет оптимальное размещение, поскольку более тяжелые структуры более штрафуют при размещении вдали от CG. Будущие проекты могут сочетать структурную оптимизацию с аэродинамическим размещением в полностью интегрированной структуре MDO.

Заключение

Размещение винтов и роторов в автомобилях VTOL - это гораздо больше, чем деталь установки; это переменная дизайна первого порядка, которая объединяет генерацию, сопротивление, стабильность, структурный вес и сложность управления. Централизованные конфигурации предлагают простоту и более низкое сопротивление помех, но могут бороться с загрузкой и высокой скоростью эффективности. Распределенные системы разблокируют избыточность и аэродинамическое синергию, но требуют тщательного управления взаимодействиями с будкой и паразитическим сопротивлением. Применяя передовые вычислительные методы, строгие испытания ветровых туннелей и уроки от новаторских самолетов, современные инженеры продвигаются к сертификации и массовому развертыванию, совокупность знаний о размещении роторов будет только расти более четко, позволяя новому поколению самолетов VTOL, которые не только новы, но и глубоко эффективны. Конечной целью является бесшовная интеграция, где роторы являются такой же частью подъемной системы, как и сами крылья, с решениями о размещении, обусловленными физикой, безопасностью и экономической жизнеспособностью в равной степени.