cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2023-26-4-93-111caht-2225Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGМатематическая модель для расчета летно-технических характеристик электрических винтокрылых летательных аппаратов для целей городской аэромобильностиA simulation model for the electrical rotary-wing aircraft (eVTOL) performance estimation for the urban air mobility purposesМясниковМ. И.MyasnikovM. I.

Мясников Максим Игоревич, кандидат физико-математических наук, руководитель управления научно-технических проектов, программ и взаимодействия с научными организациями

Томилино

Maxim I. Myasnikov, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Scientific and Engineering Projects, Programs and Interaction with Scientific Institutions Manager

Tomilino

m.myasnikov@nhc.aeroИльинИ. Р.IlyinI. R.

Ильин Игорь Римович, главный специалист отдела координации и комплексного анализа НИР и НТЗ

Томилино

Igor R. Ilyin, Senior Specialist, the Division of the Coordination and Integration Research and Technological Groundwork Analysis

Tomilino

irilyin@mi-helicopter.ruНациональный центр вертолетостроения имени М.Л. Миля и Н.И. КамоваРоссияJSC “Mil and Kamov National Center of Helicopter Engineering”Russian Federation20232808202326493111Copyright © Мясников М.И., Ильин И.Р., 20232023Мясников М.И., Ильин И.Р.Myasnikov M.I., Ilyin I.R.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/2225

В настоящей работе приводится описание математической модели, разработанной для расчета летнотехнических характеристик (ЛТХ) наиболее популярных в настоящее время аэродинамических схем винтокрылых летательных аппаратов (ВКЛА) с электрической (гибридной) силовой установкой для целей городской аэромобильности. Основное внимание в работе уделено рассмотрению аэродинамических схем ВКЛА типа «квадрокоптер» с использованием воздушных винтов открытого типа или винтов в кольце, приводимых во вращение от электродвигателей. Проведен анализ ЛТХ для аэродинамических схем квадрокоптера и конвертопланов-квадрокоптеров с поворотными винтами и поворотным крылом с полностью электрической (ЭСУ) или гибридной (ГСУ) силовой установкой. Для сравнения ЛТХ приводятся результаты расчетов для классического одновинтового вертолета с ЭСУ и ГСУ. На основе численного решения уравнения существования летательного аппарата получены возможные распределения масс элементов конструкции для различных схем электрических (гибридных) ВКЛА. Рассчитаны летно-технические характеристики ВКЛА, включая расчет располагаемой и потребной мощности для диапазона скоростей полета от висения до максимальной скорости и для переходных режимов (для конвертопланов-квадрокоптеров). Рассчитаны дальность и продолжительность полета ВКЛА с полностью электрической и гибридной силовой установкой на режиме горизонтального полета. Выбраны удельные массовые характеристики элементов (аккумуляторов, генераторов, электродвигателей и др.) полностью электрической и гибридной силовой установки для обеспечения приемлемых летнотехнических характеристик ВКЛА. Проведена сравнительная оценка рассматриваемых схем ВКЛА с целью анализа их эффективности. Аэродинамические расчеты производились на основе использования известных аналитических методов импульсной теории несущего винта с возможностью корректировки данных по результатам экспериментов. Полученная в настоящей работе математическая модель может рассматриваться как первое приближение на этапе предварительного выбора конструктивных параметров и аэродинамических схем перспективных электрических (гибридных) ВКЛА, проектируемых для использования в качестве городского аэротакси. 

The present paper presents a simulation model description developed for the aircraft performance estimation of the most popular electric vertical takeoff and landing aircraft (eVTOL) aerodynamic configurations with the electric (hybrid) power plant for the urban air mobility purposes. It focuses on the quadcopter-type eVTOL aircraft aerodynamic configurations using the unshrouded-propellers or ducted fans driven by electric motors. The aircraft performance analysis for aerodynamic configurations of the quadcopter and tilt rotor-quadcopters with the tilt rotors and wing with the all-electric (EP) or hybrid power plant (HP) is given. To compare aircraft performance, the estimation results for a conventional single-rotor helicopter with EP or HP are given. Based on the numerical solution equation of the aircraft existence, feasible structural components mass distributions for various types of eVTOL configurations were obtained. eVTOL aircraft performance, including the estimation of apparent and drag power for the airspeed range, from hovering to the maximum airspeed, as well as for the transition modes (tilt rotor aircraft and quadcopters) were estimated. The eVTOL aircraft flight range and duration with EP and HP at the straight and level flight mode were calculated. Specific mass characteristics of EP and HP components (batteries, generators, electric motors, etc.) to ensure acceptable eVTOL aircraft performance were identified. A comparative evaluation of considered eVTOL configurations for the purpose of their efficiency was performed. Aerodynamic calculations were carried out based on the known analytical techniques of the lifting propeller momentum theory with the data correction capability according to test results. The simulation model, obtained in this paper, can be considered in the phase of the preliminary choice as the first approach of structural parameters and aerodynamic configurations of prospective electric (hybrid) eVTOLs designed for the use as an urban air taxi.

ВКЛАквадрокоптерлетно-технические характеристикиэлектрическая силовая установкагибридная силовая установкаeVTOLquadcopteraircraft performanceelectric power planthybrid power plantReferencesЕсаулов С.Ю., Мясников М.И., Ильин И.Р. Обзор методов расчета летнотехнических характеристик электрических летательных аппаратов вертикального взлета и посадки // Полет. Общероссийский научнотехнический журнал. 2022. № 5. C. 33–39.Esaulov, S.Yu., Myasnikov, M.I., Ilyin, I.R. (2022). Design methodology review of electric vertical take-off and landing aircraft performance. All-Russian Scientific-Technical Journal "Polyot" ("Flight"), no. 5, pp. 33–39. (in Russian)Miasnikov M.I., Esaulov S.Yu., Ilyin I.R. VTOL aerodynamic configurations analysis for urban air mobility [Электронный ресурс] // Proceedings of the 76th Annual Forum & Technology Display, 5–8 October 2020. 18 p. DOI: 10.4050/F-0076-2020-16448 (дата обращения: 11.10.2022).Miasnikov, M.I., Esaulov, S.Yu., Ilyin, I.R. (2020). VTOL aerodynamic configurations analysis for urban air mobility. In: Proceedings of the 76th Annual Forum & Technology Display, 5–8 October, 18 p. DOI: 10.4050/F0076-2020-16448 (accessed: 11.10.2022).Han D., Barakos G.N. Comparison of design features of quadrotor aircraft and helicopters from the point of view of flight performance [Электронный ресурс] // Proceedings of the 47th European Rotorcraft Forum, 7–9 September 2021. URL: https://eprints.gla.ac.uk/251107/1/251107.pdf (дата обращения: 11.10.2022).Han, D., Barakos, G.N. (2021). Comparison of design features of quadrotor aircraft and helicopters from the point of view of flight performance. In: Proceedings of the 47th European Rotorcraft Forum, September 7–9. Available at: https://eprints.gla.ac.uk/251107/1/251107.pdf (accessed: 11.10.2022).Snyder C.A. More / All electric vertical take-off and landing (VTOL) vehicle sensitivities to propulsion and power performance [Электронный ресурс] // Proceedings of the 76th Annual Forum & Technology Display, 5–8 October 2020. 13 p. DOI: 10.4050/F-00762020-16447 (дата обращения: 11.10.2022).Snyder, C.A. (2020). More / All electric vertical take-off and landing (VTOL) vehicle sensitivities to propulsion and power performance. In: Proceedings of the 76th Annual Forum & Technology Display, October 5–8, 13 p. DOI: 10.4050/F-0076-2020-16447 (accessed: 11.10.2022).Sridharan A., Govindarajan B. Evaluation of sizing strategies for eVTOL UAV configurations [Электронный ресурс] // Proceedings of the 76th Annual Forum & Technology Display, 5–8 October 2020. 22 p. DOI: 10.4050/F-0076-2020-16455 (дата обращения: 11.10.2022).Sridharan, A., Govindarajan, B. (2020). Evaluation of sizing strategies for eVTOL UAV configurations. In: Proceedings of the 76th Annual Forum & Technology Display, October 5–8, 22 p. DOI: 10.4050/F-0076-202016455 (accessed: 11.10.2022).Beals N., Govindarajan B., Singh R. Conceptual design of UAS configurations with dissimilar rotors [Электронный ресурс] // Proceedings of the 76th Annual Forum & Technology Display, 5–8 October 2020. 11 p. DOI: 10.4050/F-0076-2020-16457 (дата обращения: 11.10.2022).Beals, N., Govindarajan, B., Singh, R. (2020). Conceptual design of UAS configurations with dissimilar rotors. In: Proceedings of the 76th Annual Forum & Technology Display, October 5–8, 11 p. DOI: 10.4050/F-0076-202016457 (accessed: 11.10.2022).Stevens J., Rademaker E., Scullion C. и др. Design evaluation and performance assessment of rotorcraft technology by 2050 [Электронный ресурс] // Proceedings of the 45th European Rotorcraft Forum, Warsaw, Poland, 17–20 September 2019. URL: https://dspace.lib.cranfield.ac.uk/handle/1826/15087 (дата обращения: 11.10.2022).Stevens, J., Rademaker, E., Scullion, C. et al. (2019). Design evaluation and performance assessment of rotorcraft technology by 2050. In: Proceedings of the 45th European Rotorcraft Forum, Warsaw, Poland, September 17–20. Available at: https://dspace.lib.cranfield.ac.uk/handle/1826/15087 (accessed: 11.10.2022).Buchwald M. Implementation of a flight simulation tool into a rotorcraft design environment / M. Buchwald, P. Weiand, D. Schwinn, F. Wolters [Электронный ресурс] // Proceedings of the 45th European Rotorcraft Forum, Warsaw, Poland, 17–20 September 2019. URL: https://hdl.handle.net/20.500.11881/4105 (дата обращения: 11.10.2022).Buchwald, M., Weiand, P., Schwinn, D., Wolters, F. (2019). Implementation of a flight simulation tool into a rotorcraft design environment. In: Proceedings of the 45th European Rotorcraft Forum, Warsaw, Poland, September 17– 20. Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11881/4105 (accessed: 11.10.2022).Lee D., Kang S., Yee K. A comparison study of rotorcraft with hybrid electric propulsion system [Электронный ресурс] // Proceedings of the 45th European Rotorcraft Forum, Warsaw, Poland, 17–20 September 2019. URL: https://hdl.handle.net/20.500.11881/4041 (дата обращения: 11.10.2022).Lee, D., Kang, S., Yee, K. (2019). A comparison study of rotorcraft with hybrid electric propulsion system. In: Proceedings of the 45th European Rotorcraft Forum, Warsaw, Poland, September 17–20. Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11881/4041 (accessed: 11.10.2022).Lee D., Jeong S., Yee K. Development of a conceptual design tool for various compound helicopters [Электронный ресурс] // Proceedings of the 44th European Rotorcraft Forum, Delft, Netherlands, 18–21 September 2018. URL: http://hdl.handle.net/20.500.11881/4003 (дата обращения: 11.10.2022).Lee, D., Jeong, S., Yee, K. (2018). Development of a conceptual design tool for various compound helicopters. In: Proceedings of the 44th European Rotorcraft Forum, Delft, Netherlands, September 18–21. Available at: http://hdl.handle.net/20.500.11881/4003 (accessed: 11.10.2022).Schrage D.P., Walters R. Conceptual design tradeoffs for future single main rotor compound helicopters [Электронный ресурс] // Proceedings of the 44th European Rotorcraft Forum, Delft, Netherlands, 18–21 September 2018. URL: http://hdl.handle.net/20.500.11881/4001 (дата обращения: 11.10.2022).Schrage, D.P., Walters, R. (2018). Conceptual design tradeoffs for future single main rotor compound helicopters. In: Proceedings of the 44th European Rotorcraft Forum, Delft, Netherlands, September 18–21. Available at: http://hdl.handle.net/20.500.11881/4001 (accessed: 11.10.2022).Браверман А.С., Перлштейн Д.М., Лаписова С.В. Балансировка одновинтового вертолета. М.: Машиностроение, 1975. 176 с.Braverman, A.S., Perlshtein, D.M., Lapisova, S.V. (1975). Balancing of a singlerotor helicopter. Moscow: Mashinostroyeniye, 176 p. (in Russian)Миль М.Л., Некрасов А.В., Браверман А.С. и др. Вертолеты, расчет и проектирование. Т. 1. Аэродинамика. М.: Машиностроение, 1966. 457 с.Mil, M.L., Nekrasov, A.V., Braverman, A.S. et al. (1966). Helicopters, calculation and design. Vol. 1. Aerodynamics. Moscow: Mashinostroyeniye, 457 p. (in Russian)Johnson W. Rotorcraft aeromechanics. Cambridge University Press, 2013. 944 p. DOI: 10.1017/CBO9781139235655Johnson, W. (2013). Rotorcraft aeromechanics. Cambridge University Press, 944 p. DOI: 10.1017/CBO9781139235655Leishman J.G. Principles of helicopter aerodynamics. 2nd ed. Cambridge University Press, 2006. 866 p.Leishman, J.G. (2003). Principles of helicopter aerodynamics. 2nd ed., Cambridge University Press, 866 p.Bramwell A.R.S., Done G., Balmford D. Bramwell’s helicopter dynamics. 2nd ed. Butterworth-Heinemann, 2001. 377 p.Bramwell, A.R.S., Done, G., Balmford, D. (2001). Bramwell’s helicopter dynamics. 2nd ed., Butterworth-Heinemann, 377 p.Kundu A.K., Price M.A., Riordan D. Conceptual aircraft design: An industrial approach 1st ed. John Wiley & Sons, 2019. 1053 p.Kundu, A.K., Price, M.A., Riordan, D. (2019). Conceptual aircraft design: An industrial approach. 1st ed., John Wiley & Sons, 1053 p.Шайдаков В.И. Аэродинамика винта в кольце: учеб. пособие. М.: Издательство МАИ, 1996. 88 с.Shaidakov, V.I. (1996). Aerodynamics of the screw in the ring: Tutorial. Moscow: Izdatelstvo MAI, 88 p. (in Russian)Vepa R. Electric aircraft dynamics. 1st ed. CRC Press, 2020. 350 p. DOI: 10.1201/9780429202315Vepa, R. (2020). Electric aircraft dynamics. 1st ed., CRC Press, 350 p. DOI: 10.1201/9780429202315Haran K., Madavan N., O’Connell T.C. Electrified aircraft propulsion. 1st ed. Cambridge University Press, 2022. 298 p.Haran, K., Madavan, N., O’Connell, T.C. (2022). Electrified aircraft propulsion. 1st ed., Cambridge University Press, 298 p.Daidzic N.E., Piancastelli L., Cattini A. Diesel engines for light-to-medium helicopters and airplanes (Editorial) // International Journal of Aviation, Aeronautics, and Aerospace. 2014. Vol. 1, iss. 3. Pp.1–18. DOI: 10.15394/ijaaa.2014.1023Daidzic, N.E., Piancastelli, L., Cattini, A. (2014). Diesel engines for light-tomedium helicopters and airplanes (Editorial). International Journal of Aviation, Aeronautics, and Aerospace, vol. 1, issue 3, pp.1–18. DOI: 10.15394/ijaaa.2014.1023

The authors declare that there are no conflicts of interest present.