不同旋转配置的有翼eVTOL旋翼失效对比分析

虽然过去已经对经典八轴飞行器配置的容错性进行了几项研究，也对同轴和堆叠旋翼配置等变体进行了研究，但直到2025关于有翼eVTOL飞机容错性的公开文献才开始出现研究。参考文献7通过NASA Lift+Cruise飞行器上执行器故障下可获得的力和力矩集比较了控制分配算法，强调了控制的可行性。参考文献8也在研究美国国家航空航天局的L+C飞行器，在这种情况下是涡轮电动变体，在考虑机动性裕度、飞机尺寸和飞行动力学的同时，使用不同的配平优化策略提出了故障后的配平解决方案。本文分享的研究考察了悬停状态下八旋翼eVTOL飞机的单旋翼故障，考虑了飞机在故障后如何重新配平，以及电机扭矩和功率要求的增加，以及故障后飞机的整体功率要求。为了探索整机旋翼旋转配置对其故障后配平解决方案的影响，考察了三种不同的旋转配置。

比较的飞机布局

基准飞机模型是NASA复合翼垂直起降飞机的缩小版（1200磅）变体。它具有安装在四个机翼下吊杆上的八个可变转速（固定桨距）旋翼。表1总结了整机总重和一些关键的旋翼设计参数。旋翼的侧向叶尖间隙为0.1R，前后旋翼的桨毂间距为3R。每个旋翼有两个叶片，悬停时的标称桨盘载荷为5.92磅/平方英尺。根部翼型为NACA 4412，尖端翼型为Clark Y，两者之间有线性插值。使用这种基准几何形状，将检查下图所示的三种不同的旋转配置。

8旋翼复合翼整机的配置（俯视图）

对于NASA的复合翼垂直起降飞机，旋翼旋转方向如图a所示。这种布置最接近经典的八轴飞行器，因为紧邻任何给定旋翼都会沿相反方向旋转。还应注意的是，任何给定机翼下吊杆上的两个旋翼都以相反的方向旋转。旋转阻力很重要，这样吊杆就不会施加较大的净扭矩，从而在机翼附件处产生较大的弦向弯矩。在图a中，从左翼尖移动到右翼尖，吊杆有一个逆时针（CCW）前旋翼，然后是顺时针（CW）前旋翼。切换左翼上的两个吊杆会产生备选配置B，如图c所示。重新定位吊杆，使左翼的前旋翼为顺时针旋翼，而右翼的前旋翼则为逆时针旋翼，从而得到图b所示的替代配置A。备用配置A中的布置用于Vertical的VX-4飞机。假设每架飞机都关于重心对称，这意味着在悬停时只需要考虑两种独特的故障情况：内侧和外侧旋翼故障。在这项研究中，将考虑外侧旋翼1和内侧旋翼3的故障。在悬停状态下，旋翼2、7或8的故障相当于旋翼1的故障，同样地，旋翼4、5或6的故障也相当于旋翼3的故障。

下面展示了三种旋转配置下rotor1失效的结果。

在所有旋转配置中，结果表明，旋翼故障可以通过相对适度的飞机总功率增加来适应，通常在9-13%的数量级，以获得最佳的配平解决方案。然而，剩余旋翼之间的推力和扭矩的重新分配因旋转配置而异，导致峰值电机扭矩和功率需求存在很大差异。特别是，备用配置A在故障后表现出更高的最大电机负载，在某些情况下需要超过200%的标称功率能力，而备用配置B表现出相对有利的负载再分配，峰值扭矩和功率增加较低。

最佳和直观配平策略之间的比较进一步表明，在某些情况下，从电机大小的角度来看，简单关闭成对的旋翼或功能对应物可以提供优势，尽管代价是增加了飞机的总功耗。对于备选配置B，与最佳解决方案相比，功能对应解决方案显著降低了峰值电机负载（33%的扭矩损失与60%相比，53%的功率损失与100%相比），而整体功率损失仅略有增加（15%与9-13%相比）。这些结果表明，当优先考虑电机尺寸约束时，受现有系统架构启发的实用故障响应策略可能会带来有意义的好处。

总体而言，结果强调不应仅根据控制可行性来评估有翼eVTOL飞机的容错性。旋翼旋转配置和故障适应策略在确定故障后电机负载和功率裕度方面起着至关重要的作用，这直接影响推进系统的尺寸、热极限和可靠性。

在设计过程的早期考虑这些物理因素对于实现能够在区域和城市环境中可靠运行的安全、坚固和可认证的带翼eVTOL飞机至关重要。