动力电池是电动化飞行得以实现的重要组成部分,其技术层次和安全水准对电动垂直起降飞行器(Electric Vertical Take off and Landing aircraft,eVTOL)的商业化推广尤为重要。本文在典型飞行任务下,研究电池性能对eVTOL飞行器的运营性能...动力电池是电动化飞行得以实现的重要组成部分,其技术层次和安全水准对电动垂直起降飞行器(Electric Vertical Take off and Landing aircraft,eVTOL)的商业化推广尤为重要。本文在典型飞行任务下,研究电池性能对eVTOL飞行器的运营性能、适航性能和安全性能的影响。利用开源软件SUAVE(Stanford University Aerospace Vehicle Environment,SUAVE)对复合翼eVTOL进行了整机与动力总成的建模,利用故障树分析(Fault Tree analysis,FTA)方法对动力总成进行了安全性分析。通过仿真,发现在现有电池技术水平下,电池的放电倍率约束是决定电池性能需求的关键限制条件,针对本文设计的eVTOL,372 Wh/kg是满足所有安全约束的最低能量密度,在使用过程中电池容量的衰退是设计者选择电池能量密度的重要参考指标。单独改善电池的可靠性对动力总成可靠性的提升是有限的,但电池性能的衰退将使电池成为动力总成失效的主要因素。通过FTA发现本文搭建的典型动力总成失效率为1.524×10^(-7),接近SC-VTOL-01中单座飞行器的基础级灾难性故障率要求。展开更多
通过应用电动垂直起降(electric vertical take-off and landing,简称eVTOL)飞行器可实现零排放的短途快速城市空中出行,缓解地面交通拥堵的问题。但城市地区密集的人口以及eVTOL高度的自动化等因素给飞行安全性也带来了诸多挑战。基于...通过应用电动垂直起降(electric vertical take-off and landing,简称eVTOL)飞行器可实现零排放的短途快速城市空中出行,缓解地面交通拥堵的问题。但城市地区密集的人口以及eVTOL高度的自动化等因素给飞行安全性也带来了诸多挑战。基于局方对于eVTOL设立的顶层安全性目标,分析了当严重失效发生时,eVTOL飞机级安全性减缓措施——抗坠撞性和整机降落伞两种方式的应用限制与效果。通过对减缓措施的对比分析,提出了一种考虑减缓效果的eVTOL飞行任务剖面,并总结出不同飞行阶段的飞机级安全性影响,得出定量的飞行区域关键高度数值。针对飞行剖面中的高风险区域,提出了降低严重失效概率的预防措施,为eVTOL的安全性设计以及适航管理提供参考。展开更多
Manned multi-rotor electric Vertical Takeoff and Landing(eVTOL)aircraft is prone to actuator saturation due to its weak yaw control efficiency.To address this inherent problem,a rotor cross-tilt configuration is appli...Manned multi-rotor electric Vertical Takeoff and Landing(eVTOL)aircraft is prone to actuator saturation due to its weak yaw control efficiency.To address this inherent problem,a rotor cross-tilt configuration is applied in this paper,with an optimization method proposed to improve the overall control efficiency of the vehicle.First,a flight dynamics model of a 500-kg manned multi-rotor eVTOL aircraft is established.The accuracy of the co-axial rotor model is verified using a single arm test bench,and the accuracy of the flight dynamics model is verified by the flight test data.Then,an optimization method is designed based on the flight dynamics model to calculate an optimal rotor cross-tilt mounting angle,which not only improves the yaw control efficiency,but also basically maintains the efficiency of other control channels.The ideal rotor cross-tilt mounting angle for the prototype is determined by comprehensively considering the optimal results with different payloads,forward flight speeds,and rotor mounting angle errors.Finally,the feasibility of the rotor cross-tilt mounting angle is proved by analyzing the control derivatives of the flight dynamics model,the test data of a ground three Degree-of-Freedom(3DOF)platform,and the actual flight data of the prototype.The results show that a fixed rotor cross-tilt mounting angle can achieve ideal yaw control effectiveness,improving yaw angle tracking and hold ability,increasing endurance time,and achieving good yaw control performance with different payloads and forward speeds.展开更多
根据旋翼机和固定翼飞机的气动理论开发了一个综合方法过程用于估算电动垂直起降(Electric vertical takeoff and landing, e VTOL)飞行器的飞行性能。这种飞机通常采用多旋翼垂直飞行,螺旋桨和机翼的不同组合方式实现飞行。其中,对旋...根据旋翼机和固定翼飞机的气动理论开发了一个综合方法过程用于估算电动垂直起降(Electric vertical takeoff and landing, e VTOL)飞行器的飞行性能。这种飞机通常采用多旋翼垂直飞行,螺旋桨和机翼的不同组合方式实现飞行。其中,对旋翼和螺旋桨的气动性能采用传统动量理论分析和旋翼元素分析。本文利用此综合理论研究了12架e VTOL飞行器的飞行性能,包括多旋翼飞行器、矢量推进飞行器和升力巡航飞行器。计算了悬停、爬升和下降以及巡航水平飞行,不同飞行状态时驱动电机、旋翼和机身的飞行特性。据此,可以进一步确定电力推进系统的性能指标,以匹配螺旋桨或旋翼,从而满足飞行任务。展开更多
为迎接电动垂直起降航空器的到来,降低平均无故障时间,对电动垂直起降(electric vertical takeoff and landing,eVTOL)航空器的一般运行场景和系统构成做出了分析,并从人为因素、设备因素、环境因素和其他因素中提取了可能的失效诱因;...为迎接电动垂直起降航空器的到来,降低平均无故障时间,对电动垂直起降(electric vertical takeoff and landing,eVTOL)航空器的一般运行场景和系统构成做出了分析,并从人为因素、设备因素、环境因素和其他因素中提取了可能的失效诱因;构建了失控坠地和空中碰撞的贝叶斯网络,并依据所建网络和通过不同专家得到的概率值计算控制失效情况下失控坠地和中间事件发生概率,然后进行反向推断,推演事故发生主要诱因。结果表明:电动垂直起降航空器正常运行发生事故的概率为9.648×10^(-7),其中,控制失效、飞控系统断电/故障是事故主要诱因,计算结果可为电动垂直起降航空器安全运行防控提供依据。展开更多
文摘动力电池是电动化飞行得以实现的重要组成部分,其技术层次和安全水准对电动垂直起降飞行器(Electric Vertical Take off and Landing aircraft,eVTOL)的商业化推广尤为重要。本文在典型飞行任务下,研究电池性能对eVTOL飞行器的运营性能、适航性能和安全性能的影响。利用开源软件SUAVE(Stanford University Aerospace Vehicle Environment,SUAVE)对复合翼eVTOL进行了整机与动力总成的建模,利用故障树分析(Fault Tree analysis,FTA)方法对动力总成进行了安全性分析。通过仿真,发现在现有电池技术水平下,电池的放电倍率约束是决定电池性能需求的关键限制条件,针对本文设计的eVTOL,372 Wh/kg是满足所有安全约束的最低能量密度,在使用过程中电池容量的衰退是设计者选择电池能量密度的重要参考指标。单独改善电池的可靠性对动力总成可靠性的提升是有限的,但电池性能的衰退将使电池成为动力总成失效的主要因素。通过FTA发现本文搭建的典型动力总成失效率为1.524×10^(-7),接近SC-VTOL-01中单座飞行器的基础级灾难性故障率要求。
文摘通过应用电动垂直起降(electric vertical take-off and landing,简称eVTOL)飞行器可实现零排放的短途快速城市空中出行,缓解地面交通拥堵的问题。但城市地区密集的人口以及eVTOL高度的自动化等因素给飞行安全性也带来了诸多挑战。基于局方对于eVTOL设立的顶层安全性目标,分析了当严重失效发生时,eVTOL飞机级安全性减缓措施——抗坠撞性和整机降落伞两种方式的应用限制与效果。通过对减缓措施的对比分析,提出了一种考虑减缓效果的eVTOL飞行任务剖面,并总结出不同飞行阶段的飞机级安全性影响,得出定量的飞行区域关键高度数值。针对飞行剖面中的高风险区域,提出了降低严重失效概率的预防措施,为eVTOL的安全性设计以及适航管理提供参考。
基金co-supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos.12202406,11672128)。
文摘Manned multi-rotor electric Vertical Takeoff and Landing(eVTOL)aircraft is prone to actuator saturation due to its weak yaw control efficiency.To address this inherent problem,a rotor cross-tilt configuration is applied in this paper,with an optimization method proposed to improve the overall control efficiency of the vehicle.First,a flight dynamics model of a 500-kg manned multi-rotor eVTOL aircraft is established.The accuracy of the co-axial rotor model is verified using a single arm test bench,and the accuracy of the flight dynamics model is verified by the flight test data.Then,an optimization method is designed based on the flight dynamics model to calculate an optimal rotor cross-tilt mounting angle,which not only improves the yaw control efficiency,but also basically maintains the efficiency of other control channels.The ideal rotor cross-tilt mounting angle for the prototype is determined by comprehensively considering the optimal results with different payloads,forward flight speeds,and rotor mounting angle errors.Finally,the feasibility of the rotor cross-tilt mounting angle is proved by analyzing the control derivatives of the flight dynamics model,the test data of a ground three Degree-of-Freedom(3DOF)platform,and the actual flight data of the prototype.The results show that a fixed rotor cross-tilt mounting angle can achieve ideal yaw control effectiveness,improving yaw angle tracking and hold ability,increasing endurance time,and achieving good yaw control performance with different payloads and forward speeds.
文摘根据旋翼机和固定翼飞机的气动理论开发了一个综合方法过程用于估算电动垂直起降(Electric vertical takeoff and landing, e VTOL)飞行器的飞行性能。这种飞机通常采用多旋翼垂直飞行,螺旋桨和机翼的不同组合方式实现飞行。其中,对旋翼和螺旋桨的气动性能采用传统动量理论分析和旋翼元素分析。本文利用此综合理论研究了12架e VTOL飞行器的飞行性能,包括多旋翼飞行器、矢量推进飞行器和升力巡航飞行器。计算了悬停、爬升和下降以及巡航水平飞行,不同飞行状态时驱动电机、旋翼和机身的飞行特性。据此,可以进一步确定电力推进系统的性能指标,以匹配螺旋桨或旋翼,从而满足飞行任务。
文摘为迎接电动垂直起降航空器的到来,降低平均无故障时间,对电动垂直起降(electric vertical takeoff and landing,eVTOL)航空器的一般运行场景和系统构成做出了分析,并从人为因素、设备因素、环境因素和其他因素中提取了可能的失效诱因;构建了失控坠地和空中碰撞的贝叶斯网络,并依据所建网络和通过不同专家得到的概率值计算控制失效情况下失控坠地和中间事件发生概率,然后进行反向推断,推演事故发生主要诱因。结果表明:电动垂直起降航空器正常运行发生事故的概率为9.648×10^(-7),其中,控制失效、飞控系统断电/故障是事故主要诱因,计算结果可为电动垂直起降航空器安全运行防控提供依据。
