无人机空气动力学与飞行原理课件(第二版)课件10 电动垂直起降飞行器

无人机空气动力学

与飞行原理

（第二版）

（10）电动垂直起降飞行器气动布局电动垂直起降飞行器的气动布局是指决定它空气动力学性能的部件布置方案。虽然影响电动垂直起降飞行器气动性能的因素有很多，但作为产生空气动力的主要部件，如旋翼、固定机翼、尾翼等的特性和相互间的位置关系是最关键的，除此以外，电池技术对电动垂直起降飞行器的气动布局也有很大的影响。高能量密度电池技术难点

将电动系统作为主要的动力装置时，为电动机提供能源的电池能量密度太低，比航空燃油的能量密度低十余倍。造成纯电动型的电动垂直起降飞行器在试飞和实际使用中，通常表现出重载动力不足、飞行时间短等缺点。

大多数锂电池能量密度在170Wh/Kg左右。当电池能量密度为200Wh/kg时，电动垂直起降飞行器续航距离100km所需电池容量为70kWh；续航距离200km所需电池容量为537kWh。按照每度电5kg的重量计算，电动垂直起降飞行器续航距离200km需要重量为2.5t的电池，大大超出其载重能力，完全是不现实的事情。氢燃料电池方案的可行性相对于锂电方案，虽然氢燃料电池存在能量密度高、电池寿命长等优势，但在动态响应性及功率密度上存在不足（航空器通常要求1500W/kg的功率密度，而氢燃料电池系统仅仅只能达到600W/kg），因此长期来看，氢燃料搭配一部分锂电池储能是更优方案，锂电池可用于启动和提供快速变化的功率输出，氢燃料电池可用于巡航飞行中的能量输出。动力系统综合优化技术

分布式电推进（DistributedElectricPropulsion，DEP）的一个重要优点可将动力分散到电动垂直起降飞行器的各个主要结构上，并可改变机体周围的流场，提高气动性能，降低噪声水平。可以说，分布式电推进技术的出现，拓展了电动垂直起降飞行器气动设计的自由度，可大幅提高它的综合性能，但与此同时将带来多学科优化设计和计算分析的复杂性等难题

需要指出的是，现有大部分电动垂直起降飞行器的气动布局基本上是对传统布局的改型或改进，较少依据纯电推进的特点进行多学科综合优化设计得到，因此并没有充分发挥分布式电推进的优点，这是需要引起人们重视和加以改进的地方。航空器的类型目前世界上有三种不同类型的航空器：（1）有人驾驶航空器。机上有人，要有人驾驶。（2）无人驾驶航空器。机上无人，无有人驾驶。（3）电动垂直起降飞行器。机上有人（乘客），无人驾驶，全自主飞行。

机上有人还是无人，对航空器的气动布局、总体结构设计和要求有很大的差别，如果机上有人首先要考虑的是机上人员的安全，安全第一。

电动垂直起降飞行器与无人机一样，机上都不需要飞行员进行驾驶，但是它机上有人（乘客），因而既要确保飞行安全，又要满足乘客乘坐方便舒适的要求，要在无人机上增加乘客座舱。乘客座舱的作用

电动垂直起降飞行器的乘客座舱是机上乘客乘坐的场所。座舱除具有保护人体免受飞行过程中异常环境因素危害的作用外,还要提供一定舒适条件。

在航空器气动布局和总体结构设计中，要综合考虑人体的形态结构、生理和身体素质之间的关系，将人体测量学的数据运用到乘客座舱设计中。电动垂直起降飞行器研制流程

研制新型号电动垂直起降飞行器，从设计方案到试制、生产并投入市场使用，需要进行大量科研、工程设计、分析计算、试验验证、工艺试制、调试、软件开发、测试和试飞等项目管理工作。电动垂直起降飞行器的气动布局

电动垂直起降飞行器的气动布局是其主要空气动力部件的气动外形及相对位置的设计和安排，即电动垂直起降飞行器外部总体形态布局与位置安排。其工作内容和要求与无人机的气动布局情况相似。不仅同它的外形构造、动态特性及所受到的空气动力密切相关，而且关系到它的飞行特征、飞行性能、稳定性、机动性和安全性。

至于电动垂直起降飞行器的动力系统、机载设备及任务载荷等放置在哪里的问题，则笼统地称为总体布局。虽然总体布局对飞行性能也会有影响，但是起决定作用的主要是它的气动布局，只有气动布局才能够最直接地决定电动垂直起降飞行器的基础形态。电动垂直起降飞行器气动布局分类电动垂直起降飞行器与无人机关系

（1）多旋翼电动垂直起降飞行器实质上是在电动多旋翼无人机的基础上，增加安装适合人员乘坐的座舱、座椅和相关设备所构成的一种全新的载人航空器

（2）复合无人机采用固定翼无人机与旋翼无人机相结合的复合气动布局，在固定翼无人机的基础上，安装能够产生抵消全机重量的升力旋翼系统。目的是为了兼具固定翼无人机航时长、速度快、航程远的特点及旋翼无人机垂直起降、空中悬停的功能。复合电动垂直起降飞行器实质上是在电动复合无人机的基础上，增加安装适合人员乘坐的座舱、座椅和相关设备所构成的一种全新的载人航空器。复合电动垂直起降飞行器的构型

（1）固定旋翼构型：升力旋翼系统是固定的。（2）倾转旋翼构型：升力旋翼系统相对于机翼平面可倾转。（3）倾转机翼构型：升力旋翼可随着机翼一起倾转。（4）单旋翼构型：只安装了一个开放旋翼系统。（5）倾转电动涵道喷气发动机构型：电动涵道喷气发动机。电动垂直起降飞行器气动布局特点电动垂直起降飞行器的悬停性能

悬停升力效率与桨盘载荷相关，桨盘载荷越小，悬停升力效率越高。试飞测试的结果表明：无人直