電動城市空運技術發展分析

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AutoFlightX V600

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Embraer X eVTOL概念

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貝爾 Nexus

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空客Vahana

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極光自主客運飛機(PAV)

中國航空報訊:電推進是多電飛機概念后航空界迎來的一場更具顛覆性的能量革命, 從動力形式上徹底改變了傳統飛機及其能量系統。電推進技術以其高效率、低排放、低噪聲的顯著優勢,為航空界未來發展帶來了新的方向,城市空運(UAM)這一概念也借此機會成為航空領域最熱門的創新領域。

城市空運這一概念早在近百年前就已經出現,根據德國咨詢機構的研究預測,2025到2049年全球將有240個城市大規模應用飛行出租;2035年時,全球飛行出租的數量可能超過23000架。目前,空客和波音等飛機制造商、羅羅等發動機制造商、西門子等系統供應商都已投入了相關研發計劃,以應對這一新興市場的首輪競爭。

電動城市空運體系Uber Elevate及其合作伙伴

美國優步公司(Uber) 于2016年針對城市空運需求提出了Uber Elevate體系, 并于2017年和2018年連續召開了2屆Uber Elevate峰會, 旨在通過與政府、企業和學術界合作, 推出適用于城市空運的共享電動垂直起降飛行器交通服務Uber Air。該城市空運服務計劃于2020年開展測試, 并在2023年投入“按需運營”。

Uber Elevate選取了5家飛行器合作伙伴企業,分別是波音旗下的極光飛行科學公司、貝爾公司、巴西航空工業旗下的Embraer X、卡萊姆飛機公司以及蝙蝠飛機公司。

極光飛行科學公司是一家波音旗下的先進無人系統和飛行器企業。該公司已在其位于弗吉尼亞州馬納薩斯的總部進行了全面的eVTOL測試,2019年1月23日,其自主客運飛機(PAV)原型機完成首飛,由全電推進系統提供動力,設計目標是具備從起飛到著陸的全自主飛行能力,航程可達50英里(80千米);該原型機長30英尺(9.14米),寬28英尺(8.53米), 機身集成了推進系統和機翼,可實現高效的懸停和前向飛行。

貝爾公司是垂直起降飛行器領域內國際領先的供應商,擁有80多年的歷史。最近貝爾發布的V-280和V-247傾轉旋翼機是世界上最先進的旋翼機之一。在2018年國際消費電子展上,貝爾公司推出了名為Bell Nexus的混合電推進eVTOL的全尺寸模型,采用了貝爾公司標志性的傾轉旋翼設計,搭載6臺傾轉涵道風扇, 飛行器內部設計了5個座位。Nexus團隊由貝爾、賽峰、EPS、泰雷茲、穆格和Garmin組成,貝爾負責飛行器系統的設計、開發和生產,賽峰提供混合動力推進和驅動系統,EPS提供儲能系統,泰雷茲提供飛控計算機硬件和軟件,穆格負責開發飛行控制驅動系統,Garmin負責整合航空電子設備和飛行器管理計算機。貝爾正在針對有人駕駛/無人駕駛、商用/軍用、客運/貨運、全電動/混合動力等一系列不同的市場需求開發模塊化eVTOL架構。貝爾公司稱其首個飛行驗證機將專注于混合動力電動推進系統,但工程團隊將同步推進全電架構的技術研發。值得注意的是,貝爾公司的Nexus也是Uber Elevate體系中僅有的采用混電推進形式的飛行器。

Embraer X隸屬于巴西航空工業, 在Uber Elevate 2018峰會上推出了eVTOL概念,這是巴西航空工業公司首次涉及旋翼機領域,但該公司表示其擁有60余年飛機研發經驗,足以完成這一計劃。Embraer X概念飛機使用8個轉子提供垂直升力,當轉換到水平飛行模式時,升力由水平機翼提供,機尾的推進螺旋槳提供前向的動力。2019年4月新加坡亞洲旋翼機展覽上,EmbraerX表示該公司從2018年底開始,與新加坡等超過5個亞太地區監管機構進行對話,以更好地了解城市空運環境和發展期望。

卡萊姆飛機公司總部位于加利福尼亞州奧蘭治縣,是一家固定翼和旋翼飛機的開發商和制造商。在過去的15年中,卡萊姆飛機公司開發了速度優化傾轉翼技術方案(OSTR),該技術結合了固定翼飛機的速度優勢與直升機的懸停能力。該公司的eVTOL解決方案蝴蝶飛行器是一種四旋翼式旋翼飛機,使用OSTR技術實現了懸停與巡航階段的效率平衡,從而提高了整體效率。

蝙蝠飛機公司總部位于斯洛文尼亞,自2011年開始關注電動飛機技術, 憑借其Taurus G4飛機贏得了NASA的綠色飛行挑戰賽;其Alpha Electro是第一架完成取證的全電動飛機?;谄湄S富的電動飛機研發經驗,該公司正在開發一款具有差異化、低噪音推進系統的eVTOL,并于Uber Elevate Summit 2018上發布,該飛行器沒有任何可見的垂直升力轉子,這種設計與競爭對手在Uber Elevate峰會上提出的升力和巡航概念(如Embraer X) 有很大不同。

除了上述飛行器制造商伙伴外,Uber Elevate體系還擁有多個科研機構、高?;锇?,以推進城市空運技術與環境建設。NASA將參與開發無人駕駛交通管理(UTM)和無人機系統(UAS),以提高低空飛行安全性和運營效率;2020年NASA將舉辦一場城市空運挑戰賽,以測試城市空運系統的集成性與安全性。美國陸軍研究實驗(ARL)將參與同向螺旋槳的研發工作。MOLICEL公司是一家鋰離子電池開發商和制造商,將參與生產飛行器所需鋰離子電池組。佐治亞理工將參與系統安全分析和城市空中交通市場研究。

Uber Air計劃于2023年在達拉斯—沃斯堡城市間航線和洛杉磯開展商業飛行運營,在上述2條線路之外, 還與澳大利亞、巴西、法國、印度和日本的許多國際市場合作,以確定后續運營城市。該項服務的落地還需要建設完善的基礎設施,以支撐飛行器的起飛和著陸。在洛杉磯召開的第二屆Elevate峰會上,6家建筑公司展示了“Skyports”停機坪設計。

空中客車公司的城市空運計劃

空客目前正在推進2個城市空運研究計劃,分別是位于美國硅谷A3分部負責的單座Vahana以及位于德國多瑙沃爾特的空客直升機負責的4座City Airbus,均為全電推進形式。

為了協調城市空運計劃的研發, 空客于2018年創建了城市空運部(UAM),該部門位于德國奧托布倫市,靠近空客公司技術辦公室和無人駕駛航空系統部,空客直升機位于多瑙沃爾特的工廠也在附近??湛湍壳罢趯⑺谐鞘锌者\的研發活動集成到UAM部。

Vahana是由空中客車硅谷基地A3創新中心研發的全電動自動駕駛垂直起降飛機,于2018年1月31日在美國俄勒岡州彭德爾頓無人機系統基地以完全自動駕駛方式完成首飛,飛行高度為5米,隨后安全降落。2018年內,Vahana進行了50多次試飛。Vahana旨在通過利用電力推進、能源存儲和機器視覺方面的最新技術,實現全民化個人飛行,并滿足日益增長的城市交通需求。

City Airbus是一款四座垂直起降飛行器,其揭幕儀式于2019年3月11日在德國巴伐利亞州因戈施塔特舉行??湛凸烙嬜钤绲?025年該飛行器才能在慕尼黑等大城市進行商業運營。

據空客集團德國地區總裁沃爾夫岡· 肖德介紹,City Airbus的巡航速度為120千米/時,其動力由4組同軸反轉涵道風扇提供,風扇由8臺100kW電機驅動。City Airbus選用了純電動設計,以滿足低噪音、零排放的環保要求,其儲能系統總容量為110kWh,由4枚電池構成,可各自提供140kW峰值功率;最大航程為50千米,具備全自動駕駛功能。City Airbus的電機、電力電子設備由西門子公司提供,兩家公司在電動飛機領域開展了廣泛的合作,除City Airbus項目外,還開展了E Fan-X等項目合作。

據空中客車亞太城市空運戰略負責人德里克·程介紹,該公司將基于Vahana與City Airbus的經驗開展下一代eVTOL平臺的設計工作,計劃在年底前進行最終設計審查,并于1年內完成首飛。里克表示該平臺目前面臨著3個設計方面的困難,一是能量存儲技術,需要開發高能量密度的電池,以支持超過15分鐘的飛行,能量存儲是eVTOL領域最為關鍵的技術; 二是自動飛行控制系統的成熟度;三是噪音水平,空中客車公司正在開展相關工作,旨在控制飛行器的噪音水平,噪音上限為65分貝,飛行器的噪音水平會影響其在城市中可能的降落區域。

羅羅公司的城市空運計劃

羅羅公司針對個人飛行器和剛剛起步的城市空中交通市場推出了小型混合動力解決方案,公司旗下的印第安納波利斯集團基于M250渦軸發動機開發了混合動力系統,正在進行地面測試。該計劃始于2018年初,研制了1套混合動力推進系統并演示了3種運行模式-串聯混合動力、并聯混合動力和渦電。三種操作模式均已進行測試,初始的地面測試于2018年第四季度完成,今年的計劃是研究準備飛行的解決方案。這一項目覆蓋了500~800千瓦的功率范圍,是電動垂直起降的最佳選擇。

為了研究電推進的技術可行性, 羅羅公司設計出一款電動垂直起降飛機。這是羅羅公司第一次提出飛機層面的概念,概念的提出是基于M250混合動力推進系統。這款5座串聯式混合電動飛機采用了螺旋槳和傾斜機翼設計,吸收了“鷂”式戰斗機的垂直/短距起降技術的相關經驗。羅羅公司還與汽車制造商阿斯頓馬丁公司、克蘭菲爾德航空航天解決方案公司以及克蘭菲爾德大學合作,開發一種用于城市和城際航空旅行的混合動力3座飛機。該飛機被稱為Volante Vision概念機,動力系統基于M250發動機, 初步計劃于21世紀20年代中期投放市場。

除上述產品和概念之外,還有多家企業提出了電動城市空運飛行器的概念,加利福尼亞州的喬比飛機制造公司獲得了來自豐田、捷藍航空和英特爾等公司的投資,計劃在5年內推出兩座eVTOL飛行器,該飛行器裝配有12電機,動力方式為全電推進。戴勒姆公司也表現了對城市空運的興趣, 其CEO迪特爾·澤謝稱城市空運為“第三個維度的出行方式”,該公司與英特爾公司共同向來自德國布魯薩爾的Volocopter公司投資,以開發全電推進的eVTOL飛行器。Volocopter公司的驗證機Volocopter 2X于2017年首飛,該公司近期與法蘭克福機場集團簽署協議,計劃于2021年成為法蘭克福機場空中短駁服務供應商。德國初創公司AutoFlightX于2019德國腓特烈港航展發布了一種雙座型全電動垂直起降(eVTOL)技術驗證機V600,計劃在未來幾周進行試飛,該機由6個升力螺旋槳提供升力,1個推進螺旋槳提供前進動力。

城市空運發展現狀分析

通過上述各企業產品和概念的分析可見,業界對城市空運的動力形式有2種不同的判斷,以優步為代表的城市共享空運企業認為,在2023電年池技術足以滿足全電eVTOL城市空運飛行器的需求,因而在優步的飛行器合作伙伴中,僅貝爾公司的方案采取了混電推進,其余公司均為全電推進; 以羅羅為代表的傳統動力系統制造商則認為電池能量密度是一個短時間難以突破的制約因素,混合電推進將是更好的選擇,在滿足城市空運需求的同時,混合電推進也可以用于長途電推進飛機,如支線客機和干線客機。Uber Elevate提出的eVTOL飛行速度約150~200英里/時(241~322千米/時),目前的電池能量密度嚴重限制了其航程和航時,使用混合電推進可以擴大航程和航時,但會提高平臺的復雜度。

城市空運作為一個新興航空領域, 相較于傳統飛機行業,在安全性、適航認證、空域使用和空管等方面需要有相應的考慮。安全性方面,作為一種需要每天在城市上空進行大量低空飛行的空中商業運輸,城市空運飛行器需要達到相應的安全級別,安全設計是其關鍵因素。認證方面,分布式電推進、混合電推進、自動飛行控制等技術都需要特別的適航要求,目前使用仍在開發中的行業標準對這些新型飛行器進行認證。歐洲航空安全局(EASA)于2018年10月發布了eVTOL適航標準草案,用以征求意見;美國聯邦航空管理局(FAA)計劃在為這些飛行器制定新的適航類別過程中為其提出特殊條款??沼蚴褂煤涂展芊矫?,城市空運需要使用現有空管系統以外的城市低空空域,需要制定相應的管理制度和先進的空管技術,以保證飛行安全。美國計劃擴展正在開發的無人交通管理(UTM)架構,該架構用于管理低空無人機運行,使無人機能夠使用商業實體提供的空域服務?;A設施方面, 城市空運需要相應的基礎設施,包括停機坪、充電裝置、與其他交通方式的駁接設施等。

目前城市空運領域吸引了來自全球各地工業界、學術界和資本的廣泛關注,但該領域的發展尚處于非常初步的階段,面臨著廣泛的技術、運營和政策挑戰,一方面飛行器、新型空管等技術尚不成熟;另一方面政府和監管機構需要相應指定政策、法規, 這一行業未來的發展取決于制造商、運營商和監管機構的共同努力。

責任編輯:助理編輯 白雪

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