前言

 

关于电动垂直起降（eVTOL）载人飞行器的设计，国内外已有多家公司提出过多种不同方案。由于是商业行为，我们很难获取这些方案的详细设计参数和设计理念。

 

NASA Ames研究中心的Wayne Johnson教授等人在ASH技术峰会上发表过一篇关于VTOL飞行概念设计的论文。文章详细介绍了一款电动垂直起降飞行器的概念设计。文中的一些设计理念非常具有借鉴意义。本文加以整理，与大家分享。

 

 

 

 

 

设计需求

 

设计一款单人纯电动多旋翼飞行器。任务载荷为250lb(113Kg)。美国适航条例规定乘客平均重量为170lb(77Kg)，随着人类平均体重的增加，一般乘客的平均重量按照200lb(90Kg)进行计算。额外计算50lb(23Kg)的个人物品，因此单人飞行器的任务载荷重量共计113Kg。任务航程为50nm(93Km)。可满足在5000英尺（1500m）的高度飞行。

 

 

 

任务分析

 

起飞阶段：满足2分钟无地效悬停

巡航阶段：以远航速度飞行93Km

降落阶段：满足2分钟无地效悬停

安全余量：10%任务航程或20分钟航时（久航速度下）

所有的飞行阶段按照5000英尺高度计算，温度为ISA+20℃（标准大气环境下，1500英尺高度对应温度为5℃，外加20℃，整体气温按25℃计算）。对于旋翼类飞行器，环境温度和空气密度对整机的性能影响非常大。如果选择海平面标准大气环境，对整机性能相对“友好”，但是需要考虑非海平面大气环境下的实际运营。

如果考虑飞行器的全天候运营，整机系统重量会增加一些，比如会增加旋翼防结冰装置。

 

 

方案设计

 

该飞行器设计为四轴旋翼布局。整机起飞重量1252lb(568Kg)，设计巡航速度70节(130km/h)。出于整机噪声考虑，旋翼翼尖速度不大于450ft/s(137m/s)。同时，旋翼桨盘载荷为12.2Kg/㎡。对应旋翼直径为3.8m，桨盘实度0.0646。

 

 

 

 

 

 

为保证飞行器有良好的配平能力，旋翼采用恒转速变总距控制（相较于变转速配平，变总距控制有更好的响应能力。变转速控制常见于微小型多旋翼飞行器）。进一步，为了降低整机前飞过程中的振动水平，提高操纵品质，旋翼设计有挥舞铰，尽管该设计会导致空机重量增加3%左右，并且会降低整机最大前飞速度。

 

 

整机重心相较于四个旋翼中心点靠前0.9英尺（0.3m）,这样做的目的是为了降低整机前飞功耗，提升操纵品质（一般来讲，四旋翼飞行器在前飞过程中，后方旋翼会产生更大的拉力，相应的功率也会更大。重心调节至靠前位置，会调节前后旋翼的拉力至相同水平，使其尽可能均工作在最佳效率点处）。出于同样的目的，后边两个旋翼相较于前边两个旋翼高0.7m左右。

 

下图定量给出了前后旋翼高度差对整机前飞功耗的影响。对于旋翼类飞行器而言，3%-5%功率优化意义重大。

 

 

 

 

 

为提高整机的安全性和适航性（Safety and Airworthiness），四个电机通过中间轴连接，遇到单电机失效（OEI）时，仍可以提供足够的控制能力。当所有电机失效（AEI）时，旋翼和驱动轴可以断开连接，然后快速调节旋翼总距，使其以自旋的形式继续工作，保证整机能够安全降落。这也是该方案采用较低桨盘载荷的原因之一：提高飞行器的自旋降落性能。

 

 

 

 

 

电池模型