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Wind-Optimal Trajectories for Multirotor eVTOL Aircraft on UAM Missions

起飞 风力发电 能源消耗 弹道 空气动力学 多转子 燃料效率 风速 推进 计算机科学 航空航天工程 环境科学 模拟 工程类 气象学 电气工程 物理 天文
作者
Priyank Pradeep,Todd A. Lauderdale,Gano Chatterji,Kapil Sheth,Chok Fung Lai,Banavar Sridhar,Kaj-Martin Edholm,Heinz Erzberger
出处
期刊:AIAA Aviation 2019 Forum 被引量:10
标识
DOI:10.2514/6.2020-3271
摘要

Distributed electric propulsion powered electric vertical takeoff and landing aircraft are expected to enable urban air mobility. Low specific energy of onboard lithium-ion polymer batteries and wind conditions impose constraints on flight endurance. Therefore, from the safety and efficiency perspective, planning and flying minimum energy trajectories are important. The primary motivation for this paper is to determine if there is an operational benefit to flying wind-optimal trajectories for short flights (less than 60 miles) in the urban environment. This study employs wind-optimal trajectories for a NASA-proposed conceptual multirotor aircraft flight in the urban environment. The optimal control model presented includes a wind model for quantifying the effect of wind on the trajectory. The optimal control problem is numerically solved using the direct method. Energy consumption and flight duration flying wind-optimal trajectories between origins and destinations in a metropolitan area are compared with energy consumption and flight duration flying on the great-circle paths between the same origin and destination pairs to determine the operational benefit of wind-optimal routing for short flights. The flight duration results for different scenarios are validated using a simulation tool designed and developed by NASA for exploring advanced air traffic management concepts. In summary, this research study suggests that for short flights in an urban environment, the wind-optimal trajectories have a very slight (insignificant) operational advantage over the great-circle trajectories in terms of energy consumption and flight duration. As expected, headwinds and tailwinds along the route of flight have a significant impact on energy consumption and flight duration.

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