eVTOL飞行器构型

 

当前,全球发布的eVTOL方案已有上千种,从旋翼机翼构型上看,主流方案主要有多旋翼、复合翼、矢量推力等几种类型,其中矢量推力构型又可分为倾转旋翼、倾转机翼和倾转涵道等几种衍生构型。

 

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多旋翼构型

多旋翼构型一般是通过变转速机制,调整进入流量来实现飞行器姿态控制,如六旋翼、八旋翼。以紧凑的占地面积、垂直起降能力和精准悬停性能,适用于城市内短途运输、航拍、消防救援等场景。

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常见的多旋翼一般为共轴双桨模式,其优点在于通过反向配置上下旋翼,实现扭矩抵消,减轻控制律分配负担,但也有单轴单桨构型设计。共轴双桨模式以四轴八旋翼为例,其系统构成大致包括:

1) 垂直推力系统:主要由8套垂起电机、电调、REU、电机冷却系统和螺旋桨组成;

2) 高压电源系统:主要由4套高压电池、电池冷却系统和配套电路组成;

3) 低压电源系统:主要由2套低压电池、电池冷却系统及配套电路组成;

4) 飞行控制系统:主要由3套核心计算单元、飞管系统及配套的通讯链路组成。

 

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多旋翼构型代表产品主要有:中国亿航智能EH216-S、小鹏汇天旅航者X2、零重力飞机工业ZG-ONE,以及美国Wisk公司的AERO-POC、德国VOLOCOPTER公司的VoloCity等。

 

亿航智能 EH216-S 8轴16桨

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小鹏汇天 X2 4轴8桨
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零重力 ZG-ONE 6轴6桨
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VoloCity 4代 6轴18桨

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复合翼构型

 

复合翼构型复合翼构型集旋翼飞机与固定翼飞机的优势于一体,通过旋翼提供垂直起降所需推力,机翼则在平飞时提供升力与巡航效能,在城市间通勤、物流配送以及部分军事任务场景中展现出了显著优势。

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复合翼构型最大的特点是具有巡航飞行的固定翼结构,另外还配备两类旋翼,一类实现垂起功能,通常垂直配置在机翼或机翼附近,另一类辅助巡航飞行,通常放置于机尾。

复合翼构型代表作品主要有:峰飞航空盛世龙、御风未来M1、亿维特ET9、沃兰特VE25、齐飞航空WF-01,以及美国Wisk公司的Cora和BETA技术公司的ALIA-250等。
峰飞 盛世龙 垂起旋翼10个 水平推进翼1-3个
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御风未来 M1 垂起旋翼16个 水平推进翼4个

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沃兰特 VE25 垂起旋翼8个 水平推进翼2个

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亿维特 ET9 垂起旋翼8个 水平推进翼1个

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牧羽航空 AT1280H 垂起旋翼8个 水平推进翼1个图片

矢量推力-倾转旋翼构型

 

倾转旋翼构型是在机翼固定的情况下设置伺服机构,单独调整旋翼指向。在起降和悬停阶段,倾转系统将旋翼置于垂直位置,飞行器类似于多旋翼飞行;在巡航阶段,倾转系统将旋翼置于水平位置,飞行器相当于固定翼飞行;在过渡阶段,倾转系统将根据需要调节旋翼的角度。

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以四桨倾转旋翼+双桨垂直升力构型为例,其推力系统构成大致包括固定垂直旋翼系统和倾转旋翼系统。

垂直推力由2套固定垂直旋翼系统组成,每套固定旋翼系统均包括电机、电机冷却系统、电调、REU和螺旋桨。倾转旋翼系统由4套倾转旋翼组件组成,每套倾转旋翼组件包括电机、电机冷却系统、电调、REU、螺旋桨、倾转机构、倾转作动器、桨距调节作动器和桨距调节附件。

 

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倾转旋翼构型又分为半倾转旋翼构型和全倾转旋翼构型,其代表作品主要有:中国华羽先翔的鸿鹄MARK1、时的科技E20、沃飞长空AE200、中航工业通飞AG-EX,以及美国Joby公司的Joby-S4、Archer公司的Midnight、英国Vertical的VX4等
时的科技 E20 6旋翼 倾转旋翼4个(半倾转旋翼)
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沃飞长空 AE200 8旋翼 倾转旋翼4个(半倾转旋翼)

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中航工业通飞AG 8旋翼 倾转旋翼4个(半倾转旋翼)

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华羽先翔 鸿鹄MARK1 倾转旋翼6个(全倾转旋翼)

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零重力 ZG-T6 倾转旋翼6个(全倾转旋翼)图片

 

矢量推力-倾转机翼构型

 

倾转机翼构型的旋翼大致沿弦长方向固连在机翼上,其与固定翼加倾转旋翼构型的eVTOL相似,前者通过倾转机翼来改变推力矢量,后者通过倾转旋翼来改变推力矢量。以六桨倾转机翼构型为例,其推力系统主要由倾转机翼系统和平衡尾桨组成。

倾转机翼系统由6套推力螺旋桨组件和左右2套倾转机构组成。推力螺旋桨组件由电机、电调、REU、螺旋桨、桨距调节作动器和桨距调节附件组成。倾转机构由REU、双倾转作动器和机械附件组成。平衡尾桨由安装在飞行器尾部的2套螺旋桨组成,尾桨提供负推力来平衡起降时候的前倾力矩。尾桨主要由电机、电机冷却系统、电调、REU和螺旋桨组成。

 

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代表作品主要有:空客VAHANA、Dufour(瑞士) AERO2、Transcend Air(美国) Vy-421等
空客 VAHANA

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Dufour AERO2

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空客 VAHANA

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矢量推力-倾转涵道构型

 

倾转涵道构型相比倾转旋翼构型,最大变化则是在旋翼外侧安装了涵道,利用涵道风扇提供推力和方向变化,消除了开放式螺旋桨的安全隐患。当前,全球发布的eVTOL设计中采用涵道的方案不少,但是能够进入到原型机阶段、真正完成全过程试飞、通过运营考验还有很长的路要走。主要是涵道也有不少严重的缺陷,比如:结构重量大幅度增加。涵道必须要有足够的强度和刚度,尤其是刚度,否则一旦涵道向内变形损坏,即使一个涵道里面有2个电机螺旋桨,其裕度安全也将归零。悬臂梁形式的涵道相比悬臂梁形式螺旋桨的支撑结构,重量经常会增加200%-400%甚至更高,对于重量控制非常严格的飞行器来讲,代价非常大。

制造精度要求更高。转子与涵道壁之间的距离要求非常小(一般是转子半径的1%),而且要保持形状,不能因为振动和小的撞击变形导致转子卡死;另一个就是转子和定子之间若匹配不好,会产生新的噪声和振动,对于这块的设计和制造要求都远比开放式螺旋桨高一个量级。此外还有阻力增加,设计点的选取复杂等问题。

涵道构型代表作品主要有:AeroMech(美国)  AM20、Doroni(以色列)H1-X 、Horizon Cavorite(加拿大) X7、Lilium Jet(意大利)等
AeroMech AM20(研发中,非倾转涵道)

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Doroni H1-X(研发中,非倾转涵道)

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Horizon Cavorite-X7(研发中,非倾转涵道)

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Lilium Jet(研发中,非倾转涵道)

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NODE AIR(研发中,倾转涵道)图片

Pentaxi(研发中,倾转涵道)

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XTI TriFan600(研发中,倾转涵道)

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来源:大连墨帆科技有限公司

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作者 ab, 808