摘要：分布式电推进系统利用电力驱动多个推进器作为飞机的动力装置,在提升飞机气动效率、载运能力、环保性和鲁棒性等方面蕴藏着可供人们挖掘和利用的巨大潜能,被广泛认为是一种航空领域的颠覆性技术。本文在对电动飞机的优势和不足,电推进系统的尺度独立性以及分布式电推进飞机分类进行初步研究之后,重点从飞机工程设计的专业划分角度出发,分别从飞机总体设计、气动设计、结构设计、系统及支持设施设计等学科对分布式电推进飞机设计技术的研究情况和学术进展进行综述。随着电池能量密度、电机及控制器功率密度的不断提升以及相关机载电气设备的小型化和轻量化,分布式电推进通用飞机基本具备按需航空市场化能力,尽管仍存在一些挑战,但该技术为未来飞机设计提供了更多的权衡空间与可能性。

摘要：分布式电推进(DEP)飞机充分利用气动/推进耦合效应提高飞机的气动效率,但动力数量增加导致螺旋桨滑流与翼面流场干扰强烈,气动分析和设计的复杂度及计算成本上升。为提高DEP飞机早期设计阶段气动设计效率,降低研制成本,采用线性无黏的涡格法-激励盘理论(VLM-ADT)、涡格法-非定常涡格法(VLM-UVLM)及加入黏性修正的VLM(Modified-VLM)提出气动特性快速评估方法。对单机翼、单螺旋桨/机翼耦合、X-57机翼(巡航、高升力状态)及分布式螺旋桨/机翼耦合构型的气动特性进行快速评估。与基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程求解器的结果对比,单机翼和单螺旋桨/机翼升力系数和阻力系数一致性良好,误差最大不超过8.2%;俯仰力矩系数在同一数量级。X-57机翼和分布式螺旋桨/机翼的升力系数与RANS方程结果吻合度较高,误差最大不超过10%。考虑黏性修正的VLM所计算的X-57机翼和分布式螺旋桨/机翼的总阻力系数与RANS方程结果趋势一致。分布式螺旋桨滑流增加机翼的动压,使机翼局部有效迎角发生改变,改变了机翼当地升阻特性。所提方法为分布式螺旋桨飞机在早期设计阶段气动特性快速评估和气动布局方案快速选型提供了一种兼顾计算精度和效率的有效方法。

摘要：分布式电推进飞机可通过多推进器间的推力差动来调节飞行姿态,从而为实现动力偏航提供了硬件条件。为此,提出一种基于非线性动态逆的动力偏航控制策略。建立考虑分布式电推进系统推力差动的飞机非线性飞行动力学模型,并基于时标分离原则,将其划分为快状态子系统和慢状态子系统。随后,针对慢状态子系统的非线性特性,设计非线性动态逆控制器实现动力偏航控制,所计算出的滚转、俯仰、偏航速率作为参考指令传递给快状态子系统。快状态子系统控制器同样基于非线性动态逆方法设计,通过调节各分布式推进器间的推力差动,实现对给定滚转、俯仰、偏航速率的跟踪。考虑到分布式电推进系统具有天然的冗余性和容错性,将动力偏航控制策略拓展至了推进器冗余和故障等特殊工况。同时,针对分布式电推进器易受突风、电动机参数变化等扰动影响的问题,设计了基于自抗扰方法的各电推进器本地推力控制器。数值仿真结果表明:该策略可以实现90°动力偏航,并且可以抵抗15 m/s的突风扰动。

摘要：在绿色航空的研究中,分布式电推进(DEP)飞机因其在推进系统的高能量效率展现出巨大的应用潜力。但与传统推进方式的飞机相比,分布式电推进飞机在飞行时存在较强的气动-推进耦合现象。为探究分布式电推进飞机动力系统特性与气动-推进的耦合特性,设计了一套低成本的分布式电推进飞机气动-推进系统地面测试平台,通过地面试验,首先对动力系统的性能开展评估,随后通过地面试验结合数值模拟的方法对分布式电推进技术验证机的气动性能及其气动-推力耦合关系开展了研究。结果表明:涵道对边界层的抽吸效应使得上翼面的气流加速,导致上下翼面形成更大的压强差,使得升力增加;而升力增加引起的气动焦点后移现象,需要引起重视。研究结果为分布式电推进飞机的总体设计提供了参考。

摘要：由于采用多个螺旋桨动力,旋转颤振成为分布式电推进飞机面临的重要气动弹性问题之一。基于机翼/短舱/桨耦合系统的运动关系及力作用关系,考虑机翼对螺旋桨的下洗和侧洗效应,推导出机翼、短舱和螺旋桨耦合系统的运动方程。将多套短舱/螺旋桨动力的陀螺力矩和螺旋桨非定常气动力引入机翼结构动力学模型,建立分布式电推进螺旋桨飞机颤振模型。通过对动力系统展向位置和动力系统数量的变参分析,研究分布式电推进螺旋桨飞机关键动力布局参数对旋转颤振特性的影响规律,并评估了2种典型的分布式电动螺旋桨飞机布局的颤振特性。结果表明:动力系统位于0.8倍翼展附近时,旋转颤振速度明显提高,而其他安装位置的参数不敏感。从翼根向翼梢逐渐增加动力数量的过程中,当动力个数少于5时,机翼的颤振速度对动力个数参数不敏感,而当动力个数增加至6时,机翼的经典颤振速度和旋转颤振速度均显著提高。在总刚度、总质惯量、总滑流效应和总功率等总体设计指标相当的前提下,动力系统相同分布式方案更佳,更有利于提高经典颤振速度和旋转颤振速度。

摘要：以运-7飞机作为参考机型,进行了分布式电推进飞行器的总体设计与性能分析。设计了改型后的分布式电推进飞行器的动力系统,包括螺旋桨参数设计,机翼参数修正,电动机功率计算与选型,螺旋桨气动设计,最终完成混合动力系统的设计。完整地计算了改型后飞行器的各部分质量增减情况并分析其飞行性能,相比参考机型,航程与航时分别增加了540 km与1.2 h,增加幅度超过20%,最终进行了分布式电推进飞行器的三维建模与气动特性分析。为分布式电推进飞行器建模、仿真与控制及工程应用提供了理论依据。

摘要：针对翼身融合运输机开展了分布式电推进系统的总体设计与油耗评估。通过数值计算完成了70t载质量翼身融合飞机的气动设计与优化。在巡航马赫数为0.80和10km高度的设计点,最大升阻比达到了24。通过求解积分边界层方程组,完成了电推进系统的总体设计。电推进系统包含10个推进风扇,风扇直径为1.45m,压比为1.35,巡航功率为2.94MW。建立了考虑燃烧过程的发动机一维性能模型,对发动机油耗进行了评估,获得了不同发动机循环参数下燃油消耗。建模结果表明,基于翼身融合布局和分布式电推进技术,可使运输机的油耗较C-17节省近50%。

摘要：在某款超轻型电动飞机的基础上设计了一个分布式电动力推进系统,并对机翼几何尺寸进行了相应的修改,提出了分布式电推进系统参数与机翼几何参数的综合设计方法。在机翼前缘布置多个电动螺旋桨,利用其滑流效应提高了空气动力效率并降低机翼面积和结构重量。从动力性,结构重量,续航时间和航程方面验证了该系统的可行性与优越性。分布式电动飞机的最大平飞速度为182km/h,大于参考机型最大平飞速度175.5km/h,满足动力要求。机翼面积减小36%,体积减小将近一半,动力系统与机翼结构的总重量减轻31.7%,飞机空重减少7.29%。电池能量增加36.61%,续航时间延长45.71%,航程增加64%。展现出分布式电推进系统的巨大优势与发展前景,并为分布式电动飞机的设计与优化提供了参考。

摘要：分布式电推进(DEP)飞机气动综合收益受分布式动力/机翼强气动耦合效应的影响,揭示其变化规律及流动机理是开展分布式电推进飞行器设计的关键。本文针对分布式螺旋桨-机翼布局,基于涡格法-激励盘理论(VLM-ADT)气动特性快速求解方法开展DEP布局气动性能研究,重点研究了螺旋桨数量、旋转方向、螺旋桨间隔3个要素对升阻比L/D、功率载荷T/P、总效率L/P等气动性能指标的影响。结果表明:随着螺旋桨数量的增加叠加效应会减弱,升阻比减小,但总效率增大。当螺旋桨数量小于等于5时,同向旋转构型的升阻比大于反向旋转构型。当螺旋桨数为7时,反向旋转构型升阻比大于同向旋转构型。与同向旋转构型相比,桨盘载荷增加时,反向旋转构型的升阻比会增加。分布式螺旋桨密集布置在翼尖时会同时增加升力和阻力;当翼尖螺旋桨固定在翼尖、其他螺旋桨密集布置在机翼中心附近时,翼尖螺旋桨的上洗效应会削弱翼尖涡,具有增升减阻效果,且升力比螺旋桨集中在翼尖构型时增加得更多。

摘要：由于分布式电推进飞机综合性能显著,各个学科的交叉性强,是未来航空领域飞行器发展的趋势,因此建立一种适用于总体设计阶段的多学科参数评估方法对分布式电推进飞机的设计有着重大的意义。为了提高电动飞机在初始设计阶段的效率,本文提出了一种分布式电推进飞机的多学科参数快速估计方法。该方法对分布式电推进飞机进行总体建模并搭建能源系统框架,使用基于势流理论的简化气动分析方法对螺旋桨与机翼的气动—推进耦合特性进行分析。经仿真验证,该简化气动模型可以较好地模拟螺旋桨与机翼的气动—推进耦合特性。利用该方法在设定的飞行剖面下对某分布式电推进飞机进行多学科参数快速估计,得到了整个飞行剖面下的飞机气动性能变化及电推进系统的性能变化,为分布式电推进飞机的总体设计提供了支撑。