JOBY S4 量产原型机的重大改进

文摘   科技   2023-07-17 15:01   江苏  
2023年6月28日,JOBY公司发布了其量产原型机(Production Prototype),尾号为N5421A,针对之前试飞的原型机又有了较大的改动,本文针对可以看得到的变化部分进行分析。
截至目前,JOBY已有尾号的全尺寸原型机为4架:N541JA(第一代)、N542AJ(第二代,2022年2月坠毁)、N542BJ(第二代)、N5421A(量产原型机)

图↑ N5421A(前方大图)和N542BJ(后方小图)

图↑ N541JA(第一代S4)

图↑ N542AJ(第二代S4)

图↑ N542BJ(第二代S4)

JOBY一直以来对于S4飞机的真实数据是保密的,很多航空专家按照最初JOBY当初发布的飞机外形及参数(全机重量1815kg,载5人可飞行240km)进行了性能计算,认为在当下是不可能实现的。确实也是如此,JOBY S4此前设计方案要是在满足所有指标和要求后完整落地的真实重量在3000kg左右(非官方信息)。
要保证性能和安全,必须有所取舍,简化机构、降低重量,并对原有设计方案进行调整。本次的量产原型机制造,得到了丰田公司的大力支持,基本实现了目标。根据公开信息,N5421A的全机重量为2400kg,空重1950kg,巡航速度320km/h,航程160km。
起落架简化
S4有多种起落架设计方案,包括可收放和固定形式,均为前三点式起落架。可收放的起落架在第二代机型开始配置,3个起落架均可向后方收起,在巡航的时候可以有效降低阻力,但是带来的问题是,该起落架系统非常粗壮,机身也必须有相应的开口,机身降低的强度又得需要局部加强,收起后的起落架也会占用机身空间,并且导致重心移动需要匹配好。

图↑ 起落架舱的大开口

JOBY未发布过起落架已经收起的巡航照片,如果起落架在巡航时不能收起来降低巡航阻力,那这个设计就是失败的,JOBY后来更多的采用轻量化和低阻力的固定起落架来试飞,包括在美国空军“敏捷至上(Aglity Prime)”项目测试飞行400km/h高速时也是采用低阻力且重量极低的固定起落架。

图↑ 低阻固定起落架(无机轮)

当然,N542AJ这个低阻固定式起落架虽然重量低、阻力小,但是满足不了地面移动便利要求,只是为了测试使用。JOBY还使用了另外两种带机轮的测试用固定起落架。

图↑ 两种不同前起形式

在量产原型机上,可以看到起落架的进一步改进,前轮前移降低负载系数,并且是滑跑稳定构型,主起落架支点更改到更好的机身结构受力点,间距加大,不过目前还没加机轮的整流罩。起落架支柱浸润面积变小并高度倾斜,以降低阻力,这对材料和结构设计的要求都很高。整个起落架系统从最初的收放式改到现在,减重收益达上百公斤(含机身减重)。

图↑ 量产原型机的起落架

取消襟翼

后退式襟翼一直以来是JOBY S4的一个特点,它可以在滑跑起飞的时候有效增加机翼升力系数,在重量很大的飞机上经常采用,比如客机、运输机,可降低失速速度、减小滑跑起飞距离、提高低速状态下的安全性。在过渡飞行时,由于机翼升力系数增大,可更快的从垂直转到平飞,并且可更好的满足一些老旧的适航规范要求。

图↑ 后退式襟翼导致机翼下方大开口

图↑ 新的机翼下部后缘为一体化整体(倒置状态)

图↑ 量产原型机襟翼取消

随着eVTOL行业的全面发展,基于传统飞机的一些适航条款限制也在不断优化。另一方面,现在S4单个电机的峰值功率就达到了236kW,单个电机峰值扭矩1800N·m,电机+电调重量为28kg,最大功重比达到8.4,全机共6个电机,动力非常强大。JOBY S4机翼前方的4个螺旋桨高速滑流可以提高机翼的升力特性,襟翼的作用显得不是那么重要,而结构重量却很紧迫,这面临一个取舍问题,最终JOBY把这个曾经标志性的后退式襟翼取消。JOBY的复材制造和装配主管Joe Brennan说,S4只有10个舵面,6个在V尾上,4个在机翼外侧(升降副翼)。

图↑ 翼面上有10个舵面

取消后退式襟翼后得到的好处:

(1)机翼结构强度和刚度更好

(2)减少了振动

(3)降低了机构和控制复杂度

(4)大幅减重


内侧短舱倾转结构更改

位于前方内侧的3号、4号倾转短舱进行了优化设计。这两个短舱跟一般的倾转旋翼不同,并非围绕某根轴转动而已,具备复杂的移动轨迹,桨盘一边转动,一边移动。

图↑ 不对称的作动机构

在量产原型机之前,S4都是采用的上述不对称倾转作动机构。然而(非官方信息),在2022年2月的一次高速飞行测试中(速度444km/h,远超设计速度),该短舱出现了严重的旋转颤振,结合其他因素,最终结构损坏,形成致命性事故并坠机。

旋转颤振也称为回转颤振,是因为螺旋桨飞机前飞时气弹不稳定所致旋转中心偏离越来越大,是限制倾转旋翼机最大平飞速度的一个关键技术。

在量产原型机上,该机构变成了左右对称的形式,得到加强,也许将来还要继续冲刺444km/h以上的速度。运动的短舱也增加了保护整流罩,连接面为斜切,减小外来物冲击影响,并避免倾转过程中夹住较大的异物(飞鸟、漂浮垃圾等)。

图↑ 新的短舱和控制机构(对称、加强、整流)

其他

由于电池占的重量系数比重较大,且电池很难减重,其他系统重量控制非常严格。电池、电机、充电系统进行了高度优化设计,官方宣传资料上有说明。

全机有约600个复合材料部件,核心承力结构大量采用东丽T1100和T800碳纤维,并采用自研的某种高韧性预浸料工艺,进一步减重。所有金属承力结构都进行了受力拓补优化挖除任何多余重量。

图↑ 尾翼旋转短舱连接处的结构拓补优化

航空探索
航空航天科技前沿发展情况普及,先进技术探索