eVTOL的前景

基于电池动力服务于城市的eVTOL整机开发在假定条件下显然是可行的，但重点也在这里，即你是否有能力实现这些假定的条件，或者对假定的条件有相对准确的趋势预判。通常对愿景的描述体现了创始团队的洞察力和冒险精神，而推动自身和环境要素发生改变则需要的是团队真实力，前者愿景可以描述为质变，而后者要素变化可以理解为量变，现在大部分所做的工作都属于后者量变，所以如果你在具体工作中发现距离希望实现的愿景相差甚远，请不要灰心，因为人类当前的能力水平，通常都无法满足当前的野心，只要量变能支撑实现十分之一个愿景都是巨大的进步。

 

设计飞行300英里的飞机目前用于各种应用，包括乘客和货物的运输。城市空中交通（UAM）已经成为一个平台，可以改变城市地区的交通，取代地面服务。eVTOL飞机使用没有跑道的“垂直机场”开展运行，因此特别适合城市环境。与地面替代方案相比，eVTOL飞机还提供了两倍至六倍的点对点移动速度。由于UAM的这些特性，2021年全球调动了数十亿美元的巨额投资。飞机的电气化使分布式电推进成为可能，因为与内燃机不同，电机效率和功率密度是不会随尺寸变化。可以使用大量小型电机来代替传统的基于燃烧的推进结构，这些结构具有几个相对较大的推进单元。分布式推进显著降低了阻力，而电机的效率比燃烧发动机高约两到三倍，从而使电动飞机的总体效率显著提高。

 

在过去几年中，由于锂离子电池的比能量和功率的提高，出现了几种新型eVTOL飞机设计有三大类：1）多旋翼飞机，类似于直升机，但多旋翼分布在飞机上，通常没有固定翼；2） 升力加巡航（复合翼），其中一组旋翼用于起飞和着陆（垂直飞行），另一组用于巡航，通常带有固定翼；3）矢量推力，通常是固定翼飞机，其中飞机的推力可以通过操纵推力方向用于实现垂直和向前飞行。矢量推力可进一步分为倾转旋翼，其中用于垂直飞行的旋翼通过用于前向飞行的旋转轴倾转；倾转翼和倾转涵道也属于矢量推力。垂直飞行中的功率需求受到“桨盘载荷”设计参数的强烈影响，该参数是MTOM与总旋翼的比值，水平飞行功率要求受“升阻比”（L/D）的影响。多旋翼和旋翼盘总面积较大的飞机，导致较低的桨盘载荷，起飞和着陆所需的功率较低。另一方面，具有较低总旋翼盘面积的设计需要较高的垂直飞行功率。具有大旋翼的多旋翼会导致阻力增加，从而导致巡航过程中的高功率要求。具有机翼的飞机在巡航过程中提供升力，在水平飞行中具有更高的能量效率。

 

尽管由于设计参数（如桨盘载荷或L/D比）导致的功率要求有所不同，但在所有EVTOL设计中，具有相当大垂直分量的起飞、着陆和悬停航段的单位英里行驶能耗远高于巡航航段。因此，一次飞行每单位英里的总能耗与垂直飞行所花费的时间成正比。对于固定起飞和着陆段，一旦飞机达到规定的飞行高度，随着巡航距离的增加，飞行中每单位英里的总能耗通常会降低（在一定巡航速度下为最佳值）。先前的研究使用了固定值作为参数，导致估计无法描述几种新的飞机设计。为了比较电动汽车（EV）和EVTOL飞机的能源效率，需要考虑两种模式之间的某些差异。eVTOL覆盖点对点距离，没有曲折，而EV在道路上行驶，路径迂回，导致相同点之间覆盖的距离更长。先前的研究表明，全球迂回系数介于1.12和2.10之间，而美国的平均路线迂回系数约为1.20。另一个重要因素是乘客数量或车辆承载的有效载荷量。在美国，包括摩托车、汽车和轻型卡车在内的轻型车辆的平均占用率在过去10年中为1.67。因此，在这种情况下，比较能量效率的适当度量是每单位距离每单位有效载荷的能量消耗。

 

总共选择了五架eVTOL飞机作为eVTOL不同设计方向的代表：1）Kitty Hawk的Heaviside（倾转旋翼），2）Joby Aviation （倾转螺旋桨），3）Lilium Jet（倾转涵道），4）Beta的Alia-250（复合翼），5）Archer Aviation；它们设计为分别行驶100、150、172、288和60英里时携带一名、五名、七名、六名和两名乘客（包括飞行员）。

 

结果和讨论

 

所考虑的所有飞机上，巡航段的长度随着飞行距离的增加而增加，效率显著提高。对于单个乘客而言，飞机越大的能耗通常较高，Lilium Jet>Beta Alia-250>Archer Maker≈Joby 5座>KH Heaviside。Lilium Jet使用涵道风扇，由于桨盘载荷较高，导致垂直飞行的能耗较高，但随着巡航长度的增加，和其他飞机相比，由于其高效的巡航段能耗会快速下降。下图描述了五架飞机与地面电动汽车和内燃机汽车（ICEV）的能耗比较。假设电动汽车和ICEV在分析的行驶距离上具有固定的空座率，并在单个、最大和预期占用率下进行电动汽车和ICEV的估计。在中等占用率下，所有五架飞机在设计航程中的效率都高于预期的ICEV（1000 Wh/乘客英里）。在全占用率和设计航程中，所有飞机的效率都更高，或等同于完全占用率的ICEV的效率（420 Wh/乘客英里）。超过20英里时，无论考虑ICEV占用率如何，KH Heaviside总是比ICEV效率更高。在比较电动汽车与五架飞机的效率时，发现单乘客KH Heaviside的效率更高，一架满载的Joby、Beta Alia-250和Lilium Jet在其设计飞行范围内的能耗分别为156、161和218 Wh/乘客英里，均低于223 Wh/乘客公里的预期EV。这是eVTOL飞机的一个重要能源效率里程碑，突出了通过固定翼巡航可以实现的巨大效率增益。如前所述，现代eVTOL飞行器的一个关键有利因素是电池组。在过去十年里，锂离子和相关电池化学物质的性能和成本都有了巨大的进步。然而，早期对eVTOL飞机的研究包括电池比能量假设和不考虑比功率，从而忽略了飞机设计参数和电池要求之间的相互作用。考虑到现代飞机中存在的先进热管理系统，一些eVTOL制造商提出了设计与其他机载系统集成的电池包和管理系统的方法，从而提高了包装级别的比能量。电动飞机的MTOM可大致分为三部分：1）有效载荷、2）电池重量、3）占飞机结构、机身、推进系统和其他机载系统重量的空重量。

 

不同VTOL飞机和地面汽车的能效。菱形标记表示预期EV和ICEV，占用率为1.67。所有eVTOL飞机的能量消耗估计为150英里/小时的巡航速度，比同等地面汽车快六倍。单乘客KH Heaviside的能耗是占用率保持不变，随着巡航段长度的增加，能耗降低。对于超过70英里的飞行距离，完全占用率的eVTOL相当于比完全占用率的ICEV更节能，而100英里后的能耗与预期EV（223 Wh/乘客英里）相似或更低。

 

探索了由五架eVTOL飞机的航程和起飞/着陆功率需求定义的电池组比能量和特定功率需求。电池组特定能量需求使用0.5空重比（EWF）进行估算，以便于将电池组重量用于结构和其他共享功能。估算结果使用0.45和0.55的EWF不确定度边界显示，作为横坐标误差条。较低的EWF为电池提供了更多的重量分配，从而降低了所需的电池性能指标。与其他设计相比，像Lilium Jet这样具有高桨盘载荷的飞机需要更高的起飞、着陆和悬停功率。再加上高MTOM，Lilium Jet的比功率要求远高于其他飞机。更长的飞行距离需要更大的电池组，从而导致Beta Alia-250等飞机的比能量要求更高。另一方面，Archer Maker等低距离飞机需要更低的比能量，而这种设计在当前的锂离子电池中是可行的。通过检查每架飞机所需比能量的增加，可以观察到EWF的重要性，以适应0.55的较高EWF。在只有50%的电池组提供着陆所需总功率的情况下，功率的不确定性限制说明电池组部分故障的可能性。EWF和电池组故障对特定能量和功率要求有强烈的影响表明，法规可以在确定EVTOL飞机的技术可行性方面发挥重要作用。比功率是eVTOL更关键的性能指标，决定了EVTOL能否安全起飞和着陆。另一方面，比能量确定eVTOL的飞行范围。还应注意的是，下图未对性能退化作出规定，并且考虑到着陆能力是安全的关键，这些值可被视为寿命结束时所需的最低性能，特别是比功率要求。图中未反映与着陆期间高功率要求期间电池性能相关的其他方面，相关讨论可在其他地方找到。总体分析中，发现通过对现有锂离子电池的适当改进，几种eVTOL设计可实现上图中所示的有前景的能效，而充电和寿命性能需要进一步研究。从电池技术的角度来看，这突出了eVTOL飞机的技术成熟度。

 

在EWF为0.5时分析的飞机电池包比能量和比功率要求，其中横坐标误差条表示在EWF 0.45和0.55时的估计值。电池大小假设最大航程的巡航速度为30分钟。纵坐标误差条显示了一半电池组出现故障时的着陆功率要求。迄今为止，已开发的电池组显示并标记为灰色菱形。“当前锂离子”代表大规模生产的电池；“新颖/原型锂离子”表示最近开发的化学和设计电池，或用于高性能应用；“高级”表示尚未上市的电池包设计。标有“实验”的灰色正方形显示唯一实验性eVTOL电池。

 

在简短的报告中讨论了两个主要细节：1）与地面汽车相比，eVTOL的能源效率；2）与当前电池技术状况相比电池的需求。电池需求方面的技术准备就绪，eVTOL飞机有望在更快的旅行时间内实现比同等地面汽车更高的能源效率，这会对城市交通的排放强度和可持续性产生了巨大影响。