徽州骆驼 · 6月11日

小鹏汇天飞行汽车技术解析

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01 引言

飞行汽车在大多数人的认知中仿佛仅是电影场景中的虚构产物,与日常生活相距甚远。然而,小鹏汇天的研发团队怀揣着让汽车飞翔的梦想,正不懈努力实现这一愿景。

飞行汽车的设计挑战来自以下方面:

(1)创新性挑战:

飞行汽车作为陆空双栖的新兴交通工具,其设计从零开始,不仅要构建前所未有的结构框架,还要全面革新安全策略与方案,以适配其独特的运行环境。

(2)系统复杂度:

飞行汽车集成了多元复杂系统,涵盖动力系统、飞行控制系统、旋翼系统及通信系统等,每一环节都至关重要。研发任务艰巨,不仅需达到地面行驶的安全标准,还需满足空中航行的安全规范,两者间的兼容与平衡构成巨大技术障碍。

(3)严格的安全标准:

遭遇故障时,传统汽车可依赖制动刹车以确保安全,而飞行汽车则需具备安全降落的能力,以防空中“停车”的灾难性后果。这要求极高的故障应对与紧急降落机制,小鹏汇天的飞行汽车对标民航客机的安全标准,关键系统上采用冗余备份设计。

02 动力系统

飞行汽车的动力系统相当于其“生命中枢”,作为整体架构的核心,它不仅左右着性能表现,还直接关系到安全与否。

2.1、分布式动力布局

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旅航者X2采取了由4个独立电池组和8台电机组成的分散式高压电力分配系统,其中电池组与电机在布局上实现了物理隔离,即便单个组件发生故障,其余部件仍能正常运作。

2.2、电池系统

电池包结构采用CTP(cell to pack)集成设计,30秒峰值放电倍率高达8C,额定放电倍率高达4C,同时整包能量密度达到210Wh/kg(电动汽车动力电池30秒峰值放电倍率约3C,额定放电倍率约1C)。

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(1)系统集成:

  • 借助于精妙的内部布局设计与轻质材料的运用,相较于传统的模块到封装(MTP)设计方法,整体集成效率显著提升了超过6.5%。
  • 电池包结构采用CTP(cell to pack)集成设计,将电芯直接集成到电池包内;
  • 电池箱内的框架结构用于固定电池模块,并且冷却板与箱体采用了集成化设计,提高了空间利用率。

(2)防护结构:

  • 辅助防护及安装结构应用轻量化碳纤维材料,热防护应用钛合金材料;
  • 合理控制涂层复合结构的厚度;
  • 行业内率先应用碳纤维电池箱体,实现单包和整机减重,轻量化开发;

(3)电池管理控制:

  • 电池系统集成效率75%;持续放电功率密度高达1.5kW/kg,是电动汽车放电功率水平的1.5~3倍;
  • 电池管理系统(BMS)采用“1+4”管理架构,实现多并&高压电池系统并入切出、能量管理、安全监控及诊断等关键功能;
  • “全方位呵护”的电池温度监测系统,每一对电芯均配备一个专属温度传感器,监测覆盖比例高达50%;
  • 采用低能耗的主动式风冷技术,以保证电池无论处于何种工作状态或生命周期阶段,都能维持在理想的“温度舒适区”。
  • 电池风扇采用交错分组设计,并为每组风扇增设了保险盒及熔断装置,以防止单一风扇电源故障导致的散热中断,从而有效阻止电池过热情况的发生;
  • 为了最大限度降低空中断电的风险,每个电池组配备了三重独立且互相隔离的低压电源供应系统,形成了严密的三重冗余保护。

(4)热安全防护

  • 电芯本征安全:通过机械滥用、电滥用及热滥用三重考核进行电芯的筛选,确保电芯符合国家相关安全标准;
  • 阻导结合:采用相变隔热材料阻断电芯间热传递,相变材料在正常工作时可储热,并改善电池系统均温性,热失控后发挥隔热功能;采用“防火涂层+高强金属”形成“阻火层”抵抗热冲击、改变热流体走向;
  • 热电分离:利用云母复合板隔离电芯区及电气舱,与“阻火层”一起构成导流排气通道,实现热电分离;定向排烟通道末端设计防爆阀,热失控后当内部压力达到一定值时防爆阀自动打开,定向泄压;
  • 快速响应预警系统:在组件级别应用光、电、温多维传感器,持续监测电池状态。策略层面,电池管理系统依据即时数据发出预警并实施应急措施。同时,后台数据分析利用历史数据预测潜在安全威胁,进一步增强安全防护;
  • 冷媒直接冷却技术:采用高强度材料与创新的流道设计,包括改进的轮廓与流向,增强冷却效能,达到每公斤0.64千瓦的散热能力。一旦检测到电池温度异常升高,系统将立即激活强化冷却模式,加速热量散发,有效控制热扩散。

2.3、电驱系统

全栈自研800V电驱系统,与旋翼组合而成的动力套推重比高达12.2,超过传统航空发动机。搭载共轴双桨单元,同轴双电驱系统一体化设计,升力冗余备份。直径3.5m碳纤维刚性旋翼,叠桨品质因子≥0.89。

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电机的散热系统采纳了风冷方案,并自主研发出国内首例峰值功率达50千瓦的风冷电驱动系统。此系统搭载的外转子电机,凭借其无刷外转子设计,能够输出最大200N·m的扭矩。电控单元则利用均热板进行辅助散热,从而支持更高功率输出。这些电驱动技术的革新,加之专门设计的碳纤维桨叶——既减轻了重量又保持了结构强度,共同促成了产品推力与载重能力的显著提升。

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03 电子电气系统

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飞行汽车的电子电气系统,是整机的“神经网络”和“智慧中枢”,负责整机信号和电能的传输、处理和分配等,对保障飞行汽车的各个功能和安全起着至关重要的作用。

(1)双冗余通信线路

以旅航者X2为模型,其关键系统,涵盖飞控、导航系统、电驱动单元、电池能量管理系统及飞行操控系统,均配置了双通道通信与双路供电策略,构建了稳固的冗余体系。这意味着即便单一通信链路或供电线路出现故障,飞行的安全性与稳定性依旧能够得到保障,确保了系统的高度可靠运行。

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(2)故障分级告警系统

开发了一套故障预警系统,该系统能在检测到任何异常时,在驾驶舱的中控显示屏上以警告、警戒和提示三级递进的方式显示信息,引导驾驶员即刻采取相应措施。

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(3)双冗余供电网络

系统采纳了双边供电模式,通过在飞行器的左右两侧分别布置电路,增强了区域安全性。即便供电系统遭遇单点故障,例如短路或断路,也不会危及到整个飞行器的安全飞行能力。

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(4)电磁兼容性设计

电磁兼容性(EMC)涉及确保不同电子设备在共享环境中的互不干扰,以及这些设备与外界环境的和谐共存。针对飞行汽车的整机集成,EMC测试与研发涵盖了机电整合、隔离技术、电气连接与接地、异构系统整合及软件兼容性等多个维度。为此,特别定制了电子与电气(E&E)测试实验室,专注于飞行汽车特需的测试与模拟,涵盖总线接口测试、硬件性能验证、软件兼容性评估及整体性能试验等。比如,利用总线自动化测试系统,对构成飞行汽车“神经系统”的所有组件进行通讯兼容性验证,确保其内部通信的顺畅无阻。

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04 旋翼、起落架设计

旋翼不仅是飞行汽车生成升力和执行飞行操纵的核心气动部件,还扮演着抵抗外界气动干扰的重要角色。在飞行汽车中,旋翼是实现升力产生和飞行控制的唯一手段,其重要性不言而喻。而起落架设计则负责吸收降落与起飞时的震动与撞击力量,同样关键。旋翼与起落架的设计直接关联到飞行安全性的核心问题,比如旋翼的稳定性和抗断裂能力,以及降落时机体能否免受损害,这些都是飞行汽车研发过程中的核心技术和安全考量点。

4.1、旋翼翼型设计

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旋翼翼型设计与旋翼气动性能、桨叶效率等有着密切的关系。

旅航者X2的旋翼翼型具有以下主要特征:

(1)自研翼型

旅航者X2采用自研翼型,在宽雷诺数范围具备超高升阻比,以提升续航时间。

(2)翼型配置

利用源自薄翼理论的参数化方法来设计翼型,确保每个桨叶截面运作在卓越性能区间。在此基础上,对旋翼各截面实施变体翼型优化设计,并融入自动化流程进行连续迭代改进。

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(3)桨尖形状

为提升效能并减少螺旋桨噪音,针对性地对桨尖等核心结构进行了细致的局部改良。利用遗传算法有效限制设计参数,同时利用公司强大的超级计算能力进行优化设计搜索,以此路径推动了高效且低噪声螺旋桨的研制。

(4)旋翼桨叶的材料

旅航者X2所装备的旋翼桨叶,选用了航空领域当前顶尖的碳纤维增强环氧树脂基复合材料。通过发挥这种高级复合材料的特性,并结合精心优化的结构设计,桨叶展现出高强度、轻量化的特质,这不仅缩短了电机对旋翼控制的响应时间,还显著提升了飞行的整体性能,同时极大增强了桨叶在气动条件下的稳定性和韧性。此外,桨叶的碳纤维分层构造确保了即使遭遇外物撞击,也只是表面和边缘受损,不影响其飞行安全性,进一步提升了可靠性。

(5)桨毂的结构

旅航者X2采纳了桨毂与桨叶集成的一体化设计方案,此举不仅显著减少了组件数量与重量,还增强了旋翼结构的完整度与安全性,从根本上消除了因组装不当或零件破损导致的旋翼脱落风险,从而大幅度提高了产品的信赖度。

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4.2、起落架的设计

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旅航者X2的起落架通过铰接方式进行安装,这一设计有效缓解了起落架承受的弯矩压力,使力的传递路径更为直接,因而减轻了对机体强度的严苛要求。根据静态强度测试结果显示,其起落架能够承受的最大负载为3.1吨。在面对紧急降落情形时,这样的设计能够有效守护机体结构及乘员安全,避免伤害。

起落架的材料主要为碳纤维和玻璃纤维,碳纤维保证起降所需要的强度,玻璃纤维保证减震缓冲所需要的韧性。

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05 飞行减振设计

多旋翼飞行汽车的振动机制极为复杂,归因于飞行时旋翼系统必须持续应对流体动力学力、弹性力、离心力及惯性力的高度交织作用。具体而言,旋翼旋转与空气相互作用产生的周期性气动变化力,加之桨叶本身的动态属性与桨毂的刚性特点,三者协同作用,成为决定振动强度的根本因素。

针对旅航者X2,我们采取了积极的减振设计策略,通过广泛运用旋翼动力学、结构动力学原理,以及流固耦合和跨学科分析方法,实现了在仅增加2.98千克重量的前提下,使最终量产机型相比原型试制品的振动幅度降低了66%,显著提升了乘坐舒适性。

为了确保X2飞行汽车的空中安全性和减少飞行过程中的振动,小鹏汇天的NVH(Noise, Vibration, and Harshness)团队实施了全面的振动正向设计策略,重点聚焦于振动的初始产生环节及振动传播路径上的优化,双管齐下以实现高效的减振效果。

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(1)振动源头减振设计

为有效管理源头处的振动,研发团队集中精力于旋翼产生的气动波动调控及桨叶振动频率调整等关键方面,通过广泛的计算机仿真分析与实体台架实验进行深入研究与验证。具体到气动波动的抑制,团队致力于通过CFD(Computational Fluid Dynamics)多因素模拟优化,从旋翼翼型设计、气动载荷分布均衡、上下桨叶间的气动干扰削弱、旋翼与机体结构的气动交互影响,以及整个飞行器的气动协调性等方面入手,力求减少旋翼引发的气动力不稳定性。

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在桨叶的正向设计阶段,团队运用了CAE(Computer-Aided Engineering)跨学科分析与优化技术,以桨叶的强度、形变程度及固有振动频率作为核心优化指标,同时调整桨叶内部构造参数作为设计变量,进行了精细的频率调节设计。这一过程确保了桨叶的固有特性与预设的设计标准紧密契合,提升了整体设计的精确性与有效性。

(2)传递路径减振设计

考虑到多旋翼飞行汽车特有的变速运转特性,其模态分布设计面临显著增大的复杂度与挑战。因此,在项目的初步设计阶段,研发团队采取了大量CAE仿真分析与实际测试数据对比的策略,通过执行“设计-仿真优化-验证测试”的循环流程,以确保模态分布得以精确控制,符合既定的设计标凈。

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针对多旋翼飞行汽车的特定激励属性,研发团队首先识别了振动传导的主要路径,并在此基础上,于这些路径上的关键节点实施了动态刚度的设计与调优。这一过程旨在确保动态刚度指标符合预期设计标准的同时,尽量避免对整体机体重量造成显著增加。

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END

作者:王车车
来源:航空技术

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