工程师问答:eVTOL飞机的崛起

我们移动的方式也在改变。随着电动动力系统取代化石燃料的交通方式，我们的出行选择正变得越来越环保。

航空在实现“净零”目标中扮演着明显而明确的角色，许多公司都提出了使用eVTOL解决方案的低碳区域旅行。

《工程师》采访了这一新兴市场的三家领先企业，听取他们对客运服务开发电动飞行的见解。

你能向我们的读者介绍一下你们在飞机认证方面的进展吗?我们什么时候可以开始商业航班?

DP:经过多年的开发和设计成熟，Joby于2018年开始了美国联邦航空管理局的正式认证项目。2020年，我们成为第一家同意美国联邦航空局为我们的飞机提供“G-1”认证基础的eVTOL制造商。该协议规定了我们的飞机必须遵守的规则，以便获得认证。我们目前正在最终确定符合这些规则的方法，并类似地调整我们的认证计划。我们预计在2022年开始符合标准的测试。初步制造已经开始，以支持型号设计飞机和生产认证。在运营方面，我们提交了第135部分航空营运申请2021年7月。我们打算从2024年开始运营商业客运服务。

问:在过去的几年里，我们一直与欧洲和美国的主要监管机构密切合作，以认证Lilium Jet以及飞行操作。2020年，我们与EASA获得了认证基础(CRI-A01)，我们正在与EASA和FAA进行同步类型的认证。我们发现，监管机构非常创新，与整个行业合作，为新型eVTOL汽车建立了适当的法规和合规手段。我们在认证时间表上取得了良好的进展，计划在2024年交付类型认证并启动。

芭:我们取得了我们最近的认证与我们的特殊适航证书联邦航空局授权我们开始测试我们的创客飞机。这一里程碑是继MIDO授权证书(COA)和飞机限制这表明“射手”将在今年年底开始飞行测试。这是在实现我们的FAA G-1问题论文:认证基础(“G-1认证基础”)。展望未来，Archer将继续与FAA合作，目标是在2024年发射商业航班。

你能向我们的读者透露一下向前飞行过渡阶段所面临的主要工程挑战吗?

芭:我们的团队正在努力解决一些有趣的工程挑战，因为我们准备在未来几年推出商业eVTOL飞行。一个显著的例子是创建一个统一的或易于操作的飞行控制方案，允许飞行员的输入是直观的，并在从盘旋到巡航飞行的飞行包线内一致行动。同样，我们也在考虑控制分配，以及当每个执行器影响多个轴的控制时，如何将飞行员命令转换为执行器命令。

在考虑整架飞机时，除了设计最小能量转换轨迹并为飞行员提供遵循它们的指导外，我们还需要对螺旋桨和机身之间复杂的相互作用空气动力学进行有效建模。最后，关于飞行中的振动和声学，我们正在研究诸如如何管理固定螺距后螺旋桨的不稳定载荷等问题。

这些是我们的工程师目前正在应对的最发人深省和令人兴奋的挑战。他们正在取得巨大的进步，我们对已经看到的结果感到兴奋。

你能向我们的读者介绍一下你们飞机上的冗余措施以及它们是如何工作的吗?

芭:乘客安全对于Archer的车辆设计和核心商业价值至关重要。我们通过简单的设计和高冗余达到高水平的安全性。我们的子系统工程团队由来自整个行业的领先人才组成，以确保我们构建一个安全的、可访问的产品。我们在设计阿彻的飞行器时，没有一个关键部件，一旦出现故障，就会导致整个飞行器的故障。这一缺陷历来限制了旋翼飞机工业的可达到的安全水平。

在悬停时，我们的飞机将能够使用12个旋翼中的10个，在巡航时，我们可以使用4个。

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此外，Archer的电池将被设计成能够容忍电池故障，包括可能导致单个电池热失控的开路或硬短路。我们已经设定了电池要求，以便任何气体都能从飞机上排出，而不是通过电池组传播。使用更小的电池也意味着电池可以继续提供高可靠性的电力，使车辆返回地面，即使一些电池已经失效。

问:Lilium Jet使用了霍尼韦尔提供的三台不同的飞行控制计算机，我们的36台独立控制发动机提供更好的控制和改进的冗余——如果一台发动机出现故障，还有其他发动机承担负载。我们的电池结构通过一个完全集成的安全系统，降低了与使用高性能锂离子电池相关的风险，该系统结合了从单个电池到电池组的电气、化学和物理安全解决方案，包括分层碳纤维和传播延迟层，以减少热失控。

https://www.youtube.com/watch?v=jqvMXoVZfDw&t=40s

我们已经装备了现有的5台^th发电技术演示与此升级的电池安全系统。这架演示机自2021年夏天以来一直在飞行，表现完全令我们满意。

DP:我们采用了一种创新的飞机配置方法，称为分布式电力推进，它允许飞机在所有系统中具有前所未有的冗余程度。我们的飞机有六个螺旋桨，每个螺旋桨都有双马达和逆变器，还有四个独立的电池组。凭借我们内部设计的先进飞行控制系统，内置冗余以及故障检测和隔离功能，飞机可以在电机、逆变器、电池组甚至整个螺旋桨站丢失后自动适应并继续飞行。这种级别的冗余和飞机的整体设计允许在螺旋桨或电池组完全故障的情况下继续安全飞行和着陆——包括常规或垂直着陆。

在飞机起飞过程中使用了多少电池容量?在需要充电之前，飞机可以进行多少负载循环(假设飞机飞行了20英里)?

DP:我们设计了我们的飞机和电池组，以实现高利用率和最小停机时间的服务。对于一个典型的20 - 25英里的旅程，我们已经证明，我们可以比乘客下飞机和重新登机的速度更快地充电。在执行任务时，飞机不需要充电就可以继续飞到下一个目的地。我们有目的地制定了一个充电解决方案，而不是每次旅行都更换电池。虽然执行垂直起飞和降落确实需要相当多的能量，但我们的飞机设计了相对较低的磁盘负载，以尽量减少必要的功率消耗。

问:在起飞过程中，我们预计只盘旋大约10-25秒，我们也假设在标准着陆阶段大约20秒。这导致在最耗电的飞行阶段，总悬停时间(在典型任务中)小于60秒。通过优化巡航飞行性能来补偿悬停时增加的动力需求，只需要1/10的悬停动力。我们预计电池的循环寿命约为800个标准充放电循环，直到80%的容量，并计划根据我们的运营预测，每年更换每架飞机上的电池2至3次。我们预计完全充电大约需要30分钟，使用MegaWatt快速充电基础设施充电80%大约需要15分钟，这是我们之前宣布的与ABB合作的项目，这将使每架Lilium Jet每天能够运行20-25次航班。

你能告诉我们的读者，为了保持适航性和保持营业收入，你们的飞机将遵守什么样的维修计划吗?

芭:Archer正在创建一个完整的eVTOL生态系统，这意味着我们将管理飞机的制造、生产和运营，包括维护和维修的所有方面。虽然我们目前无法分享关于维护时间表的细节，但创建一个可持续的、经济高效的维护系统是我们的核心重点之一，因为我们将在未来几个月继续推进首飞和获得FAA认证。

总的来说，由于我们的飞机设计和将为我们的生产车辆提供动力的电力推进系统，我们预计将降低成本和减少维护需求。通过使用电力推进，我们降低了与传统内燃机相关的大量维护成本。对于传统直升机，维护是最大的操作成本之一-一般约30%的直接操作成本-这是由大量的移动和关键部件驱动的。我们的维护成本将更低，也更可控，因为飞机的维修需求减少了，这是evtol在城市内交通方面比直升机等传统飞机的许多优势之一。

DP:由于直升机有数百个安全关键的移动部件，每飞行一小时通常需要大量的维护时间。电动马达，每个只有一个活动部件，使垂直飞行的维护密集型设计少得多。

https://www.youtube.com/watch?v=rJYSce2LEYo

基于我们从使用大量测试平台来验证和验证系统可靠性所收集到的数据，我们有信心我们的飞机将需要比旋翼飞机更少的频繁维护。当我们继续通过型号认证过程并开始与美国政府的早期操作时，我们期待进一步的验证。

问:我们估计Lilium Jet的运营成本比直升机低4到6倍，这主要是由煤油和维护成本驱动的。作为一家数据驱动型公司，我们很高兴能与Palantir合作，并认为他们的软件将对支持现役舰队的预测维护能力和进一步提高运营效率至关重要。

展望未来，你们会推出新的平台来适应自动驾驶飞行，还是会为了实现自动驾驶而改进现有的飞机?

DP:我们相信eVTOL飞机最初商业化的正确方法是通过有人驾驶的操作和现有的空中交通管制系统，这是我们目前明确的重点。虽然我们确实将自动驾驶飞行视为未来的一个机会，但目前还没有完全自动驾驶飞机获得认证或操作的途径。此外，在当前需要飞行员和空中交通管制员之间进行语音交互的系统中，需要进行重大的监管改革，以实现自主空中操作。我们的飞机已经内置了很多自主权，包括一个包络保护系统和一个简化的飞行控制方法，我们相信这将减少人为错误和飞行员的工作量。从中长期来看，我们正在努力通过在现有平台上的技术和监管进步实现自动驾驶，这将使飞行员的座位可以容纳第五名乘客。

芭:最初，我们的商用eVTOL飞机将包括一些自动驾驶功能，但将在发射时进行驾驶。我们的团队正在探索自动驾驶技术，并计划在未来的飞机迭代中加入更多的功能。

当谈到无人飞行时，一个关键的焦点是确保安全标准和乘客体验相对于我们最初的有人驾驶飞机保持不变。虽然eVTOL行业距离开始自动驾驶商用eVTOL飞机的认证过程还有一段距离，但我们的工程和设计团队正在积极研究和开发这种能力，最著名的是与Maker合作，Maker是我们的自动驾驶双座汽车，我们将其作为技术试验台。自动飞行操作是我们的长期重点之一，我们期待着在我们的第一架商用飞机成功认证后分享更多信息。

为eVTOL飞机引入自动驾驶服务的一个基本挑战是，需要与联邦当局合作，开发一个通用的系统来管理飞行路径，并确保所有参与自动驾驶汽车操作的人的安全。这种合作的努力是一项长期的事业，需要多年的发展;幸运的是，我们已经与联邦政府机构(如FAA)建立了这种关系。