Verimli Kentsel Hava Hareketliliği Araçları için Aerodinamik Tasarımdaki yenilikler

Kentsel Hava Hareketliliği (UAM) söz konusu, uzay taksileri, kargo uçakları veya acil durum yanıt uçakları ile, onlarca elektrikli dikey taksitle ve iniş (eVTOL) uçaklarının aktif gelişimine yönelik olarak, bu araçların uygulanabilirliğini dengelemek için merkezi - hava taksileri, kargo uçakları veya acil durum yanıt uçakları - sadece daha yüksek çözünürlükte olan bir şekilde şekillendirilmesi gerekir; UAM araçları, yoğun, engel zengin kentsel ortamlarda faaliyet göstermektedir.

Kentsel Hava Hareketliliği'nde Anahtar Aerodinamik Meydanlar

Tüm uçuş zarfı boyunca iyi performans gösteren bir UAM aracı tasarlayın - hem de ileriye dönük, yolcu, yaklaşım ve uçaktaki - sadece 10 metre altında bulunan geleneksel uçaklardan farklı olarak, tek bir uçuş rejim için optimize eden bir uçak.

Düşük Hızlı İşlem ve Yüksek Talepler

Çek ve iniş sırasında, UAM araçları yüksek hızlı bir şekilde güvenmeksizin yeterli asansör üretmelidir. Birçok tasarım, dağıtılmış bir itkili vektör oluşturmak için birden çok rotor veya pervane kullanır.Ancak, rotorlar arasındaki karmaşık akış etkileşimleri yönetmek - özellikle de eğimli veya gusty kentsel kanyonlar - tüm propulatif sistem 90 derece boyunca, yüksek rotorlu yüksek asansör (kesinlikle) hızlanmış yüksek asansörler, ya da sertlikler üzerinde düşük sürüklenmeler ile karmaşık akış etkileşimleri yönetmek.

Drag Rez Teknikleri İndir

Minimiz sürüklenme, özellikle mevcut batarya teknolojisinin sınırlı enerji yoğunluğuna izin vermek için önemlidir. Yenilikçiler basitleştirilmiş şekillerin ötesine geçer:

• [FONT:0) Doğal laminar akışı (NLF)) Havafoilleri kanatlara ve daha büyük bir yüzey alanı üzerinde laminar sınır tabakalarını korumak için uygulanır, deri sürtünmesini 30-40% ile indirmek için cilt sürtünmeli akış tasarımları ile karşılaştırıldığında.
• [FONT=0]Adaptive kanatlar ve kanat uçları[Döncükler) sadece belirli uçuş aşamalarında dağıtan gurney f veya bölünmüş kanatlar kullanır.
• [FONT:0]Morphing izdüşük kenarlar[DÜT:1) Farklı asansör katlarını optimize etmek için sürekli şekli değiştirmesine izin verir, kesme sürüklenir ve ayrı kontrol yüzey boşluklarını ortadan kaldırır.
• [FONT:0]Smooth yüzey bitirmek [[Döntgen: 1) ve kızarmış perziğe karşı üşükümler kritiktir; hatta milimetre seviye adımlar veya boşluklar, sabit derileri üreten kompozit kalıp teknikleri keşfeder.

Aktif sürüklenme, örneğin, kanat ve fuselage'dan gelen havayı daha yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş

Kararlılık ve Kontrol

Stability özellikle orta ve düşük hızlı uçuş sırasında, geleneksel aerodinamik yüzeylerin (rudders, asansörler) etkisizdir. UAM araçları, tutum kontrolü için pervaneler arasında ayrımcılığa dayanır - her rotor değişikliği ile üretilen aerodinamik anlar ileri hız ile ilgilidir: gelişmiş uçuş kontrol yasaları. Modern tasarımlar dahil:

• [FONT:0)Aktif stabilite augmentasyon sistemleri[Dönetici: 0,3) Motor hızı, eğimli açılar ve sürekli pilot giriş olmadan tutum korumak için lider cihazlar.
• [DEP) [DEP) [DEPT:0)Distributed elektrikli tahrik (DEP)[DEP)[D) doğrudan tork kontrolü sağlar, ancak aynı zamanda stabilite marjlarını etkileyebilecek karmaşık değişiklikler getirir. C ⁇ sıvı dinamikleri (CFD) simülasyonlar bu etkileşimleri tahmin etmek için önemlidir.
• [FONT:0]Movable kontrol yüzeyleri[[Dönler ve kuyruklar üzerinde), hız aralığında otorite sağlamak için boyutlandırılmıştır. Bazı tasarımları, rudder ve hız freni olarak ikiye katlanan dikey stabilizatörler kullanır.

Gürültü Bir Aerodinamik Meydan Olarak Azaltın

UAM'ın toplum kabulü düşük gürültüye bağlıdır. Aerodinamik kaynaklar hükmediyor: rotor bıçağı-vortex etkileşimi (BVI), iz-st gürültü ve elektrikli motorlardan gelen fan gürültü.

• [FONT:0]Blade şekillendirme[[[DÜDÜT:1], süpürülen, kasetli veya serilen izdüşük gürültü kaynakları kırmak için kenarlar. NASA'nın düşük boyutlu rotorlar üzerindeki araştırma 3-5 dB azaltımı gösteriyor
• [FONT:0)Kırık bıçak sayısı[[Dönetici: 1 ), uç hızdaki BVI gürültüyü azaltırken, Lilium Jet, düşük tell Mach numaralarında çalışan birçok bıçakla (~0.5), bu doğal olarak açık rotorlardan daha az gürültü üretir.
• [FONT:0]Ducted perers[[[DDucT:1) (ayrıca shrouded hayranları da çağırın) rotor gürültüyü içerir ve akustik çizgileri içerir, ancak sürüklenir ve ağırlık ekleyin.
• [FONT:0]Fine-pitch kontrolü[[Dönetici:0) ve değişken RPM, kanallarındaki düşük seviyeli operasyonlar sırasında gürültüyü azaltmanıza izin verir.

Yenilikçi Tasarım Yaklaşımları

Bu çok yönlü zorluklara değinmek için, UAM mühendisleri aerodinamikleri, yapıları, proksiyonu ve sıkı bir şekilde çiftleştirilmiş sistemlere entegre eden bütünsel tasarım felsefelerini benimsemiştir.

Entegre Kanat ve Propulsor Tasarımlar

Ayrı kanatlar ve pervaneler eklenmeden ziyade, birçok yeni konsept doğrudan kanat yapısına ithaf etmektedir. Bu "blown kanat" veya "güçlü asansör" konsepti, kanat üstü boyunca 12 küçük pervane ile progresyonunu kullanarak, en yüksek asansör katlarını (C L,max) örneğin, bir çok DEPerodinamik verileri daha düşük çözünürlükte, diğer araçlar için de yüksek asansörleri kaldırmış gibi.

Dağıtılmış Propulsion Systems

Dağıtılmış elektrikli tahrik (DEP) UAM aerodinamiklerinin bir temelidir. Hava çerçevede birden küçük propulsors yaymakla, tasarımcılar yapabilir:

• [FONT:0)Reduce uyandırmak için her rotorun arkasında, alt aerodinamik performansı geliştirmek ve arka tarafta yüzeyleri azaltmak.
• [FONT:0)Enable kesin vektörleme[Dönde kontrol için, kuyrukta kontrol için gerekli olan ihtiyacı ortadan kaldırmak veya karmaşık döngülü yol mekanizmaları için ortadan kaldırmak.
• [FONT=0)Improve cruise verimliliğini[[Dönetici:0) Sadece en uygun şekilde yolcuları (örneğin, kanat tahrikcileri) için kullanılan taşıyıcılar.
• [FONT:0) Düşük gürültü) çünkü daha küçük rotorlar daha düşük hızlarda çalışır ve ses daha geniş bir frekans bandında yayılır, daha az intrusive yapar.

Ticaret-off, güç dağıtım ve termal yönetimde karmaşıklık artırmaktadır. Bununla birlikte, Archer Havacılık ve İşy Havacılık gibi şirketler altı-rotor konfigürasyonu (dört asansör rotorları, iki yolcu pervaneleri) verimli bir şekilde uçabilir ve 200 amfın nakit hızından hesaplanabilir gürültü ile hızlanabilir.

Aktif Aerodinamik Elements

Uçuş sırasında değişen yapılar laboratuvardan prototipe taşınıyor. örnekler şunları içerir:

• [FONT:0]Morphing lider kenarlar[Dönder: 1) Bu değişim camber ve kalınlığı yüksek düzeyde saldırı sırasında düşük sürüklenme devam ederken, MIT'nin uyumlu mekanizmalara ilişkin araştırma, geleneksel eylemcilerin ağırlığı olmadan tam olarak morf gösteriyor.
• [FONT:0]Active spoilers[[Dönetici:0) Üst kanat yüzeyinde sürüklenmek ve iniş sırasında asansörü azaltmak için kullanılan üst kanat yüzeyindeki dağıtmalar ve gürültüyü azaltmak için ihtiyaçları ortadan kaldırır.
• [FONT:0)Adjustable duct inlets[[DÜT:1), geometriyi uçuş koşullarını eşleştirmeye, yayılmaya sürükleme ve fan verimliliğini artırmaya yönlendiren fan tasarımları üzerine kuruludur.
• [FONT:0] ⁇ -a Adaptasyonlı iniş dişlisi[Dönetici:0], en az sürüklenme cezasına geri çekilmek için adil bir şekilde geri çekilmek için sabit dişli kullanır.

NASA'nın şu anki durumu:0) Adaptif Taramalı Edge (ACTE)) programı, geleneksel kanatlarda% 30 oranında azalma elde edebilecek esnek bir çırpıda göstermiştir; benzer ilkeler çoklu UAM araçları için adapte edilir.

Hafif Kompozit Yapılar

Aerodinamik verimlilik, yapı çok ağır ise anlamsızdır. Karbon-fiber-reinforced polimerler (CFRP) UAM araçları için seçim malzemeleridir, yüksek güç ağırlık oranları sunar ve karmaşık aerodinamik şekiller oluşturmak için yeteneğidir.

• [FONT:0]Co-cured sandviç panelleri[[DÜT:1], cilt, çekirdek ve sertleri tek bir üretim adımında, parça sayını ve ağırlığını azaltır.
• [FONT:0)Eksitif üretim[DÜDÜT:1] küçük aerodinamik bileşenler (örneğin, kanat ipuçları, rotor bıçağı adilleştiriciler) daha önce pahalı araç gerektiren.
• [FONT:0]Aeroelastic terzi [Döneticileri), vortices'in eğimi veya durgun durmasını önlemek için aerodinamik yüklerin altında bükmek veya bükmek için tasarlanmıştır. Örneğin, ileri görüşlü bir kanat yüksek hızda dolmadan aşağı inebilir, vortices'ten uzaklaşmayı engelleyebilir.
• [FONT:0)Fill malzeme, sintactic köpük veya balcomb gibi, aynı zamanda yalıtım ve ses barajı sağlar.

C ⁇ Akışkanları Dinamiklerinin Rolü

Rüzgar tüneli testleri önemli, ancak şimdi UAM'da en aerodinamik inovasyonu sürücüler. Yüksek sadakat simülasyonları Wilson-Averaged Navier-Stokes (RANS) ve Büyük Eddy Simülasyonu (LES) mühendislere uçan ve ileri uçuş arasındaki geçiş ve gürültü yayılımı: Anahtar uygulamaları:

• [FONT=0) Tasarım optimizasyonu[[Döneticileri ve genetik algoritmaları kullanarak belirli bir kısıtlama seti için sürüklenen veya en yüksek asansörü sağlayan şekil bulmak için tasarlanmıştır. Bu, Lilium Jet gibi geleneksel olmayan şekillerde yol açtı - çok fazla girişli hayranlar kanatlar boyunca ayarlandı.
• [FONT=0]Aeroacoustic tahmin) (Ffowcs Williams-Hawkings yöntemleri) bu hesaplama gürültü ayaklarını inşaat prototipleri öncesi hesaplamak, iteratif sessizleşmek.
• [FONT=0]Dynamic simülasyonlar [[Dynamic simülasyonlar[[Dynamic) comsts ve kentsel arazi (uzarlı uyanmalar) kontrol yasaları. Wisk ve Volocopter gibi şirketler FAA/EASA yönergeleri altında araçlarını haklı çıkarmak için CFD kullanırlar.
• [FONT:0]Redük-order modeller[[Dönetici:0) Gerçek zamanlı uçuş kontrollerinde bulunan ve proaktif olarak kontrol yüzeylerini ayarlamaları için.

Bir atılım düşük Reynolds sayılarında dönen kanatlar için geçerlilik oldu (Re ~ 500.000). Geleneksel rotorcraft CFD çok daha yüksek Re, ancak UAM rotorları laminar-to-turbulent geçişi kritik olduğu bir noktada faaliyet göstermektedir.

Future Perspektifleri

Sonraki on yıl UAM araçlarının ilk nesil sertifikalı tasarımlardan (örneğin, İşy, Archer, Volocopter) tamamen aerodinamik atılımlardan yararlanan ikinci nesil uçaklara gelişeceğini görecek.

Yapay Zeka ve Gerçek Zaman Adaptasyon

Gerçek zamanlı aerodinamik model tanımlama, üst düzey sensörleri kullanarak araçların uçuş yüzeylerini değiştirmelerine izin verecek. Makine öğrenme algoritmaları belirli bir hava çerçevesinin sürüklenmesini ve minimum enerji tüketimi için çırpınmayı öğrenebilir. AI ayrıca gürültüde bir rol oynar: bir şehir arsası üzerinde gürültü yayılımını tahmin eden sistemler ve rotor RPM veya uçuş yolunu bu şekilde değiştirebilir.

• [FONT=0]Sensor füzyon[Dönetici:0) Hava verilerinin (pitot-statik, multi- delikli problar, LIDAR) inertial ölçümler, saldırı ve yanların açılarını doğru tahmin eder, hatta gusty koşullarda.
• [FONT:0] Her aracın dijital ikizleri [Dönetici 1] uçuş verilerinden elde edilen aerodinamik katlarla güncellenmektedir, tahmin edilebilir bakım ve optimize edilmiş operasyon.

Sertifika ve Güvenliği Yolu

Aerodinamik yenilikler de katı sertifikasyon gereksinimleri karşılamalıdır (EASA SC-VTOL, FAA Bölüm 23 veya 25 equivalencies).

• [FONT:0]Fault-tolerant aerodinamik:[Dönetici:[Dönetici: 1 ) Aracın tek bir rotor veya hareketleyici başarısızlığından sonra kontrol edilebilir kalması gerekir. Bu kontrol yüzeylerinin dağıtımını ve aerodinamik tasarımını etkiler.
• [FONT:0]Spin ve tezgah önleme:[Dönetici:[Dönetici:0) Birçok UAM konfigürasyonları, docile tezgahla kanatlar tasarlar ve genellikle tezgah şeritleri veya vortex jeneratörleri güvenli davranışı sağlamak için.
• [FONT:0)Ice koruma: [DÜDÜT:1] Havalimanları buz değişimi şeklini bir araya getiren ve asansörün felaket kaybına neden olabilir. Yeni de-iking sistemleri (örneğin, elektro-termal, ultrasonik) pürüzsüz yüzeyi ödün vermeden entegre edilmelidir.

İşbirlikleri:0)FAA'nın UAM ConOps [Dönetici: 1 ) ve NASA'nın Gelişmiş Hava Hareketliliği (AAM) projesi düzenleyici çerçeveyi oluşturuyor. Aerodinamik veriler hem performans hem de gürültü sertifikasına merkezi.

Çevre Tahminleri

UAM'ın çevresel vaadi – zemin araçlarıyla kıyaslanmış karbon emisyonları – aerodinamiklere bağlı olarak her bir sürüklenme cihazı batarya ağırlığı azaltır veya ödeme yüklerini artırır.

• [FONT:0)Solar-assisted uçuş: Aerodinamik dış yüzeyler ince filmli fotovoltaiklerle entegre edilmiş, ancak hala düşük verimlilik olsa da, güneşli günlerde genişleyebilir.
• [FONT=0)Aktif akış kontrolü: [Dönetici: [Dönetici:0)Aktif akış kontrolü: [Dönetici: 0,4; Küçük hava jetleri kullanarak, daha yüksek enerji sınır tabakalarını yeniden oluşturmak için havadan (örneğin, sentetik jet hareketleyiciler) daha ağır mekanik uçları azaltır.
• [FONT:0]Biomimetic yüzeyler: [Dönetici:[Dönetici:0)Köpektik yüzeyler:[Döneticiler:[Döneticiler: 0) Köpekbalığı ciltleri tarafından uygulanan sönüllüler, konbülan akar akışta 10% kadar sürtüşme sürüklenme sürüklenmeler tarafından sürüklenmeler azaltılır. Bunlar zaten ticari uçaklarda test edilir ve UAM araçlarına göç edebilir.

Gelişmiş malzemelerin yakınlaştırılması, hesaplama simülasyonu ve dağıtılmış tahrik, Los Angeles, Singapur ve Paris gibi şehirlerde yeni bir araç sınıfı sağlamak için devam edecektir. Aerodinamik inovasyon, yerel ulaşımdan öğrenilen temel sürücü olmaya devam edecektir, gürültü ve güvenlik – UAM'ın başarılı olacağı veya başarısız olacağı üç temel temel temel araç.