Flight Dynamics Conceptual Design Exploration of Multirotor eVTOL

尺寸 推进 概念设计 多转子 工程类 稳健性(进化) 汽车工程 控制工程 电力航天器推进 执行机构 空气动力学 飞行动力学 电动机 计算机科学 航空航天工程 机械工程 艺术 生物化学 化学 电气工程 视觉艺术 基因
作者
Carlos Malpica,Peter M. Suh,Christopher J. Silva
标识
DOI:10.4050/f-0080-2024-1106
摘要

The advent of electric propulsion is revolutionizing the paradigm of rotorcraft design, leading to new electric Vertical Take-Off and Landing (eVTOL) aircraft. Direct drive topologies are common within these new designs, and some designers have chosen to utilize this mechanism for Primary Flight Control (PFC), effectively utilizing the aircraft engines as PFC actuators to control the speed of the rotors. This decision integrates the propulsion and flight control systems, and intrinsically couples the aircraft sizing and control. Four separate tools were exercised throughout this study to conduct a conceptual design exploration of eVTOL aircraft handling qualities. The main tasks for these tools were: 1) aircraft sizing and performance analysis, including the calculation of trim; 2) flight dynamics modeling and analysis; 3) handling qualities-centric control law optimization; and 4) electric motor sizing. Sizing of an RPM-controlled Hexacopter concept explored the dependency of aircraft size to fundamental design parameters: 1) disk loading and 2) blade loading coefficient. Increasing the design disk loading resulted in designs with high agility, but at the cost of significant growth in the design gross weight. Finally, Categories II and III pilot-induced-oscillation (PIO) are known potentially-catastrophic handling qualities deficiencies of fly-by-wire flight control systems such as those expected of eVTOL aircraft. Consideration of PIO predictive metrics in conceptual design control synthesis led to increased PIO robustness.

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