VoloCity升力系统的设计:远不止是多旋翼

文摘   科技   2023-05-16 13:13   江苏  
位于德国的Volocopter公司从2011年成立以来,历经12年,其推出的新型分布式电动多旋翼垂直起降构型影响了全世界诸多爱好者和发明家。其飞行器依经历了VC1、VC2、VC2002X、VoloCity不同的阶段

VoloCity取名谐音Velocity(速度),为Volocopter公司适航审定的正式机型,定位于高净值乘客从机场到市中心(类似航线)的运营,暂不向个人用户销售。该机具有18个分布式电机,安全冗余大,与常见的多旋翼相比,其最大的特征是在后部旋翼面下方多了个安定面,类似垂尾和平尾。主要设计性能参数如下:
乘员数量:2人
最大载重:200kg
最大速度:110km/h
最大航程:35km
占地直径:11.3m (含旋翼)
旋翼离地高度:2.5m
电池更换时间:5分钟
1.旋翼
目前VoloCity为第4代飞行器,机身和客舱设计更加现代和艺术化,18个电机安装在特殊设计的横梁结构上面,电机转动起来后,旋翼(单个直径2.3m,固定桨距,转速1100转/分钟左右)桨尖的速度并不像直升机旋翼那么高速,发出的声音相对温和,可以有效降低令人难受的噪声。
所有的18个旋翼的旋转方向和电机的转轴倾斜方向都是有特定设计的。在转向和抗风时,调整相应的电机转速,利用反扭力矩以及倾斜电机的直接力,可以快速实现机头转向或抗风。
图↑ 旋翼的旋转方向(白色顺时针,黑色逆时针)
试飞时,地面控制台上会显示所有电机旋翼的转速和转向,如下图。负数代表是逆时针转,橙红色为高转速,黄色略高,绿色安全。

图↑ 大机动试飞测试的显示

展示的VoloCity样机,也可以明显看到电机是倾斜安装的,其倾斜方向是围绕着飞机的中心轴顺时针或逆时针倾斜的,这个倾斜方向必须和旋翼的转向匹配,否则适得其反。与很多其他公司采用的做法类似,VoloCity展示样机上的旋翼有多处装反了,这或许能防范一些低劣山寨事件发生,或至少让其试飞的时候付出损失代价。

图↑  展示样机上电机倾斜方向与旋转方向不匹配

图↑ 可清晰看到电机倾斜安装
图↑ 电机的倾斜方向(与旋翼转动方向关联)
2.支架

由于固定翼高速巡航效率比多旋翼高,所以VoloCity引入了部分机翼的设计,在巡航的时候,并非只有旋翼产生升力,其电机座支架的横梁结构有多处已经设计优化为翼型,降低巡航阻力,提高升阻比,更省电。

图↑ 电机座横梁结构采用翼型设计(变截面)

在下图中,展向跨度大的连杆(蓝色)均有翼型截面设计,并且有较大的安装角,这样在巡航低头的时候依然能产生升力。

图↑ 横梁结构中巡航升力的主要贡献区域(蓝色)

试飞样机相比展示样机做了局部更改,取消了后侧方连杆一小段翼型截面修形区域(下图红色箭头位置,从制造成本和有效性考虑),机身尾部的电池舱舱盖也更改了外形设计,不再是凹进去的设计。

图↑  VoloCity第一架试飞样机


3.尾翼
VoloCity的尾翼,其实最开始就是一个平尾和两个垂尾,如下图:

图↑  VoloCity早期效果图

通过仿真和试验多轮优化后,修改成了当前的流线型造型,在悬停时对下洗气流的阻滞影响降低,如下图:

图↑  神奇尾翼

这个尾翼巡航时具有安定面的稳定作用,可以注意到其“平尾”部分的安装角特别大,这就要说到其另外一个重要的作用。

我们常见的多旋翼向前巡航时,后方电机需要更大的功率以保证低头前飞,这对操控而言是不安全的VoloCity低头加速前飞到达一定速度时,其尾翼产生的升力将形成一个持续的低头力矩,后部电机功率可以降低下来,并维持这个前飞的巡航状态,此时所有电机的功率都在同一个档次,保证了在巡航中遇到突风或发生电机异常失效的情况下,VoloCity依然可以从容应对。

图↑  VoloCity高速巡航状态

4.其他
这些是展示样机上的,实际批产飞机会有变化。

图↑  侧面的行李箱

图↑  可快速更换的9块电池

图↑ 宽敞舒适的座舱布置

小结

VoloCity经过10多年的沉淀,跟最初的纯多旋翼原型相比,早已经脱胎换骨,随着技术和法规的进步完善,未来还有更多变化可能性,本文只是窥豹一斑,以供参考。

航空探索
航空航天科技前沿发展情况普及,先进技术探索