端驱旋翼系列4：端驱旋翼技术在EVTOL应用可能性探讨
2024-12-06 03:21阅读：
端驱旋翼系列4：端驱旋翼技术在EVTOL应用可能性探讨
有容乃大展翅翱翔
引言：VTOL是飞机制造王冠上的宝石
作者此前文章曾强调：固定翼飞机和直升机都是人类技术史的伟大发明，两类飞机各自优势劣势互补。
集合直升机与固定翼飞机功能的高能效VTOL飞机的发明设计制造，可真正称为飞机制造王冠上的宝石。
从Youtube上某关于直升机发展历史的视频中，曾听到过近代直升机发明人西科斯基发出的一个论断，大意是：“直升机可能永远达不到固定翼飞机的平飞速度和能效；但直升机肯定能完成固定翼飞机永远不可能完成的特别空中飞行任务（指空中悬停，任意低速飞行及垂直起降等）。”
该论断确实点出了两类飞机即驱动旋翼直升飞机与固定翼飞机的关键特点和区别。
现代VTOL就是要填
补这
两类飞机之间的性能空缺：即在
平飞速度和能效上赶上固定翼飞机水平，并且
以相近能效水平实现驱动旋翼直升机拿手的
空中悬停和
垂直起降等飞行任务。
EVTOL则要
在填补这两类飞机之间的性能空缺的同时，满足
绿色环保无碳排放的要求。
但理想很丰满，现实很骨感。前不久由新闻报导得知，EVTOL创新企业的标杆之一德国Lilium公司于上月末因资金问题宣布破产。
作者以为，其教训是：资金链固然重要，产品技术性能特别是能效才是产品研发的根本。Lilium构型虽新颖，垂直起降，过渡和水平飞行都表现不俗，但旋盘载荷过高，按动量原理的旋盘载荷/悬停功率关系，导致悬停能效过低。而产品起步载客数及总重又偏高，最终难以通过商业运营关。Lilium的故事，算是为对主打产品能效提高着力不够的各家EVTOL开发商们敲了个警钟！
作为端驱旋翼直升机技术系列讨论文章，在明确电动端驱旋翼直升机相比传统轴驱动旋翼直升机的优势基础上，该项新技术能否登上EVTOL赛道，又有哪些后发优势及可能面临问题？本文想集中从两个能效角度讨论电动端驱旋翼直升机在EVTOL领域的发展应用的可能性及进一步发展面临的主要技术困难。供有兴趣读者参考。有不妥或错误处，欢迎批评指正。
更欢迎有兴趣读者以电子邮件方式来信讨论相关技术问题。
联系作者邮箱：tandg41@sina.com
一， 悬停升功比
表征EVTOL垂直起降模式能效高低
首先讨论EVTOL垂直起降模式能效提高问题，其表征数据就是整机的悬停升功比。
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定义及由来
已知旋翼直升机飞行功率随水平飞行速度变化规律是：悬停时驱动功率最大，随水平速度由零增加驱动功率随速度增加而减少，到某最低值后飞行功率又会随速度增加而增加，直到该机最大飞行速度对应的最大飞行功率。故悬停功率是驱动旋翼飞行器涉及动力最重要最关键且易于测量验证的技术数据。为了各种重量级别各种形式型号直升机和EVTOL飞行器之间垂直起降模式能效高低的比较，看平均每单位悬停功率可悬停的重量哪个更大，就用各自悬停功率去除各自总起飞重量得到而悬停升功比。该项数据就是各型各式直升机和EVTO飞行器表征其垂直起降模式能效高低的关键技术数据。
例如，根据网上资料：Lilium的该数据是约2kg/kW，典型单轴旋翼直升机的的该数据是4~7.2
kg/kW。
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决定悬停升功比的主要因素
大尺寸旋翼为较高悬停效率提供了基础：
动量原理悬停功率公式以及悬停升功比公式显示出，旋盘载荷大小决定了可达悬停功率下限。在给定占空尺寸下，半径大的旋翼旋盘面积肯定大于各种组合（多排直线，或圆周对称）小半径旋翼旋盘面积总和。但现有的EVTOL各类竞品，却纷纷采用各种组合的（多排直线，或圆周对称）多个小半径旋翼（Lilium的30个带函道小半径24翼片旋翼双排直线排列可称极端例子），恰恰与增加旋盘面积的要求背道，就是因为受轴驱旋翼技术电机功率和转速扭矩匹配等技术限制而不得已为之。
而
端驱技术，由于避免了大尺寸旋翼轴驱所需的大功率大减速比机械减速装置，为电机驱动大尺寸旋翼开辟了捷径。采用电机直驱螺旋桨端驱技术的大尺寸旋翼技术的电动直升机，凭借其更大旋盘面积导致更高的悬停升功比这个关键能效数据，由电动直升机领域直接进入EVTOL领域，已经比现有EVTOL赛道中的EH216，XPeng
2，Volocopter等各型无固定翼多旋翼机型，具有了后发优势。
需要注意，在同样旋翼尺寸下，总重的变化，和大气密度随海拔高度变化也会影响悬停升功比大小。悬停升功比数值与总重0.5次方反比，与大气密度0.5次方成正比。
旋翼参数优化不可或缺：
并非任意旋翼参数配置都能按所选旋盘面积及总载荷，实现动量原理悬停功率公式所给出的悬停功率下整机悬停。只有实际旋翼参数是在旋翼参数优化（翼片外形，翼型，迎角导致的升力系数
，平均翼片展弦比
，每旋翼翼片数等等）选择后，才有可能实际实现总有效悬停功率接近（不可能低于）该悬停功率最低极限值数值。其它各种非最优化的旋翼参数选择所得出最终整机实际有效悬停功率，则可能远大于公式给出的数值。
避免旋盘面积的上下重叠：
动量原理旋翼悬停功率计算是依据旋翼悬停时对空气流动量变化推出，当上下重叠旋翼旋转面的间距远小于旋盘半径时，上下旋翼气流叠加不再满足推导条件，最终旋盘载荷不能按上下旋盘面积之和计算。尽管目前不少多旋翼EVTOL产品采用上下重叠旋翼配置，由于缺乏实际数据，还不能提供具体数据分析结果。从最大有效旋盘面积和最大旋翼悬停升功比目标出发，建议端驱旋翼EVTOL在构型设计上追求最大旋盘面积时，避免采用旋盘面积上下重叠的构型。
二，整机升阻比
表征EVTOL巡航飞行模式能效高低
接着讨论EVTOL巡航飞行模式能效提高问题，其表征数据就是整机的升阻比。
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定义 及特点
飞行器巡航飞行态飞行能效高低，由整机升阻比表征。即匀速直线水平飞行时，整机总重力（等于总升力）与整机所受空气阻力比值。
整机升阻比一个无量纲单位的纯数字。由固定翼飞行理论表明：在驱动系统效率相同前提下，整机升组比数据的大小直接表征相同能耗下单位重量可平飞距离的大小。飞行器单位重量飞行单位距离的平均能耗（焦耳/牛顿米）
正好是无量纲的升阻比与驱动系统效率乘积的倒数。表示了飞行器升阻比与飞行器能效的直接定量关系。
有趣的是，总能耗或能效与飞行速度和经历时间长短无直接关系。如果不强调飞行时间，单从节能减排角度比较，飞行器升阻比与驱动效率乘积最大者最优秀。
由固定翼飞行理论确定的整机升阻比的另一个相关特点是，在飞行器外形尺寸不变的前提下，飞机总重的变动以至于大气密度改变，仅改变对应的巡航速度，升阻比并不随总重或大气密度改变。
需要指出，无固定翼的旋翼直升机在由悬停不动到其最大平飞速度间的平飞模式下，上述由固定翼飞行理论定义的升阻比的概念似乎不再存在，即便总重和大气密度都不变，同一机型的升阻比随平飞速度不同而改变。按上述定义的整机升阻比来描述比较其能效高低似乎无法被理论验证和用于标准实践。作者以为：EVTOL飞机能采用上述定义的整机升阻比来表征其巡航飞行能效的前题是：必须装上固定翼。
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增加固定翼是EVTOL提高平飞态整机升阻比的基础
归根结底，EVTOL要求整机在巡航飞行态的能效赶上固定翼飞机，使得平飞态整机升阻比达到15-20水平。这对于现有把多旋翼电动直升机直接充当EVTOL的各型产品而言，技术上无法实现。现有无固定翼的多旋翼电动直升机，只能凭借其无污染低噪音的优势，勉强充当EVTOL，在短距离低空运行中求生存。
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增加固定翼的方式
在原有旋翼系统外直接把固定翼装于机身（另加或不加装尾翼）
以色列Airevaero的AirOne以及美Skyfly的Axe在多旋翼驱动加上一对（2对）固定翼的实践经验，以及Jaunt
Air Mobility
的Vertiko所谓慢转旋翼技术，在单轴大旋翼机身加上一对固定翼的实践经验，都证明：对于纯旋翼直升机而言增加固定翼，是旋翼直升机提高平飞态飞行能效的最简单有效手段。
端驱旋翼不存在机身扭矩平衡问题，在合理构型的单轴旋翼或对称2，4轴旋翼的基础上，在原有占位空间范围内增加固定翼更为简便易行。其中单轴构型机身增加一对固定翼，另加尾翼；
对称并列2轴构型则旋翼支撑架变为一对固定翼，另加尾翼；
对称4轴构型则旋翼支撑架变为前后分布固定翼，无需尾翼；为端驱电动旋翼直升机进入EVTOL领域提供了方便。
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端驱旋翼EVTOL最大难题：大尺寸端驱旋翼在平飞态如何实现减阻增升
现有各型具有固定翼的EVTOL在平飞模式下，对维持垂直起降的轴驱旋翼系统基本上采用了两种处置：一是停止驱动旋翼，把旋翼翼片（通常是2翼片）固定在沿飞行方向，减少阻力。靠另一套电动螺旋桨水平驱动系统维持整机水平飞行。另一种是把旋翼转轴倾转约90度，把电机驱动旋翼（翼片数可为2-24）变为电机驱动螺旋桨，用以维持整机水平飞行。这些技术在相对中小尺寸轴驱旋翼系统应用似乎成绩斐然。
如上所述，端驱旋翼直升机的特点是：尽可能少轴数，大半径旋翼系统，获得更大的悬停升功比。大尺寸大展弦比的旋翼翼片再加上在旋翼各翼片端都带有电机直驱螺旋桨，上述两种处置方式都不适用。目前看来，采用加固定翼后让旋翼在水平飞行模式下慢转的旋翼技术是端驱旋翼直升机进入EVTOL赛道的最简便易行的方式。而面临的进一步发展端驱旋翼EVTOL技术的最大难题，就是大尺寸端驱旋翼在平飞态如何实现减阻增升。作者预计，该难题的解决，将使端驱旋翼EVTOL以至整个EVTOL技术上升到一个更高层面。
本篇总结 ：
端驱旋翼技术，由于避免了大尺寸旋翼轴驱所需的大功率大减速比机械减速装置，为电机驱动大尺寸旋翼开辟了捷径。其更大旋盘面积导致更高的悬停升功比这个关键能效数据，由电动直升机领域直接进入EVTOL领域，已经比现有EVTOL赛道中的各型无固定翼多旋翼机型，具有了后发优势。
纯旋翼直升机增加固定翼，是旋翼直升机提高平飞态飞行能效的最简单有效手段。端驱旋翼不存在机身扭矩平衡问题，在合理构型的单轴旋翼或对称2，4轴旋翼的基础上，在原有占位空间范围内增加固定翼更为简便易行。采用加固定翼后让旋翼在水平飞行模式下慢转的旋翼技术，是端驱旋翼直升机进入EVTOL赛道的最简便易行的方式。
进一步发展端驱旋翼EVTOL技术面临的最大难题，就是大尺寸端驱旋翼在平飞态如何实现减阻增升。该难题的解决，将使端驱旋翼EVTOL以至整个EVTOL技术上升到一个更高层面。
望中国在端驱EVTOL研发生产制造上，能走在世界前列。
（完）2024/12/6发表于新浪博客
