Elektrikli Dikey Takoff ve Landing (eVTOL) uçakları, şehir hava hareketliliğinde bir paradigma değişikliği temsil ediyor, hem parktan şehir içindeki kanallardan başlayarak zemini atlatmayı umuyor. Ancak, bu uçağın başarısı bir merkez mühendisliği meydan okumasına bağlı: itme optimizasyonu.Bu makale, teknik olarak derin bir kesintiye dayanıyor - elektrik motorlar tarafından yönlendirilen - hem asansör hem de ileri iten optimizasyon.
Thrust'ın Fiziki: Rotor Aerodynamics and Power Gereksinimler
Bu nedenle, Newton'un üçüncü yasasına uygun olarak hava basıncının (veya geriye) bir kütleyi hızlandırarak, [Döntgenme:0) [Dönüşünme gücü [Dönüşüküme 1:1) ifade edilebilir.[Dönemli)[Dönemli)[Dönemli)[Dönemli)
YVTOL rotorları, sıkıştırılmış güç egemen olduğu bir statik itki durumda çalışır.Uygunluk sırasında, rotorlar, indüklenen kayıpları azaltır, tüm uçuş zarfı boyunca daha fazla aerodinamik olarak verimli hale getirir - aşırı profil sürüklenme oranı aşırı profiller üretmek değildir.Süresel güç arasındaki hassas bir ticaret kesintiye uğrama oranı, hız ve eğim arasında değişir.
Thrust Optimizasyonunda Anahtar Faktörler
Motor Verimliliği ve Seçimi
Kalıcı mıknatıs senkronizasyonlu motorlar (PMSM) yüksek güç seviyesi ve verimliliği nedeniyle eVTOL'ler için baskın bir seçimdir (örneğin % 95'i aşarak). Axial flux motorları, ayrıca pancake motorları olarak da bilinir, çünkü onlar yüksek güç seviyesi kontrol eden motor kontrollerinde yüksek hızlarda düşük elektriksel kayıpları karşılamak için çok düşük elektriksel kayıplar sunar.
Propeller ve Rotor Design
Bıçak geometrisi doğrudan üretim ve verimliliği yönetir. Yüksek yön oranları (uzun uzun sürmüş bıçaklar) düşük hızlarda verimi azaltır ve sabit hızlarda verimlilik sağlar, ancak bazı basitleme kayıplarına yol açar.Seks-pitch rotorları, bıçak açılarının dinamik ayarlamalarına izin verir, ancak üç boyutlu bir gürültü, ve ağırlık sağlar; dört tane daha fazla hıza ek olarak sabitlenebilir.
Battery Power Management
Piller, eVTOL'nin en zayıf bağlantısıdır. Mekanik şarj için gerekli olan yüksek gücü teslim eder (örneğin, yüksek deşarj oranlarına sahip piller) aşırı gerilim veya termal runaway olmadan yüksek enerji tasarrufu sağlar. Battery yönetim sistemleri (BMS) hücre gerilimi, sıcaklık ve şarj durumunu izlemek için, yüksek enerji dağıtım mimarisini önlemek için teslim etmek için gereken yüksek enerji dağıtımını sağlamak için şarj etmek için şarj etmek için yeterlidir.
Uçuş Kontrol Algoritmas
Modern eVTOLs, motorlu RPM (ve bazen kolektif saha) saniyede binlerce kez kapalı bir optimizasyon problemini kullanıyor: Kontrol sistemi, gelecekteki taleplere saygı göstermek ve motor limitlerine saygı göstermek için, şarj etmek ve motor kontrol algoritmaları, sahte-inverse veya dinamik programlama gibi, bireysel motorlarda dağıtma gibi, komutları bireysel motorlarda dağıtmanız gerekenleri tahmin eden bir şekilde kontrol etmek için gelecekteki talepleri tahmin etmek zorunda kalıyor.
Kilo Azaltı ve Yapısal Optimizasyon
Thrust verimliliği doğrudan uçak ağırlığı ile ilgilidir: her hava ayarı, batarya, yük veya motor, rotorlu güçten memnun olması gereken bir itme gereksinimini temsil eder. Kompozit yapılar (karbon fiber ve epoxy) kuvvetten tasarruf etmek için yaygın olarak kullanılır. ancak hafif yapılar, yüksek frekanslı titreşimlere ve zemin etkisinden daha fazla aşınmaya dayanabilir. Topoloji optimizasyonu ve üretim hatlarına daha fazla ağırlık verir.
C ⁇ ve Thrust Optimizasyonu için Deneysel Yöntemler
Mühendisler hesaplamalı akışkan dinamiklerinin (CFD), hareket disk teorisi ve rüzgar tüneli testlerinin performanslarını düzeltmesine dayanırlar. Yüksek sadakatli simülasyonlar kullanarak Wilson-averaged Navier-Stokes (RANS) veya detached-eddy simülasyonu (DES) bu nedenle, sertleştirici etkileşimleri ve havaleksiyon olanaklarını verimli bir şekilde geliştirmek için kullanılabilir.
Deneysel doğrulama vazgeçilmez kalır. Test, itikat, tork ve RPM çeşitli bıçak arsalarında ölçüm verileri analitik modeller için kalibrasyon verileri sağlar. eVTOLs için tüm uçaklar genellikle NASA Ames National Full-Scale Aerodynamics Kompleksi gibi tesislerde test edilir. Telemetri prototip uçuşları -bablok motor akımı, RPM, vibrasyon ve GPS verileri - performansın son kanıtı.
Thrust Optimizasyonunda Ticaret-offs
Birkaç temel ticaret, çoklu-objective bir mühendislik problemini hızlandırıyor. En belirgin olan gürültüye karşı gürültü ve seyir performansına karşı çıkıyor.
Gürültü vs. Verimliliği
Kentsel işlemler düşük gürültü seviyelerini talep eder -özellikle de 65 dBA'nın altında topluluk kabulü için 50 metre. Düşük gürültü için Thrust optimizasyonu genellikle aerodinamik verimlilikle çatışmaları azaltır. Örneğin, dB ile ipucunu azaltır, ancak 6-10 dB tarafından gürültüyü azaltır, ancak aynı zamanda verilen bir rotor çapı için de azalır, daha büyük bir rotor veya daha yüksek bıçak yükleme gerektirir. Aynı şekilde, şarj edilen ve tonal gürültüyü azaltır ve yükleri azaltır.
Hover vs. Cruise Verimliliği
A Rotor, düşük indüklenen ve konumlarda yüksek statik itmeler için optimize edilmiş bir rotor, ancak ileri uçuşta aynı rotor deneyimi büyük bir saldırı asimetriklığı, geri çekilme bıçağı ve yüksek sürüklememelere neden oluyor.Tam olarak, bir rotorlu seyir için optimize etti (daha yüksek vakum ve daha düşük katılık ile) her zaman yeterince sert bir şekilde uçsuzluğa doğru yol açmaz. Multirotor eVTOLs (e.g., Joby's S4) bunu tüm kanat ve propulsion ile ele geçiriyor.
Reddancy vs. Kilo ve Performans
FAA Bölüm 23 veya EASA SC-VTOL'nin altında sertifika gereksinimleri, herhangi bir tek motor veya pervane başarısızlığından sonra kontrol edilen bir eVTOL'nin kesintiye uğramasını talep eder.Bu, minimum sayıda rotoru diker ve ağırlığı ekleyerek, zorluk çekme işlemine devam etmek için bir hataya yol açan bir hataya ve kütleye devam etmek için daha fazla değişkendir.
Thrust Optimizasyonunda Meydanlar
Termal Yönetim
Yüksek enerji yoğunluk motorları ve dönüştürücüler önemli ısı yaratır - 2-5 kW'lık ısı kayıplarının sürekli olarak yayılması sırasında ısıtılır. Etkili soğutma olmadan, magnets demagnetize, yalıtım kesintileri ve verimlilik tesisatları. Entegre fan bıçakları ile hava soğutma yaygındır, ancak yüksek güç tasarımları için sıvı soğutma döngüleri gereklidir. Soğutma sistemi ağırlık, hacim ve başarısızlık modları ekliyor. Akıllı termal yönetim algoritmaları sıcak koşullardan önce ön soğutma pilleri alabilir veya ısıtılabilir.
Battery Energy Influence and Lifetime
Mevcut lityum-iyon aküleri hala 500 Wh / kg hedefin ekonomik olarak uygulanabilir eVTOL operasyonları için gerekli olan düşük maliyetli bir şekilde düşüşe neden oluyor.Ayrıca, her uçuş sırasında yüksek seviyeli bisiklet, potansiyel sıçramalar sağlar, ancak üretim hazırlığından yıllarca kalır.
Düzenleme ve Sertifikalandırma
Thrust sistemleri başarısızlık olasılığı gereksinimlerine uymalıdır (örneğin, 1×10 - uçuş saatliğine felaket başarısızlıklar için saat başına 9). Bu, motorlar, kontrolörler, pervanatörler ve kablolamalar, termal runaway, yabancı nesne hasarları ve yıldırım grev toleransı için kullanım kolaylığı sağlar - örneğin elektrik bağlantılı motor kontrolörü ile dağıtılır - özellikle de yazılım ve karmaşık donanım için yeni yöntemler.
Gürültü ve Toplum Kabul
Bahsettiği gibi, kentsel gürültü kısıtlamaları çalışma saatleri ve uçuş yolları sınırlamaktadır. Bir uçak sertifika sınırlarına sahip olsa bile, ses imzası (tonal harmonikler, yüksek frekanslı viskiler) hala gürültüyü ve karmaşıklığı hafifletebilir. Thrust optimizasyonu bu nedenle psikososyal ölçümlerin keskinliği ve tonality gibi birleştirilmesi gerekir, sadece dBA seviyeleri. Acoustic liners, duct fanlar ve shrouded rotorlar gürültüyü hafifletebilir, ancak kilo ve karmaşıklığı artırabilirler.
Future Path in Thrust Optimizasyonu
Devam eden araştırmalar, mevcut kriterin ötesinde eVTOL itme performansını iyi zorlamayı amaçlamaktadır. Birkaç umut verici yol ortaya çıkıyor:
Dağıtılmış Elektrikli Taht (DEP) ve Over-Wing Propeller Entegrasyonu
DEP, bir kanatın önde gelen kenarını kanat üzerinde hava akışını artırmak için çok sayıda küçük rotor kullanıyor, asansörü güçlendiriyor ve durgun hızı azaltabiliyor.Bu konfigürasyonun hızlanması için gerekli olan ivmeyi artırabilir.Bu yapılandırma, genel aerodinamik verimliliği artırır ve dikey uçuş için gerekli olan itmeyi azaltır. NASA'nın X-57 Maxwell, bir eVTOL yerine sabit bir tasarımdır.
Kanallı Fanlar ve Kaouded Rotorlar
Enlosing rotorları, uçları azaltır ve uçarak 30-50'yi uçan fan tasarımları (şimdi vektörlü jetler tarafından değiştirildi) sessiz ve kirli şehir operasyonları için söz verir.
Süperilet Motorları ve Ağojenik Güç Sistemleri
Yüksek sıcaklık süper iletkenliği (HTS) motorlar 20 kW / kg'ın üzerinde iyi güç kesintileri elde edebilir, verilen bir itme işlemi için motor ağırlığını dramatik bir şekilde azaltabilir. HTS motorlar da yakın-zero elektrik direncinde çalışır, onları son derece verimli hale getirirler. ancak, ağojenik soğutmayı gerektirir (liquid azot veya hidrojen), büyük sistemi karmaşıklaştırır.
Hybrid-Elektrik ve Hidrojen Yakıt Hücresi Propulsion
Batarya enerji yoğunluk sınırlarının üstesinden gelmek için, hibrit-elektrik yapılandırmaları, sürekli elektrik gücü üretmek için küçük bir türbin veya yakıt hücresi kullanıyor, bataryaların dikey uçuş sırasında zirveye saptığı zaman, her bir bileşene 200 km veya daha fazla değer kazandırabilir. Hidrojen yakıt hücreleri sadece su emisyonlarını üretir, ancak yüksek basınçlı veya kriyojenik depolama gerektirir.
Neural Networks ile Gelişmiş Kontrol
Uçuş verileri üzerinde eğitilmiş makine öğrenme modelleri, klasik kontrol tümocators, özellikle de lisansüstü veya başarısızlık modları ile dörtlü drone kontrolüne uygulanabilir ve benzer teknikler çok yönlü eVTOL'lere ölçeklenebilir. Neural ağ kontrolörleri, rüzgar kostları ve batarya eyaletlerini gerçek zamanlı olarak, itkili sonuçlarla ekstra performansa uygulanır.
Thrust optimizasyonu, eVTOL uçaklarının mühendislik meydan okumasını sürdürüyor.Her tasarım kararı - rotor çapından ve pil kimyasına yönelik bıçak sayısı - tüm performans zarfı aracılığıyla elektrik şarjı (CFONTS) ve sertifikasyon yolları daha net hale gelir, bir sonraki eVTOL'ler, kentsel hava hareketliliğini oluşturan efficilere güç verecekler.[Dönemli)