通過模擬技術，讓空中競賽的未來電氣化

作者：Ansys Advantage 員工

可以說，這是世界上最令人興奮的賽車運動之一，已經存在了一個多世紀，但你可能從未聽說過它。

想像一下，八架輕巧的單座電動螺旋槳飛機同時起飛，飛行至 30 英尺的高度，並在 3 英里的橢圓形賽場上，以高達每小時 250 英里的速度並肩競速，您將會感受到激烈空中競賽帶來的空前刺激。自2013年以來，航空比賽一直由Air Race Events的執行長Jeff Zaltman全球推廣。Air Race 1自2015年起擔任世界冠軍賽，並不斷壯大。

就像汽車 Formula 1 等其他頂級賽車運動一樣，空中競賽也為尖端技術提供了一個試驗平台。隨著永續性的重要性日益增加，正如 Formula 1 以 Formula E 系列創造出電力版賽事，Zaltman 推行了 Air Race E，在這種競賽中，飛機 100% 使用電力，以協助加速航空業變得更加永續的努力。Ansys 是 Air Race E 的官方模擬軟體合作夥伴，為有競爭力的團隊提供模擬軟體、訓練和諮詢。

Ansys通過提供全面的多物理模擬工具來推進飛機電氣化技術的發展，以應對車隊面臨的一些最棘手的工程挑戰，包括電池和電池管理系統、功率電子學、電動馬達以及將電動動力系統整合到機身中。對某些團隊來說，這涉及從零開始設計整架飛機；對其他團隊來說，這意味著將這些電力系統整合到現有的飛機結構中。

「這些團隊需要在極短的時間內，從一個想法進展到準備好比賽的飛機。「模擬是加快設計和開發過程的唯一方法，以使他們的電動飛機能夠在2021年下半年的首個資格賽中獲得飛行認證。」Ansys技術客戶經理羅伯托·比富科（Roberto Bifulco）表示，他負責協調Ansys參與這場比賽。「我們的軟體可以幫助他們實現此一目標，我們也可以從他們需要解決的問題中學習，因此這是雙贏的結果，也是 Ansys 決定支援 Air Race E 的原因之一。」

Nordic Air Racing 團隊和他們正在建造的 Air Race E 飛機合影。圖像由 Nordic Air Racing 提供

空中競賽打造電動未來

第一場空中競賽是 1909 年在法國舉行的 Prix de Lagatinerie，剛好是萊特兄弟於 1903 年在北卡羅來納州基蒂霍克進行首次受控重體飛行的 6 年後。空中競賽從此即一直以各種形式進行，通常是一次只有一架飛機對上時間的比賽。

Zaltman 於 2013 年創立了 Air Race 1 World Cup。他於 2014 年主持首屆競賽，並於 2015 年主持第一屆 World Cup of Air Racing。團隊以小型單座螺旋槳 Cassutt Special 飛機比賽，他們會在特定參數範圍內修改這些飛機，嘗試取得優勢。 

在 Air Race E 中，規則規定每個團隊必須使用的平台。對於飛機之機體、機翼和重量的要求與 Air Race 1 相同。通過將內燃機替換為電動動力，電池的規格包括功率不超過150千瓦（在30秒內可提供額外25千瓦的增壓容量）和最大電壓為800伏特。在一場4圈、25公里（15.5英里）的比賽中，電池必須能夠在全功率下運行5分鐘，並具有10分鐘的最低功率備用時間。目標是整個動力系統的重量不超過 180 公斤。

TeamNL 以1:10的比例3D列印了這個模型飛機。

處理技術挑戰的兩種方法

Air Race E 技術專案經理 Dmitri Karelin 表示：「設計一架勝利的飛機並不是一件很簡單的事情。你不能只追求最大的功率，然後說，噢這應該夠了。最強大的馬達需要更大的電池，這增加了重量，可能會使你的飛機比另一個使用較小的馬達和較小、更輕的電池的團隊的飛機更慢。」

基於這些考量，規則範圍內的設計變化還有很大的進步空間，每個團隊將以不同的方式應對挑戰。

Zaltman 在 2018 年推出 Air Race E 時，吸引了一些已經在 Air Race 1 競賽中使用化石燃料動力飛機參賽的團隊，但他也引起以前從未參加過空中競賽的人的興趣。這創造了兩種不同挑戰的團隊：改裝者和全新設計者。

由於模擬對許多競賽參與者來說是全新方式，而他們習慣針對新設計進行實體測試，因此 Ansys 於 2021 年 1 月舉辦網路研討會，向所有團隊介紹他們可以存取的模擬功能，以及如何使用這些功能來克服其中一些挑戰。我們與兩支採用不同方法的團隊交談，看看他們的進展如何。

改裝

挪威的 Nordic Air Racing 整合兩個組織：Electric Aircraft Propulsion 與 Equator Aircraft。該團隊目前有 10 名成員，包括志願者。Nordic Air Racing 團隊工程師 Sathvik Rao 說：「我們希望探索更高層次的電動航空，而 Air Race E 為我們提供了這樣做的機會。」「透過參加空中競賽，你可以學到很多，並分享你關於每個團隊面臨並嘗試解決之常見問題的知識。這就是我們的心態。電動航空處於初始階段，現在必須在基礎上加以培育。」

左：電池模組間的氣流分佈。右：單電池模組中的靜態溫度分佈。圖像由 Nordic Air Racing 提供

Nordic Air Racing 事先沒有空中競賽經驗，因此購買了一架二手 Cassutt Special 飛機來改裝。Rao 指出了他們面臨的五大挑戰：

• 打造更長、更薄的機頭，以變更飛機的外部幾何
• 平衡飛機重心，因為他們將相對重的內燃機換成輕上許多的電動機
• 決定冷卻馬達和電池的最佳方式，這兩個都位於機身的引擎室中
• 開發複合材料式馬達室，讓飛機變輕
• 最佳化電池設計和效能

Nordic Air Racing 使用 Ansys Mechanical 和 Ansys Fluent 來修改飛機的前端，以瞭解他們可以讓機身上方的層流維持多遠，並將整體阻力值降至最低。他們也使用 Mechanical 分析重心問題。他們選擇通過整個熱系統進行空氣冷卻，使用一個蓋罩或空氣進氣口放置在螺旋槳擺輪中心，這將使空氣能夠進入和離開系統，而不會產生過多的冷卻阻力。Fluent 有助於他們分析此區域的氣流。Ansys Composite PrepPost 將用於開發複合材料馬達室。

這樣就只剩下將電池效能最佳化的挑戰。Karelin 說：「你可以與任何電氣化產業的工程師交流，並問問他們面臨的主要問題。」「大家都會怎樣回答你？『是電池。』電池永遠是系統的最大挑戰，是最危險和最複雜的部分。這是因為電池不能受損，而且在飛行時不能過熱。這是安全問題。因此，團隊將依賴模擬。」

雖然 Rao 以前曾在空氣動力學工程研究和論文中使用過 Ansys 模擬解決方案，為他提供了 Fluent 熱流分析的一些背景，但他還是 Ansys 電子產品和電池模擬解決方案的新手。這對他來說是很有啟發性的經驗。Rao 說：「我很驚訝地看到 Ansys 軟體如何整合任何領域的每個參數要求，如電流、電壓、溫度分佈和電池的結構可靠度」。他期待在不久的將來於 Nordic Air Racing 處理電池挑戰時，能夠利用這些模擬功能。

為電動飛機供電的電池組體積網格劃分。  圖像由 Nordic Air Racing 提供

從頭打造

如果你沒有一架飛機作為起點，顯然你面臨更多的工作。荷蘭的TeamNL，目前有四位成員，他們並沒有因此而停下腳步。TeamNL 首席工程師兼長期滑翔機飛行員 Rick Boerma 說：「我們只是想要徹底投入並設計一架飛機，這樣我們就可以完全正確地整合它。」「我們決定將電池整合到機翼中，然後將馬達與飛機結構整合，以避免必須更動現有飛機結構得整體重量和整體平衡。從零開始有時是一項優勢。」

Boerma 熟悉 Ansys 軟體，但以前沒有使用過。他說：「當 Ansys 決定贊助 Air Race E 時，他們問我們是否要使用這個軟體。」「如果有人提供我們這麼好的方案，誰有辦法拒絕呢？」  

TeamNL 將挑戰視為「一項大型封裝最佳化工作」。由於他們的團隊規模不大 (歡迎更多的志願者！)，且時間和金錢都不足，因此他們必須選擇可以負擔的最佳組件，並以最有效的方式加以整合。Boerma 表示他們想要盡可能降低飛機的重量，但為了達到快速飛行的動力，卻需要一個大電池。如果使用兩個小型電池，則電流負載會過高。因此，他們使用的是相對重的電池，並試圖找出適合的體積和重量。

他們使用 Ansys Discovery 來開發飛機結構，並使用這些重量負載來取得正確的重心。Boerma 說：「Discovery 能做到的事情相當驚人。」「我真的很期待親手使用。速度飛快並可輕鬆搭配整合的 Ansys SpaceClaim 使用，這真的很棒。你可以產生幾何，如果你不喜歡某個鑽孔，只要將其填滿即可，五秒後就會看到新的應力分佈。我甚至可以進行拓撲最佳化，來得到正確形狀。」

只要按幾下滑鼠，就能將在 Discovery 中取得的幾何匯出至 Ansys Mechanical，因此他們會使用 Mechanical 來提供額外的百分之幾的準確度，以確保設計安全。Boerma 說：「競賽飛行員總是希望讓機器超越極限。」「但安全絕對是航空的首要任務。當然，我們希望越快越好並贏得比賽，但第一要務是讓飛行員安全回到地面。」

空中競賽的未來

Air Race E 初賽預賽將於 2021 年上半年舉行，屆時將有準備就緒的電動飛機團隊參加。已有16支團隊報名參加這項比賽，但如果您想組建自己的團隊，仍然有時間參與其中，因為Air Race E將在2022年計劃的世界電動航空競賽冠軍賽之後繼續發展。Ansys 專家將到場協助所有團隊學習如何使用模擬來解決他們在整個過程中遇到的挑戰。

Karelin說：「團隊正在與時間賽跑，以在2022年之前準備好一架飛機，因此能夠模擬飛機和電池設計將防止他們花費太多時間沿著特定的路徑前進，然後不得不倒退，」「能夠立即測試設計變更是一個很大的省錢方式，而這些團隊必須明智地花費他們的資金。」