eVTOL需要什么样的螺旋桨?

tomcrools

2023年8月9日，英国eVTOL司Vertical在对VX4机型开展飞行测试时，出现坠毁事故。英国航空事故调查局（AAIB）在后来的事故调查报告中提到，造成事故的直接原因是3号电机的一个叶片脱离，紧接着巨大的不平衡使得整个电机安装短舱出现结构失效，整机无法保持姿态和高度。而事故的根本原因是桨叶壳体与桨叶内部主梁的粘接剂出现失效，使得桨叶壳体在离心力作用下从主梁上脱离。Vertical称后续会引入第二个螺旋桨生产供应商，替换目前的供应商。

Vertical VX4坠毁后的现场图片



此前，Joby S4也出现过桨叶脱离导致的坠机事故（倾转旋翼飞机的开发难点：过渡飞行）。这些事故表明，螺旋桨是eVTOL开发中至关重要的一部分，也是未来整机做适航认证时重点关注的部件。目前FAA和EASA还没有出台正式的关于eVTOL整机或部件的TC/AC认证条例。但是2024年6月，FAA发布了关于eVTOL型号认证（TC）的咨询通告。通告中对电机、螺旋桨等部件做了非常详细的规定。前一篇推送分享了咨询通告中电机相关的细则（eVTOL需要什么样的电机？）。本文主要分享其关于eVTOL螺旋桨的相关要求，供大家参考。

在螺旋桨认证测试中，如果出现了一个失效点，申请人必须确定失效原因，并评估对适航的影响。同时，申请人必须对该失效进行设计改进，并增加局方认为有必要的额外的测试。
螺旋桨产生危害性影响的概率不应大于每飞行小时。产生危害性影响故障包含：螺旋桨产生过大阻力；产生和控制指令相反的推力；出现桨叶整体脱离或者主要部分脱离；出现会导致极大离心力不平衡的故障。根据经验或者实际测试，必须保证螺旋桨的材料在服役的不同环境条件下都满足适用性和耐久性。所有的材料和制造方法必须符合局方的规范。材料特性的设计使用值必须低于该材料在服役环境中最严苛环境下的属性值。申请人必须提供必要的测试物品和测试设备，并按照21部14 CFR中的测试项目完成所有测试。在所有的测试中，只允许维护和小修。任何大修或者部件更换必须得到局方的批准。测试中的任何计划外的维修或其他动作都必须被记录和报告。在螺旋桨离心力载荷测试中，申请人必须证明不会出现失效、故障以及会产生危害性影响的永久变形。离心力测试包含：

桨毂、桨叶夹持系统以及配重必须能够承受实际工作中出现的最大离心载荷数值的两倍，并且以该载荷连续运行1小时。螺旋桨的附属配件，比如桨毂罩、防除冰/防腐蚀装置等，能够承受实际工作最大转速对应离心力载荷的159%，测试持续30分钟，或者基于测试给出分析。


申请人必须通过测试或者分析证明，螺旋桨的关键部分在关键飞行阶段能够承受住4磅重的鸟撞冲击，而不会产生危害性影响。

对于桨毂、叶片、桨叶夹持结构组件等，必须通过测试和基于测试的分析确定其疲劳极限。疲劳极限测试必须包含服役周期内所有正常的振动和循环载荷；可预见的使用条件恶化、材料退化、制造变化以及环境的影响。

申请人必须通过测试或者基于测试的分析证明，螺旋桨可以承受雷击而不会产生危害性影响。

耐久测试：对于定距螺旋桨和地面螺距调节螺旋桨，需要满足50个小时的飞行测试。螺旋桨处于爬升功率和转速的时间不低于5小时，剩余时间的转速和功率也不低于该值的90%。或者采用地面测试：按照爬升功率和转速运行50个小时。对于变距螺旋桨，需要进行110个小时的耐久测试，测试工况包含：5个小时的爬升功率转速运行和10分钟周期循环测试。循环测试包含加减速、怠速、最大转速连续运行等。

超速运行和超扭矩测试：当申请人申请进行短时间的超速和超扭矩运行时，必须能证明在通过以下测试后，螺旋桨可以不经过运维动作而继续使用。具体测试方法为：进行超速或者超扭矩运行20个循环，每个循环持续30秒。或者可以通过测试或者使用经验分析给出结论。

Archer Midnight电机及螺旋桨

关于螺旋桨的认证要求，FAA的咨询通告里有更详细的描述。本文没有一一摘录，建议大家阅读原文。FAA发布的草案可通过以下链接获取，螺旋桨部分位于Subpart J（P49-P57）https://www.faa.gov/aircraft/draft_docs/ac 也可以后台回复：FAA，获取原文。

电机部分推送：
eVTOL需要什么样的电机？