电气化的未来空中比赛与模拟

由Ansys Advantage Staff提供

它可以说是世界上最令人兴奋的赛车运动，它已经持续了一个多世纪，你可能从来没有听说过它。

想象一下，八架紧凑的单座电动螺旋桨飞机同时起飞，飞到大约30英尺的高度，以高达250英里/小时的速度，在一个3英里的椭圆形上空翼梢对翼梢地比赛，你会感受到激烈的空中比赛所产生的肾上腺素刺激。自2013年以来，airrace Events的首席执行官杰夫·扎特曼(Jeff Zaltman)一直在全球范围内倡导飞行比赛，他的Air Race 1自2015年以来一直是世界飞行比赛的冠军，并不断发展壮大。

像其他精英赛车运动，如汽车一级方程式赛车一样，空中赛车为尖端技术提供了一个试验台。随着可持续发展的重要性日益增加，正如一级方程式(Formula 1)通过电动方程式(Formula E)系列创造了电动方程式一样，Zaltman推出了电动方程式航空竞赛E在那里，飞机是100%电动的，以帮助加速航空业的可持续发展。Ansys是《空中竞速E》的官方仿真软件合作伙伴，为参赛队伍提供仿真软件、培训和咨询服务。

Ansys通过提供一套全面的多物理模拟工具来解决团队将面临的一些最棘手的工程挑战，包括电池和电池管理系统、电力电子设备、电动机以及电动动力系统与机身的整体集成，从而帮助推进飞机电气化技术的发展。对于一些团队来说，这涉及从头开始设计整个飞机;对于其他人来说，这意味着将这些电力系统集成到现有的机身中。

“这些团队需要在极短的时间内从一个想法变成一架准备好参加比赛的飞机。模拟是加速设计和开发过程的唯一方法，这样他们的电动飞机就可以在2021年下半年的第一次资格赛中获得飞行认证，”负责协调Ansys参与比赛的Ansys技术客户经理Roberto Bifulco说。“我们的软件可以帮助他们实现这一目标，我们也可以从他们需要解决的问题中学习，所以这是一个双赢的局面，也是Ansys决定赞助e竞速的原因之一。”

北欧空中竞速队与他们正在建造中的空中竞速E飞机合影。图片由北欧航空竞赛提供

赛车打造电动未来

1909年，在莱特兄弟于1903年在北卡罗来纳州的基蒂霍克(Kitty Hawk)完成了第一次比空气重的可控飞行之后的6年，第一次飞行比赛——拉加特纳里(Prix de Lagatinerie)在法国举行。从那以后，空中比赛以各种形式继续着，通常一次只有一架飞机与时间赛跑。

Zaltman于2013年创办了第一届空中竞速世界杯。他主持了2014年的首届比赛和2015年的第一届空中赛车世界杯。参赛队伍使用的是小型单座螺旋桨驱动的卡苏特特种飞机(Cassutt Special)，他们根据特定参数对飞机进行改装，以获得优势。

在空中竞速E中，规则规定了每个团队必须使用的平台。对飞机的机身、机翼和重量的要求与空中比赛1相同。随着内燃机的电力替代，电池的规格包括功率不超过150kw(在30秒内可额外增加25kw的升压能力)和最大电压为800v。在一场4圈、25公里(15.5英里)的比赛中，电池必须能够在全功率状态下运行5分钟，并在最低功率下有10分钟的备用时间。目标是总动力总成重量不超过180公斤。

TeamNL以1:10的比例3d打印了这个模型。

应对技术挑战的两种方法

“设计一架获胜的飞机并不是那么简单，”航空竞赛e的技术项目经理Dmitri Karelin说，“你不能只追求最大功率，然后说，哦，这应该可以。最强大的发动机需要更大的电池，这增加了重量，可能会导致你的飞机比另一个团队使用更小的发动机和更小、更轻的电池的飞机慢。”

考虑到这些权衡，规则中有很大的设计变化空间，每个团队将以不同的方式应对挑战。

当Zaltman在2018年推出E级飞行比赛时，他吸引了一些已经在第一级飞行比赛中驾驶化石燃料飞机的车队，但他也引起了以前从未参加过飞行比赛的人的兴趣。这就产生了两种面临不同挑战的团队:改造者和从零开始建造者。

由于模拟对许多参赛者来说都是新鲜事物，他们已经习惯了对新设计进行物理测试，因此Ansys于2021年1月举办了网络研讨会，向所有团队介绍他们可以使用的模拟功能，以及如何使用这些功能来克服其中的一些挑战。我们与两支采用不同方法的团队进行了交谈，以了解他们的进展情况。

改造

北欧航空竞赛挪威汇集了两个组织:电动飞机推进和赤道飞机。该团队目前有10名成员，其中包括志愿者。北欧空中竞速队的工程师Sathvik Rao说:“我们想在更高的水平上探索电动航空，而空中竞速E给了我们这样做的机会。”“通过参加空中竞速比赛，你可以学到很多东西，并就每个团队面临的共同问题分享你的知识，并努力解决它们。这就是心态。电动航空正处于起步阶段，现在在基层培育它很重要。”

左:电池模块气流组织。右图:单个电池模块内的静态温度分布。图片由北欧航空竞赛提供

由于没有先前的空中比赛经验，北欧航空比赛购买了一架二手卡苏特专用飞机进行改装。Rao指出了他们面临的五大挑战:

• 改变飞机的外部几何形状，给飞机一个更长的，更薄的机头
• 平衡飞机的重心，因为他们把重型内燃机换成了更轻的电动机
• 确定如何最好地冷却电机和电池，这两个都将位于机身的发动机舱
• 开发一种基于复合材料的发动机舱，使飞机更轻
• 优化电池设计和性能

北欧航空公司正在使用Ansys机械而且Ansys流利修改飞机的机头，看看他们能在多大程度上保持机身上的层流并将整体阻力值降至最低。机械也被用来分析重心问题。他们选择了在整个热系统中使用空气冷却，在螺旋桨轮毂中使用一个罩或空气斗，让空气流入和流出系统，而不会产生太多的冷却阻力。Fluent正在帮助他们分析这一地区的气流。Ansys Composite PrepPost将用于开发复合电机室。

这就留下了优化电池性能的挑战。“你可以与任何基于电气化的行业的工程师交谈，并询问他们的主要问题，”卡雷林说。“每个人都会给你的答案?”“是电池的问题。“电池一直是系统中最大的挑战、最大的危险和最大的复杂性。这是因为在飞行过程中，电池不会损坏，也不会过热。这是安全问题。所以这些团队将依靠模拟。”

虽然Rao之前在他的空气动力学工程研究和论文中使用过Ansys仿真解决方案，这给了他一些Fluent热流分析的背景知识，但他是新手Ansys电子和电池仿真解决方案。这对他来说是一次大开眼界的经历。Rao说:“看到Ansys软件可以集成任何领域的每一个参数要求，比如电流、电压、温度分布和电池的结构可靠性，我感到非常惊讶。”他期待着在不久的将来利用这些模拟能力，因为北欧空中赛车解决了电池的挑战。

为电动飞机提供动力的电池组的体积网格。图片由北欧航空竞赛提供

从零开始

如果你一开始没有飞机，显然你还有更多的工作要做。荷兰的TeamNL目前有四名成员，但他们并没有因此而止步。“我们只是想一路走下去，设计一架飞机，这样我们就可以完全正确地整合它，”TeamNL的首席工程师和长期滑翔机飞行员里克·布尔玛(Rick Boerma)说。“我们决定将电池集成到机翼中，然后将电机与机身集成，以避免修改现有的机身，从重量和平衡角度考虑。从头开始有时也是一种优势。”

布尔玛熟悉Ansys软件，但之前从未使用过。“当Ansys决定赞助Air Race E时，他们说，‘嘿，你想用这个软件吗?’”他说。“如果你把这样的协议摆在我们面前，谁能说不呢?”

TeamNL将挑战视为“一个大的打包优化任务”。因为他们的团队很小(欢迎更多的志愿者!)，时间和金钱都很紧张，他们必须选择他们能负担得起的最好的组件，并以最有效的方式将它们组合在一起。布尔玛说，他们想让飞机的重量尽可能低，但要达到快速飞行的动力，你需要一个大电池。如果用两节小电池，电流负载过高。所以他们使用相对较重的电池，并试图使体积和重量正确。

他们在使用Ansys的发现来发展飞机的结构，并在这些重量载荷下实现正确的重心。布尔玛说:“发现号的能力令人惊叹。“我真的很想拿到它。它的速度和易于使用它与集成Ansys SpaceClaim真的很棒。你可以有一个几何图形，如果你不喜欢这个洞，你可以把它填上，五秒钟后你就能看到新的应力分布。我甚至可以通过拓扑优化来获得正确的形状。”

只需点击几下鼠标，就可以将Discovery中获得的几何图形导出到Ansys Mechanical，因此他们将使用Mechanical来提供额外的百分之几的精度，以确保他们有一个安全的设计。布尔玛说:“比赛飞行员总是想把事情推进得比他们被允许的更远。”“但安全当然是航空业的首要任务。当然，我们想要开得尽可能快，争取赢得比赛，但首要的是让飞行员重返地面。”

不久的将来的空中比赛

空中竞速E的初试热赛将于2021年下半年举行，届时已准备好电动飞机的队伍将开始比赛。目前已有16支队伍报名参加比赛，但如果你想组建自己的队伍，仍然有时间参与其中，因为在计划于2022年举办的世界电动空中赛车锦标赛之后，E级空中赛车将继续发展。Ansys专家将在现场帮助所有团队学习如何使用模拟来解决整个过程中的挑战。

卡雷林说:“各个团队都在争分夺秒地为2022年准备一架飞机，所以能够模拟飞机和电池设计，可以防止他们花太多时间沿着一条特定的道路前进，然后不得不往回走。”“能够立即测试设计更改可以节省大量资金，这些团队当然必须明智地使用他们的资金。”