浅析Evtol的推进器的两种推进方式：涵道风扇与旋翼

 

 

 

飞行汽车评价指标

 

飞行汽车作为面向城市空中交通和未来出行的新型交通工具，正日益受到汽车和航空领域的重视，成为汽车和航空技术与产业跨界融合的重要发展趋势[1]。根据美国垂直起降学会的统计，目前全球已经累计约300家公司提出了近400款飞行汽车的技术方案[2]。绝大多数企业出现于Uber提出城市空中交通发展愿景之后，也均是面向这一终极愿景。近400款飞行汽车形态各异，技术指标也不尽相同，相互之间比较分析从表象上看十分困难。按照Uber城市空中交通发展报告提出的使用要求，高安全、低噪声、零排放、性能优是评价飞行汽车的四个重要维度[3]。作为与直升机功能相近的平台，飞行汽车的高安全、低噪声和零排放主要通过分布式电推进和智能无人驾驶两项技术得以实现。本文从飞行汽车性能角度，特别对涵道风扇和旋翼两种推进方式进行简要比较分析。

 

平台性能核心指标

近期在PNAS上发表的一篇文章，为我们进行飞行汽车性能分析提供了一个简洁的分析框架[4]。对于航空器性能总体设计而言，所有具体的构型方案最终将抽象为两个核心指标参数，即对于平台而言的升阻比和对于推进系统而言的桨盘载荷。平台方案不能泛泛地评价优劣，只能在明确需求情况下讨论是否更适用的问题。从巡航速度和续航里程需求角度看，飞行汽车构型基本可以划分为无机翼构型和有机翼构型两大类，两类构型在载荷方面并无根本差别，只是因为巡航时升力来源不同导致有机翼构型在巡航速度和续航里程方面有较为明显优势。图1是我们关于平台构型分类的一点思考，不做详细展开，以后有机会再分享。

  

图1  一种平台构型分类方式

 

桨盘载荷概念

 

桨盘载荷，更准确地说，是功率载荷随桨盘载荷的变化规律，是连接平台性能与动力系统性能的关键参数[5]，其基本特征如图2所示。桨盘载荷定义为推进系统的拉力与桨盘面积之比，而功率载荷可以认为是单位功率所能举起的重量。根据推进原理，功率载荷随着桨盘载荷的增加而降低，即是说，同样推力，风扇或者旋翼直径越小则需要的功率越大。桨盘载荷越大，相同尺寸下推进系统的载重能力越大；功率载荷越大，相同功率输出下推进系统的载重能力也越大。因此，飞行汽车的“城市”和“重载”两个使用需求，要求推进系统的功率载荷和桨盘载荷都要大，也就是图2中的曲线越靠近右上角越好。飞行汽车的涵道风扇和旋翼两种推进方式的差异，从结构上体现为是否有涵道体，以及叶型设计方法不同，从最终效果上，体现为图2曲线中功率载荷和桨盘载荷的不同。

 

图2 功率载荷q随桨盘载荷p的变化规律

 

涵道体可大幅提升功率载荷

首先，涵道风扇与旋翼的差异体现在是否有涵道体。涵道体的真正作用在于对推进系统进出口流通面积的影响，进而对空气进出口的压力和流速的改变，使得同样桨盘载荷条件下，涵道风扇的理论功率需求仅为旋翼的1/√2（如图3所示，具体推导可以参见相关参考文献[6]），则其功率载荷理论上相比旋翼可提升40%以上。

 

图3  有无涵道体情况下推进效率的差异

风扇叶型可显著增加桨盘载荷

其次，涵道风扇与旋翼的差异体现在旋转叶片设计方法的不同。其结果是风扇叶型能够实现远大于旋翼的桨盘载荷，这可以从NASA关于VX-15倾转旋翼航空器总结报告中得到验证，如图4[7]。在输入条件（推力要求、尺寸约束和功率约束等）确定后，旋翼设计类似于飞机机翼设计，旋翼叶型一般以升力系数和阻力系数为设计选型依据；而风扇设计采用航空发动机叶型设计方法，一般由推力需求转换为流量和压升（可以认为是进出口压力差）参数，然后以表征流量的流量系数和表征压升的负荷系数作为设计选型的依据。两种设计方法带来的结果上的差异是，风扇叶型更适合高压升设计，而更高的压升意味着更大的桨盘载荷。从实际工程应用来说，旋翼的桨盘载荷通常在200-450N/m2范围，而涵道风扇则可以达到甚至超过800-1000N/m2。涵道风扇3-5倍的桨盘载荷优势在提供良好推进性能的基础上，还可以大幅降低桨盘尺寸，加上涵道体提供的安全保护，涵道风扇整机紧凑性具备显著优势，这也是飞行汽车可以在城市环境下大规模使用的重要基础。

图4 主要垂直起降飞行器推进系统的桨盘载荷

 

涵道风扇的显著优势

 

此外，除了上述功率载荷和桨盘载荷的不同，涵道风扇对于微气象环境的抗干扰以提高飞行安全性的能力，以及降低旋转叶片气动噪声的能力，均强于旋翼，而这两点分别对应了城市空中交通飞行汽车高安全和低噪声的需求。因为涵道风扇相较于旋翼在高安全、低噪声和功率载荷-桨盘载荷曲线（使飞行汽车具备更好的动力性和紧凑性）上有独特优势，所以，我们认为涵道风扇是更适合城市空中交通飞行汽车使用的推进方式。

 

图5 100kgf电动涵道风扇单元台架测试

 

团队技术壁垒

电动涵道风扇技术是实现飞行汽车垂直起降的一种重要动力推进技术，与旋翼相比在高安全、低噪声、动力性、紧凑性上具备原理优势。玮航科技团队已经围绕电动涵道风扇推进系统涉及的高负荷低噪声涵道风扇流动机理、高功重比电机电控设计研发、推进系统高安全智能控制等方面建立了较高技术壁垒，未来将持续专注于电动涵道风扇推进技术的创新研发和技术积累，为城市未来出行飞行汽车性能突破提供自主可控的核心技术支撑，并在公司高层建筑消防救援这一特色化场景应用中率先积累城市空中飞行需要的技术、运营和适航经验，为将来开拓更加广阔的市场打下坚实基础。