Математическая модель для расчета летно-технических характеристик электрических винтокрылых летательных аппаратов для целей городской аэромобильности

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. 

1. Есаулов 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.

2. 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).

3. 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).

4. 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).

5. 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).

6. 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).

7. 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).

8. 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).

9. 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).

10. 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).

11. 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).

12. Браверман А.С., Перлштейн Д.М., Лаписова С.В. Балансировка одновинтового вертолета. М.: Машиностроение, 1975. 176 с.

13. Миль М.Л., Некрасов А.В., Браверман А.С. и др. Вертолеты, расчет и проектирование. Т. 1. Аэродинамика. М.: Машиностроение, 1966. 457 с.

14. Johnson W. Rotorcraft aeromechanics. Cambridge University Press, 2013. 944 p. DOI: 10.1017/CBO9781139235655

15. Leishman J.G. Principles of helicopter aerodynamics. 2nd ed. Cambridge University Press, 2006. 866 p.

16. Bramwell A.R.S., Done G., Balmford D. Bramwell’s helicopter dynamics. 2nd ed. Butterworth-Heinemann, 2001. 377 p.

17. Kundu A.K., Price M.A., Riordan D. Conceptual aircraft design: An industrial approach 1st ed. John Wiley & Sons, 2019. 1053 p.

18. Шайдаков В.И. Аэродинамика винта в кольце: учеб. пособие. М.: Издательство МАИ, 1996. 88 с.

19. Vepa R. Electric aircraft dynamics. 1st ed. CRC Press, 2020. 350 p. DOI: 10.1201/9780429202315

20. Haran K., Madavan N., O’Connell T.C. Electrified aircraft propulsion. 1st ed. Cambridge University Press, 2022. 298 p.

21. 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.2014.1023