电气化模拟未来的空中赛车

By Ansys Advantage Staff

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，你可能从未听说过它。

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，以每小时250英里的速度在3英里的椭圆形上空进行翼梢对翼梢的比赛，你会感受到激烈的空中比赛所带来的肾上腺素刺激感。自2013年以来，空中赛车在全球范围内得到了Air Race Events首席执行官Jeff Zaltman的支持，他的Air Race 1自2015年以来一直是世界空中赛车锦标赛，并不断发展壮大。

与f1等其他精英赛车运动一样，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，就像一级方程式赛车(Formula 1)创造了电动方程式E系列一样，Zaltman推出了电动赛车空中竞赛E在美国，飞机是100%电动的，以帮助加速航空业变得更加可持续。Ansys是Air Race E的官方仿真软件合作伙伴，为参赛团队提供仿真软件、培训和咨询服务。

Ansys通过提供一套全面的多物理场仿真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、电动机以及电气化动力总成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，这需要从头开始设计整个飞机;对其他人来说，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。仿真是加速设计和开发过程的唯一方法电动飞机负责协调Ansys参赛事宜的Ansys技术客户经理Roberto Bifulco表示:“我们已经获得认证，可以及时参加定于2021年下半年举行的第一场资格赛。“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Air Race e的原因之一。”

北欧空中竞速队与他们的空中竞速E飞机，正在建设。图片由北欧空中赛车提供

空中赛车打造电动未来

第一场空中竞赛，即拉格蒂纳大奖赛(Prix de Lagatinerie)，于1909年在法国举行，就在莱特兄弟于1903年在北卡罗来纳州的基蒂霍克(Kitty Hawk)进行了第一次受控的比空气重的飞行六年后。从那以后，空中比赛以各种形式继续进行，通常是一次只有一架飞机与时间赛跑。

Zaltman于2013年创立了空中竞速世界杯。他主持了2014年的首届比赛和2015年的第一届世界杯空中赛车。各队比赛小型单座、螺旋桨驱动的Cassutt Special飞机，他们在特定参数下进行修改，试图获得优势。

在空中竞速E中，规则规定了每队必须使用的平台。飞机的机身、机翼和重量要求与空中竞赛1相同。随着电力取代内燃机，电池的规格包括功率不超过150千瓦(在30秒内可获得额外25千瓦的增压能力)和最大电压为800 V。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下运行5分钟，在最低功率下保留10分钟。目标是动力总成的总重量不超过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，”Air Race e公司的技术项目经理德米特里·卡列林(Dmitri Karelin)说，“你不能只追求最大功率，然后说，哦，这应该就行了。最强大的电机需要更大的电池，这增加了重量，可能会导致你的飞机比另一个使用更小的电机和更小更轻的电池的团队的飞机慢。”

考虑到这些权衡，在规则中存在很大的设计变化空间，并且每个团队将以不同的方式处理挑战。

当Zaltman在2018年推出Air Race E时，他吸引了一些已经在Air Race 1比赛中使用化石燃料飞机的团队，但他也激起了以前从未参加过空中比赛的人的兴趣。这就产生了两种面临不同挑战的团队:改进型和从零开始型。

由于模拟对许多比赛参与者来说是新的，他们习惯于对新设计进行物理测试，因此Ansys在2021年1月举办了网络研讨会，向所有团队介绍他们可以访问的模拟功能，以及如何使用它们来克服其中的一些挑战。我们与两个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

挪威的北欧空中比赛汇集了两个组织:电动飞机推进和赤道飞机。该团队目前有10名成员，包括志愿者。北欧航空赛车队的工程师Sathvik Rao说:“我们希望在更高层次上探索电动航空，而Air Race E为我们提供了实现这一目标的机会。”“通过参加空中竞赛，你可以学到很多东西，并分享你对每个团队面临的共同问题的了解，并试图解决这些问题。这就是心态。电动航空还处于起步阶段，现在在基层培育它很重要。”

左:通过电池模块的气流分布。右:单体电池模块内的静态温度分布。图片由北欧空中赛车提供

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

• 改变飞机的外部几何形状，使飞机的机头更长、更薄
• 平衡飞机的重心，因为他们要把沉重的内燃机换成轻便得多的电动机
• 确定如何最好地冷却发动机和电池，两者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

北欧空中赛车正在使用Ansys机械和Ansys流利修改飞机的机头，看看他们能在机身上保持多远的层流，并尽量减少整体阻力值。力学也被用来分析重心问题。他们选择了空气冷却通过整个热系统，使用风帽，或空气勺，在螺旋桨轮毂，将让空气流入和流出的系统，而不会产生太多的冷却阻力。Fluent正在帮助他们分析这个地区的气流。Ansys Composite PrepPost将用于开发复合动力舱。

这就带来了优化电池性能的挑战。“你可以与任何电气化行业的工程师交谈，询问他们的主要问题，”卡列林说。“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。这是因为电池不会损坏，也不会在飞行过程中过热。这是安全问题。所以这些团队将依赖于模拟。”

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的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:“我很惊讶地看到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。”他期待着在不久的将来利用这些模拟功能来解决北欧空中赛车的电池挑战。

电动飞机动力电池组的体积网格划分。图片由北欧空中赛车提供

从零开始构建

如果你一开始就没有飞机，显然你还有更多的工作要做。荷兰的TeamNL目前有四名成员，但这并没有阻止他们。“我们只是想全力以赴，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、资深滑翔机飞行员里克·波尔马(Rick Boerma)说。“我们决定将电池集成到机翼中，然后将马达与机身集成，以避免在重量和平衡方面修改现有机身。从零开始有时是一种优势。”

Boerma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。“如果你把这样的交易摆在我们面前，谁能拒绝呢?”

TeamNL将这一挑战视为“一个巨大的打包优化任务”。因为他们的团队很小(欢迎更多的志愿者!)，而且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。Boerma表示，他们希望尽可能降低飞机的重量，但要获得快速飞行的动力，你需要一个大电池。如果使用两个小电池，则电流负载过高。所以他们正在使用相对较重的电池，并试图获得合适的体积和重量。

他们正在使用Ansys的发现发展飞机的结构，在这些重量载荷下实现正确的重心。布尔玛说:“‘发现’号的成就令人惊叹。”“我真的很渴望得到它。它的速度和使用的便利性与集成Ansys SpaceClaim真的很棒。你可以有一个几何形状，如果你不喜欢那个洞，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。”

将在Discovery中获得的几何图形导出到Ansys机械只需点击几下即可，因此他们将使用机械来为他们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得比他们被允许的更远。“但安全当然是航空业的第一要务。当然，我们希望速度越快越好，争取赢得比赛，但首要任务是让飞行员回到地面。”

空中赛车的未来

空中竞赛E的初步试赛将于2021年下半年举行，届时参赛队伍的电动飞机将准备就绪。已经有16支球队报名参加了比赛，但如果你想组建自己的球队，仍然有时间参与其中，因为空中竞速E将继续发展，而不是计划于2022年举行的世界电动空中赛车锦标赛。Ansys专家将在那里帮助所有团队学习如何使用仿真来解决整个过程中的挑战。

卡雷林说:“各团队都在与时间赛跑，为2022年准备好一架飞机，所以能够模拟飞机和电池的设计将防止他们花太多时间沿着特定的路径走下去，然后不得不回头路。”“能够即时测试设计变更可以节省大量资金，这些团队当然必须明智地花钱。”