Energy Optimal Traversal Between Hover Waypoints for Lift+Cruise Electric Powered Aircraft

要約

Advanced Air Mobility 航空機では、経済的に実行可能なエネルギー効率の高い飛行計画が必要です。
この論文では、Lift+Cruise 電動垂直離着陸 (eVTOL) 航空機のウェイポイント間の最小エネルギー直接軌道を定義します。
エネルギー消費は、モード移行を考慮して、加速飛行プロファイルと巡航飛行プロファイルにわたって最適化されます。
eVTOL の運用は垂直離陸と着陸のホバリングで開始および終了するため、ホバリングウェイポイントが利用されます。
エネルギー消費は各飛行モードの対気速度の関数としてモデル化されており、マルチモード横断におけるエネルギーの最適性を証明する基礎を提供します。
Lift+Cruise 航空機はホバリング中に相対的な風向きを向くだけでなく、最大ヘディング レートの制約があるため、風の大きさと風向きによって直線横断の実現可能性が決まります。
実験的に検証された QuadPlane 小型 eVTOL 航空機のエネルギーと電力使用量は、すべての飛行モードでの対気速度と加速度に関して特徴付けられます。
最適な QuadPlane トラバーサルが表示されます。
加速度と風に関する制約は、直線の QuadPlane トラバースに対して導出されます。
結果は、直接 $4m/s$ の横風が吹く代表的なケーススタディにおいて、ホバリングウェイポイント間の最適な QuadPlane $500m$ の横断は、純粋な垂直飛行の横断と比較して $71\%$ のエネルギーを節約することを示しています。
ホバリングへの移行とホバリングからの移行を伴うエネルギー最適化 eVTOL の直接軌道定義は、この作業にとって新しいものです。
今後の作業では、必要に応じて操縦プリミティブを最適化するだけでなく、3 次元の飛行と風をモデル化する必要があります。

要約(オリジナル)

Advanced Air Mobility aircraft require energy efficient flight plans to be economically viable. This paper defines minimum energy direct trajectories between waypoints for Lift+Cruise electric Vertical Take-Off and Landing (eVTOL) aircraft. Energy consumption is optimized over accelerated and cruise flight profiles with consideration of mode transitions. Because eVTOL operations start and end in hover for vertical take-off and landing, hover waypoints are utilized. Energy consumption is modeled as a function of airspeed for each flight mode, providing the basis to prove energy optimality for multi-mode traversal. Wind magnitude and direction dictate feasibility of straight-line traversal because Lift+Cruise aircraft point into the relative wind direction while hovering but also have a maximum heading rate constraint. Energy and power use for an experimentally validated QuadPlane small eVTOL aircraft are characterized with respect to airspeed and acceleration in all flight modes. Optimal QuadPlane traversals are presented. Constraints on acceleration and wind are derived for straight-line QuadPlane traversal. Results show an optimal QuadPlane $500m$ traversal between hover waypoints saves $71\%$ energy compared to pure vertical flight traversal for a representative case study with a direct $4m/s$ crosswind. Energy optimal eVTOL direct trajectory definition with transitions to and from hover is novel to this work. Future work should model three-dimensional flight and wind as well as optimize maneuver primitives when required.

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