面向私人市场:Skyfly Axe的设计理念

文摘   科技   2023-02-23 07:50   广东  
Skyfly是英国伦敦的一家初创公司,成立于2019年,该公司正在开发名为Axe(直译:斧头)的私人电动垂直起降飞行器,定位于成功人士的个人通勤、购物、休闲、旅行,以及eVTOL飞行员培训。
Axe是一种介于多旋翼和固定翼飞机之间的构型,它没有任何倾转机构,简化的设计使得认证更快(公司认为一旦认证程序开始,将在2年内取证)、成本更低,并计划2024年投产,高配版的单价约为180万人民币。

Axe主要参数如下:

最大起飞重量
600kg
有效载荷重量
172kg,双座
最大航程

161km  (纯电)

322km  (混合动力)

最大速度
161km/h
外形尺寸

全翼展(含螺旋桨):8.2m

停机机长:4.5m

停机高度:3.3m

电池组
48kWh

为什么选用鸭式布局

Axe的翼面布局,官方用词为鸭式布局(也倾向于串列翼),分为较低的前翼和较高的主翼,均有相应的舵面,但是展弦比都比较小。尾部有较大的单垂尾,垂尾上有方向舵。Axe的主要竞争对手是纯多旋翼的个人飞行器,比如Jetson One;相比后者,Axe有明显的航时和航程优势。由于翼尖螺旋桨的存在,抑制了翼尖涡,并使得鸭翼和主机翼的有效展弦比增大了,巡航效率会提高,真实的翼展可以算到螺旋桨的中心线位置。

鸭式布局有利于旋翼中心和重心的配置。飞机的重心位于飞行员的臀部位置(与飞行员重心位置接近),所以不管有没有飞行员,飞机都可正常飞行,而不用担心重心偏移太大无法控制。

迎角不断增大时,鸭翼被设计为先于机翼失速,这样飞机就会低头,不会导致全机迎角继续增大而出现飞机失速的危险。

图↑ 俯视图

怎样降低翼尖螺旋桨撞地的风险

从正前方看,飞机的鸭翼和主翼均有明显的上反角,外部的撑杆又进一步上反,这样设计的目的,一方面是保持较好的稳定性,另一方面螺旋桨平面外端因为离地高度大于翼根,在侧倾转弯等某些情况下不容易触地损坏,离开地面的距离也加大了,受到地面效应剧烈影响的程度也降低 。

图↑ 翼面和撑杆均有明显上反角设计

全机结构设计

采用成熟的滑翔机结构设计,鸭翼和机翼均为单主梁结构,可以从机身两侧拆解。翼面大梁是前后错开的,在机身内部通过两个销钉固定好。

全机结构采用了吸能设计,机翼、机身、起落架均可吸能。抗冲撞设计,飞行人员可抗前方9g的撞击,座舱后方的电池和航电设备可抗15g的撞击。

2个乘员处于全机的中央位置,在机翼、鸭翼、机身、起落架的多重吸能保护之下,相比其他造型,乘坐更安全。在材料上,采用芳纶和碳纤维,设计了皱褶变形区,并保证撞击的时候不会有过多的碳碎片进入座舱,满足紧急着陆的规范要求。

图↑ 机翼的主梁前后错开布置


图↑ 机翼的梁肋结构和销钉孔

单个的超大展弦比机翼会提供非常优秀的滑翔性能,但是也会导致机翼结构很重,而且不便于运输。Axe重点考虑了这些因素,采用小展弦比机翼设计,刚度大重量轻,并保证了9:1的滑翔比,当然翼尖螺旋桨的布局确实使得翼尖载荷很大,这是不利的,所以采用了定向设计的轻质碳纤维结构从翼尖到机身来传递这些载荷。

图↑ Axe有良好的滑翔能力

由于飞行中会出现各旋翼受力差异较大的情况,这可能导致结构上产生非常大的扭矩,若处置不当,会导致结构损坏。所以Axe的机身机构中,还设计了扭力梁,用来更好地传递前后机翼的扭矩。

图↑ 机身扭力梁

机身几乎全是曲面设计,而不是平面,一方面是气动特性好,另一方面强度和刚度更好,不容易屈曲。全机主要采用复合材料制造,采用树脂灌注成型(出现空隙的几率非常小)。

图↑ 机身曲面

图↑ 树脂灌注

座舱盖的设计

舱盖为整体的树脂材料,通过铰链向前上方开启,提供极好的全景视野。即使飞机迫降在水中时,开启舱盖并不会导致客舱立刻进水沉没,有利于救援。

图↑ 座舱盖向前开启


设备布置情况

由于Axe飞机最大起飞重量只有600kg,可以配备全机降落伞,提供进一步的安全保障。电池分布在客舱的前后两个区域,各有24kWh的电量,前后布置便于调整重心。

后机身还可以布置燃油发电系统。

动力系统设计

螺旋桨相对机翼为45°安装角。飞机共4个螺旋桨,采用的是三叶桨而不是两叶桨,主要是降低振动和噪声考虑。每个螺旋桨下方,拥有2个串联的电机,每一对电机额定功率为50kW,实现电机冗余。所以全机8个电机的总额定功率为200kW。飞机悬停时的需用功率为100-120kW左右,当有对角的2个电机不工作时,飞机仍然可以悬停。只是螺旋桨没有冗余,一旦有螺旋桨损坏,飞机只能滑跑着陆或者开伞降落。

飞机可以配备燃油发电混合动力系统,位于驾驶舱后方,这会增加55kg的起飞重量,但是航程会加倍,从161km提升到322km。

为什么采用前三点轮式起落架

拥有轮子,飞机不仅可垂直起降,还可以短距滑跑起降(50m),并且配备前轮转向在地面移动时,不需要额外的地勤车辆,临时机场和野外特别适用。

前三点起落架滑跑时比后三点或多点式更稳定,前三点也更有利于抬轮起飞。垂直起飞时会先抬前轮,后2个轮子此时依然为接地状态,不需要使用后方动力调整即可保持姿态稳定,飞机不会因突风影响向侧方倾倒(Opener有这个问题)。

当然,由于Axe很轻(空重182kg),如果单个体重较大的乘员从侧面登机的时候,可能会导致飞机侧翻,所以主轮的间距做得很大,提升防侧翻能力。(相比之下,Air One采用4点起落架,且从前方登机,不存在侧翻的问题)

图↑ 滑跑抬前轮姿态

图↑ 悬停状态乘员为躺座姿势

运输的考虑

Axe的机翼可以便捷拆卸,不过垂尾并不能拆。Skyfly公司设计了一种专门的轮式运输拖箱,装箱后整个拖车箱(含车轮)高3.51m,长6.76m,宽2.41m,可在一般道路上运输。

图↑ 轮式运输拖箱

图↑ 主要平面尺寸

注意:

目前Skyfly公司公布的所有宣传效果图、三面图里面,4个螺旋桨的安装转向都是错的,有的是4个全朝一个方向转,有的是反着转,外形细节与实际有不少出入,这是其防止低成本山寨公司仿制故意所为。

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