仿真助力推动航空竞赛实现电气化未来

作者：《Ansys Advantage》杂志编辑室

这可以称得上是世界上最激动人心的竞赛，尽管其历史已经有一百多年，但您可能还未听说过它。

试想一下，八架紧凑型单座电动螺旋桨飞机同时起飞，升至大约30英尺的高空，并以高达250英里的时速围绕3英里的椭圆形赛道进行“比翼齐飞”的比赛，让您体验到航空竞赛带来的肾上腺素飙升的兴奋感。自2013年以来，Air Race Events首席执行官Jeff Zaltman一直在全球范围内倡导航空竞赛，其从2015年开始举办的Air Race 1锦标赛一直是世界航空竞赛领域的重要赛事，并保持着强劲的发展势头。

就像一级方程式赛车等精英赛车运动一样，航空竞赛为前沿技术提供了良好的测试台。随着可持续发展的重要性日益提升，正如一级方程式赛车通过其E级方程式系列衍生出了电动车竞赛一样，Zaltman也推出了Air Race E，该竞赛中的参赛飞机均为100％全电动飞机，以帮助推动航空行业更快地实现可持续发展。作为Air Race E的官方仿真软件合作伙伴，Ansys为参赛团队提供仿真软件、培训和咨询服务。

Ansys旨在帮助推进飞机电气化先进技术的发展，其通过提供综合全面的多物理场仿真工具，帮助参赛团队应对所面临的一些最严峻的工程挑战，包括电池和电池管理系统、电力电子、电机，以及电气化传动系统与机身的整体集成。对于一些团队而言，这意味着从零开始设计整个飞机；对于其他团队，则意味着将这些电动系统集成到现有的机身中。

负责协调赛事支持工作的Ansys技术客户经理Roberto Bifulco表示：“这些团队需要在极短的时间内，将脑中的构思转变成一架能够参加比赛的飞机。仿真是加速其设计和开发流程的唯一途径，这样他们的电动飞机才能及时获得飞行认证，参加定于2021年下半年举行的首届预选赛。Ansys软件可以帮助他们实现这一目标，同时我们也可从他们需要解决的问题中汲取经验，所以这是一个双赢的结果，也是Ansys为Air Race E提供支持和赞助的出发点之一。”

北欧航空竞赛机队与他们正在建造中的Air Race E飞机合影。图片由北欧航空竞赛机队提供

航空竞赛打造电气化未来

1909年，首届航空竞赛Prix de Lagatinerie在法国举行，距1903年莱特兄弟在北卡罗来纳州基蒂霍克实现重于空气的受控飞行器的首次飞行仅6年时间。从那时起，各种形式的航空竞赛如火如荼，而这些竞赛通常一次只有一架飞机竞速飞行。

2013年，Zaltman创立了Air Race 1世界杯。随后，他负责举办了2014年的首届比赛和2015年的第一届航空竞赛世界杯。参赛团队驾驶的是小型单座螺旋桨驱动的Cassutt Special飞机，该飞机根据特定参数进行改装，以获得竞争优势。 

在Air Race E竞赛中，比赛规则规定了每个团队必须使用的平台。该竞赛对飞机的机身、机翼和重量的要求则与Air Race 1竞赛的要求相同。内燃机被电力所替代，电池的规格包括功率不超过150千瓦（在30秒内可提供额外的25千瓦升压能力）、最大电压为800伏。在一场赛程为4圈，即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，并在最小功率的备用状态下保持运行10分钟。设计目标是，让传动系统的总重量不超过180千克。

TeamNL团队以1:10的比例利用3D打印制作出该模型。

应对技术挑战的两种方法

Air Race E技术项目经理Dmitri Karelin表示：“设计一架能够制胜的飞机并非易事。不能只追求最大功率，然后就觉得胜券在握了。最强大的电机需要体积更大的电池，这会增加重量，并可能导致您的飞机将落后于其他团队的具有更小电机和更小、更轻电池的飞机。”

鉴于这些权衡，比赛规则中留有很大的设计变化裕量，每个团队将以不同的方式应对挑战。

当Zaltman在2018年推出Air Race E时，他吸引了一些已经在Air Race 1比赛中驾驶化石燃料飞机参赛的团队，同时也激发了之前从未参加过航空竞赛的人们的兴趣。这就产生了两类面临不同挑战的团队：改装团队和从零开始构建的团队。

对于许多习惯在新设计中开展物理测试的参赛者来说，仿真是一项新兴技术，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使用的仿真功能，以及如何使用这些功能来克服上述的一些挑战。我们与两个采用不同方法的团队进行了交流，以了解他们的进展情况。

飞机改装

挪威的北欧航空竞赛机队联合了两个组织：Electric Aircraft Propulsion和Equator Aircraft。该团队目前有10名成员，其中包括志愿者。北欧航空竞赛机队的工程师Sathvik Rao表示：“我们希望在更高的水平上探索电动航空，而Air Race E为我们提供了实现这一目标的机会。通过参加航空竞赛，您可以学到很多东西，分享自己对每个团队所面临的常见问题的见解，并尝试解决这些问题。这就是参赛理念。电动航空正处于起步阶段，现在的重点是打下坚实的基础，并不断发展壮大。”

左图：通过电池模块的空气分布。右图：单个电池模块的静态温度分布。图片由北欧航空竞赛机队提供

由于之前没有航空竞赛经验，北欧航空竞赛机队购买了一架二手Cassutt Special飞机进行改装。Rao指出了他们面临的五大挑战：

• 通过被改装成更长、更薄的机头来改变飞机的外部几何结构
• 由于需要将笨重的内燃机替换成更轻的电机，因此需要平衡飞机的重心
• 确定如何以最佳方式对部署在机身发动机舱内的电机和电池进行冷却
• 开发一种复合动力舱，使飞机变得更轻
• 优化电池设计和性能

北欧航空竞赛机队使用Ansys Mechanical和Ansys Fluent对飞机机头进行修改，以了解其能够在多大程度上保持机身上空的层流，并最大限度地降低整体阻力值。Mechanical也可用于分析重心问题。他们选择通过整个热系统进行空气冷却，即在螺旋桨轮毂中使用整流罩或导气罩，以便让空气流入和流出系统，而不会产生太大的冷却阻力。Fluent可帮助他们分析该区域的气流。Ansys Composite PrepPost将被用于开发复合动力舱。

另一项挑战便是优化电池性能。Karelin表示：“您可以与任何电气化相关行业的工程师交流，并询问他们所面临的主要难题。每个人都会给出这样的答案，‘那就是电池。’电池始终是系统中最具挑战性、危险性和复杂性的组件。这是因为在飞行过程中，电池既不能被损坏，也不能出现过热现象。这事关安全问题。因此，这些团队将依靠仿真技术来解决电池难题。”

虽然Rao之前在其空气动力学工程研究和论文中使用过Ansys仿真解决方案，这为他积累了一些Fluent热流分析的背景知识，但他对Ansys电子和电池仿真解决方案还比较陌生。因此，这一次的经历让他大开眼界。Rao表示：“当我看到Ansys软件如何将不同领域的每个参数要求集成在一起时，例如电流、电压、温度分布和电池的结构可靠性，我真的非常惊讶。”他期待在不久的将来，北欧航空竞赛机队能够利用这些仿真功能解决电池难题。

为电动飞机提供动力的电池组体积网格划分。  图片由北欧航空竞赛机队提供

从零开始构建

如果一开始没有飞机，显然会有更多的工作需要完成。荷兰的TeamNL团队目前有四名成员，但他们并没有因此而放弃。TeamNL团队首席工程师、资深的滑翔机飞行员Rick Boerma表示：“我们希望能够全力以赴设计出一架飞机，这样我们就可以正确地将它进行集成。我们决定将电池集成到机翼中，然后将电机与机身集成，以避免在重量和平衡方面修改现有机身。从零开始有时也是一种优势。”

Boerma了解Ansys软件，但之前从未使用过。他表示：“当Ansys决定赞助Air Race E时，他们问道，‘你们想用这个软件吗？’。如果把这样的好事摆在我们面前，谁会拒绝呢？”  

TeamNL团队将该挑战视为“一项大型封装优化任务”。由于他们的团队规模较小（欢迎更多的志愿者加入！），时间和资金都很紧张，因此他们必须选择能负担得起的最佳组件，并以最有效的方式将它们组合在一起。Boerma表示，他们希望尽可能减轻飞机重量，但要获得竞速飞行所需的动力就需要一块大电池。如果使用两块小电池，电流载荷就会过高。因此他们使用相对较重的电池，然后试图让其满足体积和重量要求。

他们使用Ansys Discovery来开发飞机的结构，并在这些重量载荷下实现合适的重心。Boerma表示：“Discovery的功能令人惊叹。我非常期待能够用上它。它不仅速度很快，而且与Ansys SpaceClaim集成的易用性真的非常棒。您可以创建一种几何结构，然后，如果不喜欢某处的孔，就可以将其填充，五秒钟后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，即可将Discovery中获得的几何结构导出到Ansys Mechanical，因此他们将使用Mechanical来提供额外的精度，以确保得到安全的设计。Boerma表示：“参赛飞行员总是想要突破限制，变得更快更强。但毋庸置疑，安全性是航空业的重中之重。当然，我们希望以尽可能快的速度飞行，争取赢得比赛，但首要任务是确保飞行员重返地面。”

展望未来的航空竞赛

Air Race E的初始预赛将于2021年下半年举行，届时各团队将准备好用于参赛的电动飞机。目前已有16支团队报名参加比赛，但如果您想组建自己的团队，那么仍然有时间参与比赛，因为在计划于2022年举办的世界电动飞机锦标赛之后，Air Race E还将继续举办。Ansys专家将在现场帮助所有团队学习如何使用仿真来解决他们在整个过程中遇到的挑战。

Karelin表示：“各团队都在争分夺秒地为参加2022年的竞赛准备飞机，因此如果能够对飞机和电池的设计进行仿真，将避免他们遇到障碍后再回头重来、耽误大量的时间。同时，立即测试设计变更的功能可以节省大量资金，这些团队必须要把钱花在刀刃上。”