背景情况
据专业网站evtol.news统计,全球已经公开的1000多种eVTOL构型中(分为矢量推力、升力+巡航、个人飞行器、纯多旋翼、电动旋翼机),采用倾转(矢量推力)的方案最多,其数量是复合翼(升力+巡航)构型的2倍,比纯多旋翼方案还多。本文针对eVTOL典型的倾转构型进一步细化,对其各种布局的典型代表进行简要评述,以供参考
1.全倾转旋翼
全倾转的优势主要是在气动性能方面,尤其是巡航状态下,所有动力都用于推进,最大速度、续航等性能会有明显优势。缺点就是,每多一套倾转动力,就多了一套倾转机械结构、倾转电机电控,以及倾转的各种姿态位置传感器和电路,重量会增加,飞控的控制难度会数倍甚至数量级的增加,对于设计开发单位的要求是最高的。
JOBY S4,采用6倾转旋翼,目前从布局位置、动力和控制裕度、安全性、效率、噪声等多方面来看,属于比较好的一个组合。
(参见:几种V尾带桨布局eVTOL的简要分析
(参见:JOBY S4 量产原型机的重大改进

eVTOL各种倾转构型优缺点简评

eVTOL各种倾转构型优缺点简评

↑ JOBY S4

Supernal SA-2,采用8个倾转旋翼,前上后下偏转,巡航的时候前后推进螺旋桨相比复合翼能有效降阻,动力冗余和控制方面没有问题,主要是起降过渡时,后方低位螺旋桨受到干扰较大,并且对地面人员和乘客不利(俗称割腿机、砍头机),其样机在静态展示的时候,也特意不把后方倾转动力向下转到待起飞位置,避免恐惧感。

eVTOL各种倾转构型优缺点简评

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↑ Supernal SA-2

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↑ 静展时特意不放下后方倾转旋翼

Overair则是比较另类,采用的4倾转旋翼,看起来像个特大号大疆,虽然可以充分发挥其OSTR技术的优势,但是在悬停时一旦某个旋翼系统故障的情况下,需要依靠倾斜盘和变距系统来操控,机械复杂度和控制复杂度更高。

eVTOL各种倾转构型优缺点简评

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图↑ Overair Butterfly

2.部分倾转旋翼

是全倾转和复合翼构型的中间状态,动力系统的巡航阻力比复合翼小,倾转动力在巡航和垂直起降中间可以找到一个好的匹配点,动力系统的设计难度比全倾转要低,控制相比全倾转难度要小。

不过,部分倾转的设计,倾转动力设置在哪,却是很有讲究的,否则可能就导致推倒重来。

Archer Midnight、Wisk GEN6、Vertical VX4布局相似 ,目前这些原型机前方倾转动力为5叶桨,后部的升力旋翼为4叶桨(后续试飞可能会改为能重叠收起变为两叶桨),后部动力的巡航阻力贡献很大。

(参见:Archer Midnight设计简析

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图↑ Archer Midnight

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图↑ Wisk Gen 6

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图↑ Vertical VX4

Textron Nexus采用的是前方4个倾转,后方撑杆上2个固定旋翼,这样巡航更有利,一个推进动力失效不会导致巨大的不平衡力矩。

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↑ Textron Nexus

有一些采用了只有翼尖动力倾转的布局,对于电动飞行器来讲,如果没有左右连杆保障,那么一个动力失效的巨大不对称力矩会导致重大事故。

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图↑ 仅翼尖倾转的话需要动力联动机构

有一些跨界的创业者,会挑战传统设计,这当然是好事,但是一旦权衡的方向走偏了,还得重来。比如Eviation Alice,最初是翼尖推进设计(翼尖单发停车无法控制),之后变常规两侧尾推了,再之后机身都更常规了(考虑制造成本和扩展性)。

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eVTOL各种倾转构型优缺点简评图↑ Eviation Alice的设计变化

3.倾转涵道

优势是对地面人员和乘员保护性好,可适当降低噪声,在动力体积被限制情况下可产生大的推力,视觉美感及乘坐心情会比较好,更容易让人有买单的冲动。主要缺点一个是重量增加了,一个是太小的涵道能耗高的问题。

倾转涵道一般来讲,最好也需要4个以上,否则坏一个基本就坠机,融资发展都困难重重,很多采用这种设计的方案要么终止了,要么多年如一日没任何有效进展。

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图↑ Agusta Westland Project Zero(项目结束)

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图↑ 进展缓慢的XTI TriFan 600

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图↑ 进展缓慢的Sabrewing Rhaegal

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图↑ Bell Nexus 6HX(已终止)

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图↑ Bell Nexus 4EX(已终止)

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图↑ Lilium Jet

当然也有一些照猫画虎的显眼包,如下面这个,看似结构牢固升力面多,但是全机浸润面积非常大(阻力大),巡航效率极低,控制也麻烦。

eVTOL各种倾转构型优缺点简评

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图↑ Nazzeni

(参见:涵道风扇eVTOL优势与难点

(参见:涵道风扇eVTOL方案概览

4.倾转机翼

操控倒是简单了,转动机构位于机身内,空间够大,很多年前没有自动飞控的时代也用过。最明显的缺点还是门板效应,不过在分布式电机动力和现代飞控的加持下,会有新的希望。

(参见:倾转机翼为何再度兴起?

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图↑ Airbus Vahana(已终止)

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图↑ Dufour  Aero 2

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图↑  Sikorsky HEX倾转机翼(左侧两架)

5.倾转沟槽翼

这个是利用了卡斯特沟槽翼的特殊升力加持效应,加速机翼上表面气流,可增加约30%升力。目前只有HopFlyt在使用倾转沟槽翼,其飞行器只转动内侧的沟槽翼部分,外翼不动。典型缺点:这个机翼的模具费、制造成本、重量代价都会大幅增加,振动模态也很复杂。

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图↑ 滑跑起降的沟槽翼

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图↑ HopFlyt Venturi早期方案

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图↑ HopFlyt Venturi验证机完成了倾转过渡飞行

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图↑ HopFlyt 的倾转沟槽翼&涵道方案

6.小角度倾转旋翼

典型代表为Crisalion Integrity 6。

这个与全倾转旋翼的不同是,这些动力时刻都还在产生升力,能够在一定小角度范围内(如30°)进行动力组的偏转,在遇到阵风的时候还可以尽量保持客舱平稳,通过偏转动力来抵消姿态影响。即使出现倾转卡死或动力故障,由于偏转角度小,全机控制能力都还不会降低太多。没有专门的倾转作动电机,节省了重量,不过缺点还是这套机构的可靠性、结构设计要求高,另一个就是巡航阻力可能会偏大。

(参见:Crisalion的FlyFree控制技术简介

eVTOL各种倾转构型优缺点简评

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图↑ Crisalion Flyfree技术

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图↑ Crisalion Integrity 6验证机

原文始发于微信公众号(航空探索):eVTOL各种倾转构型优缺点简评

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作者 ab, 808

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