電動垂直起降飛行器氣動布局分析（七）

復(fù)合電動垂直起降飛行器飛翼氣動布局分析

定義

復(fù)合電動垂直起降（eVTOL）飛行器飛翼氣動布局的定義是復(fù)合電動垂直起降的飛翼加裝了多個由電動機驅(qū)動的升力旋翼系統(tǒng)，機體安裝了適合人員乘坐的座艙、座椅和相關(guān)設(shè)備。

優(yōu)點

飛翼氣動布局沒有傳統(tǒng)常規(guī)氣動布局的桶狀機身，而是采用翼身融合（BWB）設(shè)計方案，機身與機翼的分界面難以分辨，整個機體如同一個巨大的機翼。所有機載設(shè)備完全置于翼身融合的機體內(nèi)部。因此，技術(shù)人員可根據(jù)氣動性能的最優(yōu)條件設(shè)計飛翼氣動布局復(fù)合電動垂直起降飛行器的外形，整個機體被設(shè)計為一個升力面，沒有平尾、垂尾等外形突起部件，從而有效降低了浸潤面積，有助于減小阻力，提高升阻比。與傳統(tǒng)常規(guī)氣動布局相比，飛翼氣動布局的氣動效率和隱身性能具有無可比擬的優(yōu)勢。飛翼氣動布局能滿足超長航時、超高空飛行，低可探測性等苛刻指標(biāo)的要求。

缺點

該布局的操縱性較差，偏轉(zhuǎn)或縱向擺動難以得到及時糾正。

設(shè)計要求

為復(fù)合電動垂直起降飛行器設(shè)計飛翼氣動布局時，技術(shù)人員首先要解決復(fù)雜的設(shè)計匹配問題，既要考慮如何實現(xiàn)機翼匹配問題，讓整個機體在飛行中滿足縱向穩(wěn)定性的要求，又要滿足飛行器圍繞縱軸從垂直起飛姿態(tài)向水平飛行姿態(tài)轉(zhuǎn)換的基本要求。為了充分利用飛翼氣動布局的優(yōu)勢，技術(shù)人員需要對翼型進(jìn)行高效設(shè)計，包括機體的內(nèi)翼區(qū)、中間區(qū)和翼尖區(qū)翼型優(yōu)化設(shè)計。

1.翼型設(shè)計要求

采用飛翼氣動布局的電動垂直起降飛行器機體各區(qū)域的翼型設(shè)計要求不盡相同。其中，機體內(nèi)翼區(qū)的翼型需要抬頭力矩，以幫助機體實現(xiàn)縱向力矩配平以及良好的隱身特性；機體中間區(qū)的翼型應(yīng)具有良好的巡航升阻特性、阻力發(fā)散特性和一定的抬頭力矩，以配合飛行控制實現(xiàn)縱向力矩配平；機體翼尖區(qū)的翼型則要滿足氣動減阻和隱身特性的設(shè)計要求。

由于抬頭力矩約束和隱身設(shè)計要求，飛翼氣動布局機體各區(qū)域的翼型均呈現(xiàn)了明顯的前緣正加載和后緣反加載的外形特征。這兩種加載特征的合理配置可以在保持縱向力矩配平的同時，實現(xiàn)了飛翼氣動布局的空氣動力和隱身特性之間的共贏。

飛翼氣動布局機體各區(qū)域的翼型設(shè)計綜合了氣動、隱身、控制等多學(xué)科技術(shù)，特別是飛翼布局對機體重心位置的要求較其他類型氣動布局更嚴(yán)格，而且所有設(shè)計很難同時完全滿足要求，優(yōu)化設(shè)計面臨巨大的挑戰(zhàn)。因此，常用的經(jīng)典常規(guī)翼型設(shè)計方法在飛翼氣動布局上的應(yīng)用效果并不理想，采用飛翼氣動布局的飛行器方案比較少。

飛翼氣動布局復(fù)合電動垂直起降飛行器案例

意大利阿古斯塔-韋斯特蘭公司（Agusta Westland）是世界著名的直升機研制廠商，總部位于意大利，在目前世界直升機領(lǐng)域具有較強實力的公司之一。阿古斯塔-韋斯特蘭公司研制的“零點項目”（Project Zero）復(fù)合電動垂直起降飛行器采用飛翼氣動布局傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇構(gòu)型方案。作為復(fù)合電動垂直起降飛行器和高速巡航飛行技術(shù)的驗證機，2011年6月，該機首次進(jìn)行系留飛行試驗；2013年6月，在巴黎航展上正式亮相。

1.設(shè)計特點

“零點項目”飛翼氣動布局復(fù)合電動垂直起降飛行器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了在機翼中央安置涵道風(fēng)扇面，該公司對“零點項目”的特殊機翼外形進(jìn)行了詳細(xì)氣動設(shè)計，使得飛行器在平飛時氣動性能依然優(yōu)良。涵道風(fēng)扇的后方依然設(shè)置了升降副翼，以提高控制能力，機體后部有一個很小的V形尾翼，機翼翼尖增加了一對翼梢小翼，以確保飛行器在平飛時的穩(wěn)定可控。

在前飛和巡航時，機翼提供大部分升力，融合在機身中的機翼即內(nèi)機翼、涵道風(fēng)扇周圍的護(hù)罩也提供部分升力，機翼副翼提供俯仰和滾轉(zhuǎn)控制，而翼梢小翼提供橫向穩(wěn)定，短V形尾翼提供方向穩(wěn)定。

“零點項目”復(fù)合電動垂直起降飛行器的機翼分為內(nèi)機翼和外機翼兩部分。其中，外機翼可拆卸，當(dāng)該機執(zhí)行短程飛行任務(wù)時，機組人員將外機翼拆御下來，而內(nèi)機翼固定不動，該飛行器變成一架橫列式傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型直升機，以提高懸停升力效率?！傲泓c項目”類似于美國V-22傾轉(zhuǎn)旋翼直升機，在起降和懸停時，安裝在機身內(nèi)的兩個涵道風(fēng)扇向上傾轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)平面與地面平行，產(chǎn)生向上的升力；隨著飛行器進(jìn)入平飛狀態(tài)，安裝在機身內(nèi)的兩個涵道風(fēng)扇又逐步向下傾轉(zhuǎn)，直至旋轉(zhuǎn)平面與地面垂直，產(chǎn)生向前的拉力，詳見圖2。內(nèi)機翼為前飛和巡航提供升力。

復(fù)合電動垂直飛行器鴨翼氣動布局分析

定義

復(fù)合電動垂直起降飛行器鴨翼氣動布局的定義是，鴨翼氣動布局的固定翼加裝了多個由電動機驅(qū)動的升力旋翼系統(tǒng)，機體安裝了適合人員乘坐的座艙、座椅和相關(guān)設(shè)備。

美國萊特兄弟發(fā)明的世界上第一架飛機采用了鴨翼氣動布局，控制縱向爬升和下降的小翼在前，而提供升力的主翼在后，小前翼和主翼的位置與常規(guī)氣動布局正好相反。

位于機身前方、可以活動的小機翼稱為鴨翼，用來控制飛行器的飛行姿態(tài)及提高飛行器的機動性。

優(yōu)點

1.鴨氣動布局因有前翼而不易失速，有利于保證飛行安全。

2.在同等條件下，鴨翼氣動布局飛行器較常規(guī)氣動布局飛行器具有更好的機動性。相比于常規(guī)氣動布局的機翼，鴨式氣動布局的前翼和主翼上都會產(chǎn)生強大的渦流，兩股渦流之間的相互偶合和增強產(chǎn)生了更大的升力。

3.鴨翼差動配以方向舵操縱可實現(xiàn)直接側(cè)力控制，鴨翼加機翼后緣襟翼操縱可實現(xiàn)直接升力控制和阻力調(diào)節(jié)。

4.鴨翼氣動布局的低空操縱性較好，有利于突風(fēng)緩和系統(tǒng)的應(yīng)用。

缺點

1.如果鴨翼受損，飛行器缺少鴨翼提供的升力，機動性變差，容易發(fā)生失速、墜毀。

2.飛行器使用鴨翼，其縱向穩(wěn)定性差，在大迎角時，誘導(dǎo)阻力較大，鴨翼氣動布局失速早于常規(guī)氣動布局。

3.鴨翼氣動布局的空氣動力設(shè)計非常復(fù)雜，對飛控軟件、電傳操縱系統(tǒng)、航電系統(tǒng)等設(shè)計提出了極高要求。

復(fù)合電動垂直飛行器串列翼氣動布局分析

定義

復(fù)合電動垂直起降飛行器串列翼氣動布局的定義是，串列翼氣動布局的固定翼加裝了多個由電動機驅(qū)動的升力旋翼系統(tǒng)，機體安裝了適合人員乘坐的座艙、座椅和相關(guān)設(shè)備。

設(shè)計特點

串列翼氣動布局有一前一后兩個機翼，這兩個機翼串列在一起。對于布置方式，兩個機翼略微錯開，通常前機翼下置，后機翼上置。串列翼采用這種布置方式，前翼的下洗氣流不至于對后翼造成不利影響。如果機翼布置方式設(shè)計得當(dāng)，即前機翼上置，而后機翼下置，那么前機翼的下洗氣流可加快后機翼上表面氣流的運動，使后機翼升力增大。

與上下平行安裝的雙機翼相比，串列翼的兩個機翼大小、形狀都可以靈活改變，前后機翼之間的距離既可以增大，以減小前后兩個機翼之間的不利氣動干擾，也可以縮小，前翼尾流能使后翼產(chǎn)生增升效應(yīng)。

串列翼氣動布局與鴨翼氣動布局的區(qū)別

串列翼氣動布局與鴨翼氣動布局之間的最大差別是，串列翼的機翼平面面積比鴨翼的平面面積大，而且這兩種布局的機翼用途完全不一樣。串列翼的前翼主要產(chǎn)生升力，鴨翼的前翼主要產(chǎn)生配平和俯仰控制力矩。有人把安裝在機頭位置、不可活動的一段機翼也歸類于鴨翼，這種分類方法不太合適，不可活動的小前翼只是一種假鴨翼，因為它不能發(fā)揮真正鴨翼的作用，而是如邊條翼一樣，只能拉出渦流，不能控制飛行姿態(tài)，飛行姿態(tài)控制還得靠主翼后部的襟翼活動。

飛行器的重心位置在很大程度上決定了飛行平衡性、穩(wěn)定性和操縱性等要素，在飛行過程中，重心和升力中心之間的相對位置必須得到正確控制。當(dāng)前飛時，串列翼氣動布局飛行器前后兩個機翼產(chǎn)生的升力就像人抬轎子的用力，重心居于前后兩個機翼之間，機翼很容易產(chǎn)生升力的同時，維持了飛行器平衡，避免配平阻力。

串列翼氣動布局與常規(guī)氣動布局的區(qū)別

相比之下，常規(guī)氣動布局單翼機對整機重心位置控制的要求更加嚴(yán)格。串列翼氣動布局復(fù)合電動垂直起降飛行器的機身設(shè)計和升力旋翼系統(tǒng)布置具有最大的自由度，設(shè)計師可以根據(jù)思路布置重心的位置，以控制前后兩個機翼之間的升力分布，定義穩(wěn)定性特征，以及為飛行器配裝多臺電推進(jìn)裝置，以實現(xiàn)分布式電推進(jìn)（DEP）飛行冗余、主動控制和噪聲降低。

綜觀航空器發(fā)展歷程，采用串列翼氣動布局的航空器數(shù)量比采用常規(guī)氣動布局的航空器數(shù)量少很多，廠家已研究和制造的串列翼氣動布局航空器大多數(shù)是驗證機。雖然串列翼氣動布局的穩(wěn)定性和操縱性等指標(biāo)所顯示出的空氣動力學(xué)特性尚未得到充分研究，但串列翼是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ臍鈩硬季帧?/p>

復(fù)合電動垂直起降飛行器串列翼氣動布局案例

1.百合花公司串列翼氣動布局復(fù)合電動垂直起降飛行器

德國百合花公司（Lilium）由畢業(yè)于慕尼黑工業(yè)大學(xué)的丹尼爾？威甘德（Daniel Wiegand）和他的三位同學(xué)在2015年創(chuàng)立，總部設(shè)在德國慕尼黑市。該公司研制的復(fù)合電動垂直起降飛行器最早是丹尼爾？威甘德在2013年11月提出的概念方案。2017年，該方案正式立項并啟動研制。2019年10月，百合花公司完成5座驗證機的第一階段試驗，并開始研制7座機型。按計劃，該公司將于2025年在全球多個地區(qū)開展客運業(yè)務(wù)。

（1）設(shè)計特點

德國百合花公司研制的復(fù)合電動垂直起降飛行器是一種串列翼氣動布局傾轉(zhuǎn)電動涵道噴氣發(fā)動機構(gòu)型，與其他廠商目前研制的電動垂直起降飛行器有很大區(qū)別。百合花公司復(fù)合電動垂直起降飛行器有一對平行串聯(lián)的固定機翼，前機翼的前緣和后緣各有2個襟翼，共計4個襟翼；后機翼的前緣和后緣各有4個襟翼，共計8個襟翼，固定機翼上的每個襟翼都可以獨立地傾轉(zhuǎn)并安裝3臺電動涵道噴氣發(fā)動機，前后兩個固定機翼共安裝36臺電動涵道噴氣發(fā)動機，功率為320kW的充電電池為電動涵道發(fā)動機供電。在飛行器垂直起飛時，電動涵道噴氣發(fā)動機尾噴口向下傾轉(zhuǎn)，機翼產(chǎn)生向上的升力；在平飛時，電動涵道噴氣發(fā)動機尾噴口向上傾轉(zhuǎn)直至尾噴口朝向后方，機翼產(chǎn)生向前的推力；在前飛時，由電動涵道噴氣發(fā)動機尾流引起的機翼上表面空氣流動，可以確保在飛行姿態(tài)轉(zhuǎn)換過程中氣流始終附著在機翼表面，這不僅可以減少低速飛行時的能量需求，而且可以提高飛行控制能力。

德國百合花公司5座串列翼氣動布局復(fù)合電動垂直起降飛行器驗證機采用輪式起降架和分布式電推進(jìn)系統(tǒng)，動力冗余提高了飛行安全性。該機沒有垂直尾翼，差動推力提供航向穩(wěn)定和控制，也沒有方向舵、變速箱等機械部件，全機運動部件只有36臺傾轉(zhuǎn)電動涵道噴氣發(fā)動機，因此安全冗余度較高，如果36臺噴氣發(fā)動機中的一臺發(fā)動機出現(xiàn)故障，其余發(fā)動機依然可以保證飛行器安全降落。該機沒有空氣螺旋槳，在飛行時，它的噪聲水平比安裝螺旋槳的電動垂直起降飛行器低很多。

（2）技術(shù)數(shù)據(jù)

該機可搭載5位乘員，最大起飛重量1.5t，巡航速度300km/h，最大航程300km，最大續(xù)航時間1h。

2.空客公司串列翼氣動布局復(fù)合電動垂直起降飛行器

空客公司A3創(chuàng)新中心位于美國硅谷，開發(fā)研制了“瓦哈那”（Vahana）復(fù)合電動垂直起降飛行器驗證機，旨在驗證電推進(jìn)技術(shù)、自主感知與避障技術(shù)，為空客公司開發(fā)更多的城市空中交通研究與發(fā)展項目打基礎(chǔ)。該機采用了串列翼氣動布局傾轉(zhuǎn)機翼構(gòu)型方案，前后兩個機翼分別安裝了4副傾轉(zhuǎn)旋翼，共8副傾轉(zhuǎn)旋翼，如圖5所示。

2018年1月31日，“瓦哈那”全尺寸驗證機在美國俄勒岡州彭德爾頓無人機試驗場成功完成首次懸停試驗，升空飛行5m后安全降落，首飛持續(xù)了53s。在整個首飛過程中，該機采用全自動駕駛模式，未搭載乘客。次日，“瓦哈那”驗證機進(jìn)行第二次試飛，后續(xù)又開展了飛行姿態(tài)轉(zhuǎn)換、前飛等試驗。在為期三個月的試驗中，該驗證機完成了一個完整的試飛任務(wù)，即先垂直起飛，再過渡到前飛姿態(tài)，自主探測并規(guī)避一個空中目標(biāo)，然后過渡到垂直降落，自主探測并規(guī)避一個地面障礙物，最終在地面安全降落。多次自主飛行試驗結(jié)果表明，傾轉(zhuǎn)旋翼在前后兩個串列機翼上的安裝位置具有較高的自由度，重心布置區(qū)域?qū)掗煟@有助于解決機上乘員、機載設(shè)備位置與飛行穩(wěn)定性之間的沖突。

3.地平線飛機公司串列翼氣動布局復(fù)合電動垂直起降飛行器

加拿大地平線飛機公司（Horizon Aircraft）由航空工程師出身的父子兩人創(chuàng)立，總部位于加拿大安大略省多倫多市。該公司提出了一個非常獨特的設(shè)計方案，名為“鈣石” X5（Cavorite X5）復(fù)合電動垂直起降飛行器，這是一種串列翼氣動布局固定涵道風(fēng)扇構(gòu)型方案。

（1）設(shè)計特點

“鈣石” X5串列翼氣動布局復(fù)合電動垂直起降飛行器機身尾部安裝了1個推進(jìn)螺旋槳，共16臺涵道風(fēng)扇嵌入在前后兩個串列翼中。其中，6臺分別嵌入在后機翼左右兩個機翼段中，2臺分別嵌入在前機翼左右兩個機翼段中。每個機翼上下表面均安裝了可移動的整體活動蓋板，蓋板由前后兩個單蓋板組成，可以覆蓋所有涵道風(fēng)扇，以確保機翼具有完整的翼型形狀。在“鈣石” X5垂直起降和懸停時，覆蓋在涵道風(fēng)扇上的前后兩個單蓋板分別向前和向后滑動，離開涵道風(fēng)扇所在的空間位置，然后涵道風(fēng)扇完全暴露出來，開始正常旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生向上的升力，支撐飛行器垂直起降、空中懸停。當(dāng)“鈣石” X5前飛和巡航時，涵道風(fēng)扇全部停止旋轉(zhuǎn)，前后兩個單蓋板均向機翼中心線滑動，最后完全閉合，覆蓋涵道風(fēng)扇，并形成完整的固定翼外形和翼型剖面形狀，以確保機翼在推進(jìn)螺旋槳推動下為前飛提供足夠的升力。

該機采用油電混合動力推進(jìn)系統(tǒng)，涵道風(fēng)扇由電動機驅(qū)動，燃油航空發(fā)動機驅(qū)動推力螺旋槳工作，并在飛行中為電池陣列充電，同時提供額外的系統(tǒng)冗余。

（2）技術(shù)數(shù)據(jù)

該機可搭載一名飛行員和4名乘客，翼展15.3m，機長11.6m，機高2.8m，最大飛行速度445km/h，最大航程500km。

復(fù)合電動垂直飛行器三翼面氣動布局分析

定義

復(fù)合電動垂直起降飛行器三翼面氣動布局的定義是，三翼面氣動布局的固定翼加裝了多個由電動機驅(qū)動的升力旋翼系統(tǒng)，機體安裝了適合人員乘坐的座艙、座椅和相關(guān)設(shè)備。

優(yōu)點

常規(guī)氣動布局加裝一副前置翼后成為三翼面氣動布局。三翼面布局具有前翼、機翼和平尾，融合了常規(guī)氣動布局和鴨翼氣動布局的諸多優(yōu)點。與鴨翼氣動布局不同的是，三翼面氣動布局主翼前方的前置翼是固定的，只能產(chǎn)生渦流，不能稱為鴨翼。

三翼面氣動布局的優(yōu)勢在于，操縱效率高，配平阻力小，迎角特性佳。其失速特性、氣動效率、起降性能、操縱穩(wěn)定性、可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)均比常規(guī)氣動布局優(yōu)異，能夠改善飛行器巡航性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計。

一是三翼面氣動布局總升力特性比常規(guī)氣動布局好，能提供更大的升力。由于該氣動布局增加了一對前置翼，可保證在大迎角時有足夠的低頭恢復(fù)力矩，從而改善大迎角特性，提高最大升力，并且尾翼與機翼之間的垂直距離變化對升力不產(chǎn)生影響。

二是三翼面氣動布局能更有效地實現(xiàn)直接力控制，增加了一個前置翼操縱自由度。前置翼與位于機翼前緣后緣的襟翼及水平尾翼結(jié)合在一起，可對縱軸和橫軸方向的直接力進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)航線精確控制。

三是在巡航階段，三翼面氣動布局的阻力大于常規(guī)氣動布局的阻力。巡航阻力隨著前置翼迎角的增加、尾翼迎角的減小、前置翼與機翼之間的距離增加以及尾翼與機翼之間垂直距離的減小而增大。

四是三翼面氣動布局能夠增大飛行器靜不穩(wěn)定度，充分發(fā)揮主動控制技術(shù)的潛力。

五是在大升力情況下，三翼面氣動布局比常規(guī)氣動布局具有更好的阻力特性，而且尾翼與機翼之間的垂直距離變化對大升力、阻力不產(chǎn)生影響。

六是三翼面氣動布局具有更強的抗失速、抗尾旋能力。當(dāng)飛行器遇到強擾動氣流如陣風(fēng)時，特別是遇到風(fēng)切變時，3個翼面均能產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)阻尼，使氣流擾動迅速衰減。在低空湍流中飛行時，前置翼能發(fā)揮縱向振蕩和抖振阻尼器的作用，提高飛行安全性和穩(wěn)定性。

七是三翼面氣動布局可減輕機翼上的載荷，使載荷分配更合理。

八是在相同外形尺寸下，由于三翼面氣動布局的前翼提供了有效的輔助平衡力矩，因此機長可以減小，升力增大，機翼總面積減小，最大起飛重量可增加50%。

缺點

三翼面氣動布局在高速飛行和小迎角時的阻力比常規(guī)布局大，穩(wěn)定性變化幅度較大。

一是控制復(fù)雜，配平難度大。在小迎角下，前翼產(chǎn)生的渦流可增加機翼升力。但是當(dāng)迎角增大到一定數(shù)值后，前翼產(chǎn)生的渦流會發(fā)生破裂，導(dǎo)致非線性氣動力陡升，引起穩(wěn)定性和操縱性變差。

二是增加的前翼會導(dǎo)致空機重量增加。