热点 2020-05-06 10:05

电动飞行器技术发展近况

远航 摘自 本站

引言:4月27-28日,本站连续发布了两条信息“美国多家公司为空军‘敏捷至上’电动飞机项目设计无人机方案”和“挪威赤道飞机公司开发全电动两栖系列飞机”,将电动飞机的发展又带入了人们的视野。

一分钟数据扫描

  • 从事技术国家:美国,挪威,法国,韩国,日本,德国,以色列,新加坡,新西兰等
  • 从事技术公司:美国NASA,贝尔公司,波音公司,XTI公司,Sabrewing飞机公司,Elroy航空公司,AirMap,Beta Technologies,Joby Aviation,霍尼韦尔公司,Alaka'i技术公司,Spirit(斯普利特),优步,ASX公司,Wisk公司,LIFT aircraft,Transcend Aerospace,普惠公司,柯林斯航宇公司,空客公司,挪威赤道飞机公司,法国VoltAero公司,德国Lilium公司,德国Volocopter公司,日本泰特拉航空公司,韩国现代汽车公司等
  • 应用领域:军用(运输/后勤保障),民用(城市/城际空运,其他安全应用)
  • 在研机种:固定翼,垂直起降飞行器,无人机
  • 动力类型:全电、混电(混合动力)、(氢)燃料电池
  • 未来几年,电动垂直起降(eVTOL)飞机概念将有望实现商业化
  • 在未来几十年中,执行商业飞行的eVTOL飞机规模可能多达10万架,新兴的城市空运市场总规模可能达到5000亿至2万亿美元。
  • 到2025年,将有大约3000架eVTOL客运无人机从事空中出租和机场班机服务
  • 至2050年将有9.8万架此类无人机用于空中出租、机场班机和城际服务。

随着对“二氧化碳减排”需求的全球化趋势,“绿色航空”早已成为航空业界发展的一个永恒主题。同时,随着短距或城市空运需求的增长,电动飞行器尤其是垂直起降类飞行器技术在最近几年得到了快速发展,这类飞行器多以倾斜涵道风扇设计为主,并出现了其他多种新颖设计方案。飞行器电动技术已经在民用领域的长途(城际)、短途(城市)运输领域全面发展,包括固定翼、垂直起降、无人机等各机种,但主要以城市空运的垂直起降电动技术为主。此外,民用领域的这种快速发展趋势已经开始向军用领域延伸。美国空军目前正在发展“飞行汽车”项目。美国海军陆战队也正与空军联合开发电动垂直起降飞机,以用于后勤空运。

本文将以近4个月以来的主要项目及技术发展情况为主,系统梳理军民领域的电动飞行器技术如下。

 

军用篇

一、美空军“敏捷至上”电动垂直起降飞行汽车项目

  • 项目名称Agility Prime敏捷至上
  • 项目投标要求投标公司必须经过美国空军的安全认证,才有机会进一步签订采购合同
  • 应用目的将电动无人飞行器作为执行军事任务的选择,可自动、快速完成重要物资(食物、弹药、燃料或医疗物资)配送任务,同时避免飞行员安全风险能够迅速将部队和装备运送到战区;可用于医疗疏散、救灾和安全投送等任务
  •  性能要求
  1. 美空军希望这种飞行器可以采用电力或混合动力推进,能够由机上飞行员、远程飞行员操控,或自主控制。
  2. 美空军主要关注电动垂直起降飞行器的维护性、安全性、经济可承受性、声学性能以及基础设施需求等5项关键内容,具体包括:1)简化机械结构,从而降低维护成本和所需时间2)应用自主飞行技术,提高安全性并降低人员需求;3)降低成本,实现批量生产;4)基于分布式推进等技术提高声学性能,降低噪声5)可在多种场地环境下起降,灵活性更高,降低对基础设施的需求。
  3. 美空军要求飞行汽车以每小时160千米的速度飞行,搭载3至8人,航程超过160千米,续航时间超过1小时
  •  节点要求
  1.  美国空军认为相关技术在军事应用的测试会先于民用产品的适航审定
  2. 2020年12月17日前所有原型机必须进行第一次全尺寸飞行(即原型机首飞),以验证其适航认证前景和潜力
  3. 2023财年之前形成大规模应用能力
  • 时间线
  1. 2020年2月21日,美空军负责采购技术和后勤的助理部长威尔·罗珀(William Roper)表示,美空军对此项目的采办策略具有挑战性,即投标公司必须经过美国空军的安全认证,才有机会进一步签订采购合同
  2. 2020年2月25日,美空军发布电动垂直起降(eVTOL)飞行器项目招标信息征询书正式开始寻求一种能够迅速将部队和装备运送到战区的“飞行汽车”
  3. 2020年4月14日美国空军宣布,将于本月27日5月1日启动“敏捷至上”计划线上活动,促进电动垂直起降技术在军事任务中的应用。该活动由美国空军负责采办、技术和后勤的助理部长威尔·罗珀负责。本次“敏捷至上”计划线上活动将举行多场在线研讨,内容涵盖电动垂直起降技术、美国政府资助与监管标准等
  4.  2020年4月27日消息,美国家公司提出了各种构型的候选无人机设计方案,包括从载重过吨的重型旋翼机到载重200千克的四旋翼无人机。“军刀”(Sabrewing)飞机公司将提供Rhaegal-B重型远航程旋翼机,能够在垂直起降模式下运载2450千克载荷,或者像传统飞机那样滑跑起飞运载超过4500千克载荷。该机可以垂直起降,也可以水平起降,在飞行高度6700米、飞行速度370.4千米/小时条件下,航程可以达到1852千米。Rhaegal-B使用电动机驱动涵道风扇转动,从而在起飞和降落期间提供升力,随后使用主翼在巡航飞行中提供升力。该机的电机混合使用交流电和直流电,可以在5月1日推出50%缩比尺寸的原型机。艾罗依(Elroy)航空公司将提供“礼拜堂”(Chaparral)四旋翼无人机,预计可在载重100-225千克情况下达到500千米航程。皮亚塞茨基飞机公司提供其由DARPA资助过的“可重构嵌入式航空系统”(ARES)多任务模块化涵道风扇垂直起降(VTOL)平台,以及全电动PA890 低桨盘载荷旋翼减速复合直升机。其他参与竞争“敏捷至上”项目的公司还包括航图公司(AirMap)、贝塔技术公司(Beta Technologies)、乔比航空公司(Joby Aviation)、霍尼韦尔公司(Honeywell)、升举飞机公司(LIFT aircraft)、超越航宇公司(Transcend Aerospace)、普惠公司和柯林斯航宇公司

二、美国海军陆战队与空军合作

       计划与美空军的“敏捷至上”项目开展针对大型无人空运能力的开发合作,以寻找合适的电动垂直起降飞机(eVTOL)用于后勤空运。

     多年来,海军陆战队作战实验室一直与工业界合作,开发地面和空中大型无人驾驶和自主的运输装备,以减少有人驾驶车辆的风险,使部队更专注于作战任务。海军陆战队正在寻求包括小型,中型和大型在内的三类无人空运能力(ULS-A)平台,其相应的载荷和服役时间如下:

  • 小、中、大型ULS-A平台将分别在2023年、2025年和2030年开始应用。
  • 预计将采购“成千上万”的中小型ULS -A平台,在各战区以及全球基地投入使用。
  • 目前小型和中型的原型机已开展试飞,分别空运了60-150磅(27.22-68.04千克)和300-500磅(136.07-226.8千克)载荷,其中中型向着混合动力飞机发展,两型平台的重量都“等于或小于有效载荷”。
  • 目前eVTOL飞机尚没有达到最大3000-6000磅(1361-2722千克)有效载荷的能力,但海军陆战队对正在开发的商用空中出租车使用平台(最大有效载荷1500磅(680.4千克))非常感兴趣,并已对其提出了改进要求,希望能够达到2000-3000磅(907.3-1360.7千克),甚至最高6000磅(2722千克)有效载荷。
  • ULS-A探索了各种方案,包括Kaman起重直升机的自主飞行,已投资超过1亿美元。还与陆军在中型空运无人机开展合作。

民用篇

一、固定翼技术

多为城际客运应用

1、小型全电动两栖系列飞机

  • 国家:挪威
  • 公司:挪威赤道飞机公司(Equator Aircraft
  • 机型:小型全电动水陆两栖系列飞机
  • 动力类型:全电动
  • 特点:安静,没有碳排放,并且运营和维护成本非常低
  • 最高时速185千米 / 小时,最大续航力为35分钟
  • 项目2018年开始进行全复合材料制成的双座型两栖飞机概念机的飞行测试。
  • 计划于2030年推出八座型两栖飞机,并将该型飞机投放商业旅客运输市场。

2、VoltAero公司Cassio混合电动飞机

  • 国家:法国
  • 公司:法国VoltAero公司
  • 机型:Cassio混合电动固定翼飞机
  • 动力类型:混电
  •  采用9座布局,最长航时可达3个半小时,巡航速度约为370千米/小时。在全电动模式下,可飞行30分钟,包括起飞和着陆
  • 主要用途:主要用作私人交通飞机和空中出租车
  • 节点计划:计划在2021年年底前获得型号合格证,预计在2022年初实现首次交付
  •  当前状态:2020年3月10日,在法国西部梅迪斯总部成功完成首次飞行

3、X-57全电动飞机

  • 国家:美国
  • 机构:NASA
  • 机型:X-57“麦克斯韦全电动飞机
  • 动力类型:全电
  •  当前状态:2020年3月26日NASA发布了全电动飞机X-57“麦克斯韦”最终构型概念图Mod IV概念图描绘了X-57在不同阶段的状态

上图展示了X-57停于加利福尼亚州爱德华兹市NASA阿姆斯特朗飞行研究中心机库前的状态,从图中可以看出,X-57具有细长的大展弦比机翼,可减少飞行阻力,提高效率。两侧翼尖各安装一个带有直径5英尺(1.524米)螺旋桨的巡航电动机,以回收因翼尖涡流而损失的能量。沿机翼前缘分布安装12个带有螺旋桨的小型高升力电机,用于在起飞和降落阶段提供升力。

上图展示了X-57起飞阶段的状态,小型高升力电动机启动,带动螺旋桨旋转,以提供起飞所需的升力。

上图展示了X-57巡航阶段的状态。小型高升力电动机停用,螺旋桨叶片折入短舱以减少阻力。在飞机降落时,小型高升力电动机将重新启动,利用离心力使叶片恢复旋转,以提供降落所需的升力。

电动飞机以其高效率、低排放、低噪声等优点,将为未来航空业带来一系列潜在收益,随着电动飞机市场的兴起,X-57飞机将帮助制定电动飞机的认证标准。

二、垂直起降技术

多为城市客运(短途)

       在电动城市空运和垂直起降飞行器领域,动力系统主要集中在电池供电与混合动力2种选择,如空客公司的City Airbus、Volocopter公司的2X等多种概念均采用电池供电的全电推进技术,而贝尔公司的Nexus、XTI公司的Trifan 600等少数概念采用混合电推进技术。美国Alaka'i技术公司推出的Skai“领导”则是该领域内第一种采用氢燃料电池供电的设计。相比之下,锂电池供电经历了市场的充分考验,但在能量密度、功率密度等方面尚存在很多不足,而混合电推进技术则大大提高了平台系统的复杂性。近期的一些项目进展如下。

1、“百合喷气”电动垂直起降飞机

  • 国家:德国
  • 公司:百合(Lilium)公司,初创企业
  •  机型:“百合喷气”(Lilium Jet)电动垂直起降飞机
  • 动力类型:电动风扇
  • 航程为300千米,最大速度为296千米/小时
  • 用途:短程运输
  • 计划最早于2025年推出一项区域空中交通服务
  • 当前完成了第二轮融资2.4亿美元

2、VoloCity电动垂直起降飞行器

  • 国家:德国
  • 公司:Volocopter公司
  • 机型:VoloCity电动垂直起降,双座、多旋翼飞行器
  • 航程仅为35千米,巡航速度为110千米/小时
  • 用途:适用于大部分城市地区的短途空运服务
  • 当前已进入批量生产阶段。2020年2月,与东南亚出租汽车公司Grab共同探索东南亚城市空运市场。

3、 “城市鹰”(CityHawk)氢/电动垂直起降飞机

  • 国家:以色列与新加坡合作
  • 公司:以色列飞机开发商Urban Aeronautics公司,新加坡Ascent公司
  • 机型:“城市鹰”(CityHawk)氢/电动垂直起降飞机
  • 可搭乘6名乘客
  • 用途:城市空中机动任务可用于各种军事、民用和紧急响应任务
  • 当前状态:2020年3月20日消息,加速商业化进程

4、 teTra Mk-3E电动垂直起降飞行器

  • 国家:日本
  • 公司:日本泰特拉航空公司(teTra
  • 机型:teTra Mk-3E电动垂直起降飞行器
  • 2020年2月21日,公司宣布获得美国联邦航空局试飞许可

5、Skai氢燃料电池电动垂直起降飞行器

  • 国家:美国
  • 公司:马萨诸塞州Alaka'i技术公司
  • 机型:Skai氢燃料电池电动垂直起降飞行器,五座
  •  动力类型:该领域首款氢燃料电池电动力
  • 航程为741千米,能够携带454千克有效载荷,飞行持续时间为4小时,速度可达185千米/小时
  • 用途:城市空运,可执行抢险救灾和医疗救助等飞行任务

6、Mobi-One电动垂直起降飞机

  • 国家:美国
  • 公司:Spirit与ASX公司合作
  • 2020年2月17日宣布合作伙伴关系,计划于2020年3月启动A轮融资

7、纯电动选项Nexus 4EX

  • 国家:美国
  • 公司:贝尔公司
  • 机型:Nexus 4EX“ E”代表电,“ X”代表实验
  •  动力类型:全电
  • 6旋翼涵道修改为4旋翼涵道
  • 4EX将能飞行97千米,同时搭载4到5名乘客,外加一名飞行员

8、S-A1垂直起降电动飞行器

  • 国家:美国与韩国合作
  • 公司:优步(Uber)与韩国现代汽车公司联合
  • 机型:S-A1纯电动设计
  • 动力类型:全电
  • 最大巡航速度290千米/小时,巡航高度为305-610米,航程为96.6千米
  • 采用无人驾驶模式,可搭载4名乘客

三、无人机技术

1、Wisk公司Cora全电空中出租车

  • 国家:美国
  • 公司:Wisk公司Kitty Hawk与波音公司的合资企业
  • 机型:Cora全电空中出租车(运输无人机)
  • 动力类型:全电,可垂直起降
  • Cora有12个螺旋桨,可以约177千米/小时的速度飞行,并且电池中有足够的电力,一次能行驶约99千米,翼展11米。
  • 当前与新西兰政府达成一份谅解备忘录,计划使用Cora全电空中出租车开展客运测试,但测试参数、时间和路线目前尚未确定。

 

除上述一些新近项目外,目前还有其他一些典型的城市/城际空运新平台技术项目,在此不一一列举。详情咨询可给本公众号留言。

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