Archer Midnight设计简析
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科技
2022-12-08 12:06
江西
2022年11月17日，Archer公司正式发布了将来认证和生产的5座型Midnight（午夜）电动垂直起降飞行器。其主要参数来源于各媒体评估和私下访谈：典型航线：针对32km-80km连续航程优化，中间充电10分钟从性能数据上来看，Archer Midnight跟现代集团的Supernal S-A1非常接近，两者都是采用现有电池技术，倾转+复合布局。本文针对国外媒体已经公开的资料和几何数据评估进行一些简要分析。Midnight的主要布局大体上跟Maker差不多，都是上单翼、V尾，机翼前方分布有6个倾转螺旋桨，机翼后方为6个固定的升力旋翼。飞机翼展14.32m（47英尺），展弦比约9.2，机长约10.2m，机高约3.7m。飞机采用的依然是鸥翼布局，放宽静稳定设计，尾翼和舵面都比较小，尽量减轻结构重量。每一个V尾上的舵面分成了3块，保证控制安全裕度。整个机翼上的舵面为4块，每块配备2个舵机。飞机起飞重量增加到了3吨，是之前Maker的两倍，机翼翼展增加了2米，机翼的弹性影响更显著。目前Midnight的机翼面积相比Maker大约只增加了70%，翼载提升，飞机在起飞和巡航的时候，机翼的上反变形影响也将更严重，加上客舱乘员从2人变成了5人（还有5人的行李），重心相对下移，上单翼的横向本来就是偏稳定的设计，而这些变化会导致过于稳定，不利于操控。为了解决该问题，飞机翼尖部分的外翼改为了下反，达到较好的平衡。前方的倾转螺旋桨结构形式与Wisk第6代很相似，似乎不再有Maker的精细，倾转作动系统直接暴露在气流中，过渡飞行时对于异物防护不利。倾转时，背部有块小盖板会联动，在完成垂直到平飞后，完全盖住顶部的缝隙。而此前的JOBY，则是采用了复杂几何路径倾转，也保证了平飞的时候气流顺畅。旋翼和螺旋桨的直径在2.2m左右，前后有些差异，悬停起降状态下，均远离地面人员头顶。从目前展示样机来看，当前配装的后旋翼可能不是最终产品形态。理论上，后部旋翼采用前方一致的螺旋桨/旋翼最有利于悬停控制，而且叶片多了转速可降低从而也降低了噪声，但是3叶及以上的旋翼巡航时会产生较大的阻力，所以Maker才使用了2叶的旋翼，而Vertical VX4则采用了可重叠的4叶旋翼，Supernal SA-1采用的是上下同向旋转4叶旋翼。此前Wisk论证了在短航程下，后部的4叶旋翼的巡航阻力影响是可以接受的，其第六代后方就采用4叶旋翼。不知是否巧合，Archer的Maker在最近的多次试飞展示及完全过渡飞行中，后部的2叶旋翼已经改成了3叶旋翼。而Midnight的常用航程如此短，也许会采用类似设计。Archer 开发了两种电机，分别适用于倾转和固定，两者主要是顶部的外壳相差较大，核心部分一致。Midnight的电机并非是直驱螺旋桨或旋翼的，而是配备了减速系统，这样电机本身的转速较高，能实现的扭矩更大，对于降低重量、减小体积、提高反应能力都有好处。电机融合了变速装置、液冷系统、电控系统，峰值功率125kW，总重量只有25kg。相比于赛斯纳172的135kW发动机，Midnight的125kW电机重量只有其五分之一，移动部件只有21分之一，能耗只有其四分之一。Archer的优化电机也比特斯拉的Model 3 电机要轻巧很多。图 7 Archer电机（左）和特斯拉Model 3电机（右）的对比Midnight大幅度的优化结构和设备重量，很重要的一点也是为现有技术的电池重量让路。飞机采用的是魔力（Molicel）2170圆柱形电池，虽然电池能量密度不高，但是其成熟可靠，也是英国Vertical VX4的电池供应商，有利于将来适航审定工作顺利进行。电池包总容量是144kWh，预计的能量密度为170Wh/kg，相当于电池包的重量大约是850kg。该电池可支持10000次飞行。而JOBY、Beta、Lilium要实现其宣称的性能，这可能还需要电池研发数年的不懈努力。目前看其宣传资料，电池是布置在机翼内的，好处是不占用机身空间，有利于较大的乘坐和运输空间布置，离电机近，降低电缆重量，而且电池起火时也不会伤害到乘员，巡航时对机翼也是卸载作用。但是坏处也很明显，维护拆装比较麻烦，增加了机翼的惯量矩，敏捷性变差，需要与机翼结构充分进行优化设计。Midnight的电池供电设计理念，是每块电池给对角的两个电机供电，一旦电池故障，电源分配系统可以调用其他电池的电力来供应，即使完全断电，也是相对安全可控的。Midnight具有4个舱门，所有乘员均可方便进出。驾驶位的两侧下方还有透明玻璃，类似于直升机，便于起降时观看下方地面情况。驾驶舱采用了佳明的G3000航电系统，乘客座椅采用亚麻纤维等环保的织物，并进行了艺术性的设计。从宣传图上来看，Midnight采用了不少复合材料一体成型设计。而该机最大的一个外观争议，来自于起落架。Midnight的前三点式固定起落架跟常规设计有些不一样，前起落架的支柱和缓冲机构被一个整流罩包住，该整流罩和机头进行了一体化融合设计，减小阻力，但是看起来可能会较丑。由于飞机的电池位于上方的机翼，在没有乘客和驾驶员的情况下，飞机的重心会很偏高，这会导致容易在地面侧翻（尤其是有风的时候）。所以Midnight的主起落架间距拉得很大，接近3m，保证了防侧翻角的要求。为了主轮的缓冲机构设计和更好的传力路径，主起的支点设在了机身中部，而不是最下方，并增加了相应的融合整流设计，其主起落架整流截面为翼型，前钝后薄。Midnight总的思路是侧重于采用现有成熟技术、多重安全保障，快速实现认证，在传统专业领域多下功夫，为将来电池重量、乘员空间留下足够余量，性能扩展潜力更大。目前Midnight公开的样机虽然是将开展适航认证的批产型号，但是正如其自身所说的那样，展示的部分（包括演示视频）有很多是故意进行了更改和掩盖，未来在开发过程中某些细节将会有所变化，这也是飞行器迭代发展的必然。
