走,打“飞的”

2024-02-28 00:00:00王川
大自然探索 2024年11期
关键词:直升机电池设计

未来的城市交通,将不再完全受地面交通网的束缚。想象一下,你来到一座大厦的露天屋顶,一架电动垂直起降飞行器(eVTOL)静静降落,准备带你穿越拥堵的城市,迅速直达100千米外的目的地。这不是电影情节,而是不久就有望能实现的新型出行方式。

2024年,我国企业沃飞长空自主研发的AE200电动垂直起降飞行器在成都进行了城市低空载人出行验证飞行,并首飞成功。这标志着低空飞行从概念走进现实。

eVTOL——更适合城市的中低空交通工具

eVTOL堪称未来城市的空中精灵。它可以从摩天大楼的屋顶安静地起飞,然后悄无声息地穿梭于城市的空中。

凭借垂直起降技术和低噪声优势,eVTOL将重塑城市交通格局。它将为城市通勤、旅游观光、商务出行、紧急救援、物流配送、教育培训、特殊任务执行等提供助力。

eVTOL的补能和现在的新能源电动汽车一样方便,飞行过程中的能源消耗也比直升机更低,综合维护费用更低,乘客付出的交通费自然也更低。

垂直起降能力让eVTOL在城市中如鱼得水,eVTOL不需要长长的跑道,只需一个小小的起降平台,就能轻松适应城市紧凑、复杂的空间。

直升机并不适合城市

直升机在城市里使用有诸多不便。例如,一架大型多用途民用直升机执行一个紧急接送任务。在飞行了一段距离后,飞行员根据路线指示定位到了一个民用机场,并降落在一块足球场大小的停机坪上。这趟飞行任务共耗时2小时50分,耗油1.7吨。这个过程中,直升机受制于非常高的起降要求,整体飞行成本也很高。

噪声巨大

直升机的涡轮轴发动机在高速旋转时会产生巨大的噪声,不仅如此,旋翼在高速切割空气时也会发出尖锐的啸叫声。两者叠加,形成了直升机特有的、极具穿透力的噪声,噪声水平通常在100~120分贝。站在直升机附近,你的五脏六腑和全身的骨骼都会随之振动。

费用高

租赁直升机的费用高达每小时数万元。作为对比,相同距离eVTOL的总租赁费用仅为千元级。

补能难

直升机的油耗较高,且一些型号必须使用航空煤油,加油不方便。

起降场地受限

建筑物顶层的停机坪面积很难满足大型直升机的起降。即便是中小型直升机,停机坪面积也必须大于1000平方米。

沃飞长空AE200

沃飞长空研发的AE200是一款5至6人座级的eVTOL,其巡航速度约248千米/ 时,单次最大航程可达200千米。

当AE200垂直起降时,8台电机驱动的螺旋桨在垂直方向工作,用于提供升力。当飞行器上升到一定高度后,一部分螺旋桨稍稍倾斜,以提供前进或后退的牵引力。由于能非常方便地控制升力和前进方向,包括AE200在内的eVTOL比传统固定翼飞机和直升机更能适应城市复杂的空域。

紧急救援

2019年,一次紧急心脏转运任务要求捐献者的心脏在最短时间内跨越120千米,从珠海出发,途经中山、佛山,最后抵达广州。这场紧张的生命接力最终在1.5小时内完成,至少四个城市的医疗团队和交通管理部门为此付出了巨大的努力。器官转运分秒必争,即便交通部门通力配合,也无法保证不发生拥堵或意外情况。此外,这种需要投入巨大人力物力的跨城市转运也无法长期进行。

以eVTOL为代表的中低空短途空中运输不存在交通拥堵的问题,运送时间更加可控,能为器官转运、患者转送、急救等任务开辟宝贵的生命绿色通道。

安全,安全,还是安全

对于一款载人航空器来说,人们最关心的还是安全性。AE200 是如何安全运行的呢?

高度冗余配置

即使AE200的八台驱动电机中有两台失效,甚至在更多电机故障的情况下,AE200也能顺利备降或迫降。

适航验证

AE200在正式运营前要进行大量验证和适航工作。适航工作是一系列确保飞行器安全飞行的活动,具体内容包括确保航空器在设计、制造、维护和运营过程中符合特定的安全标准和规定,目的是确认航空器的可靠和安全。

模块化设计

通过模块化设计,可以简化组装过程,减少连接件的使用,减重的同时提高可靠性。

复合材料

AE200广泛使用碳纤维增强塑料或玻璃纤维增强塑料等复合材料,其比传统金属材料更轻、更坚韧。

分布式电池设计

电池模组的分布式布局,进一步提高AE200的安全性。

灭火系统

即便锂离子电池意外起火,每个电池附近的紧急灭火系统也会立即启动灭火。

安全员

虽然AE200在设计和功能上展现了高度的智能化和自动化,但安全员的作用还是不可替代。 在紧急情况下,还是需要专业人员根据现场情况进行判断和操作,及时作出正确的反应,确保机上所有人员安全。除此以外,在遇到特殊情况时,安全员能够直接与乘客沟通,提供必要的指导和帮助。

技术攻坚

AE200的设计和制造涉及多个复杂的系统,包括动力系统、飞行控制系统、安全系统等。对研发人员来说,每一次新型号的首飞都是最具挑战性的时刻,团队只有不断创新、试错,才能攻克一个又一个难题。

AE200试飞前调试

AE200项目启动以来,研发团队克服了许多困难,完成了多项技术突破,形成了具有完全自主知识产权的“中国创造”eVTOL技术。其中,在倾转动力的整个试验中,研发团队开创性地设计了全尺寸倾转动力系统跑车测试平台,并通过地面跑车来模拟不同的空中飞行速度。该试验验证了全尺寸倾转动力系统的功能与性能;测试了不同倾转速度、不同来流速度下倾转过程的气动特性、振动特性与动力特性等;测试和验证了倾转过程中三轴方向的力与力矩特性。该试验还校核了倾转过程的气动模型,验证了全尺寸倾转动力系统,是全国首例全尺寸倾转动力系统“跑车风洞”试验。

AE200使用了大量碳纤维复合材料。在过去,飞行器或火箭使用的高强度的碳纤维复合材料曾经长期被日本企业垄断。在国家的支持下,我国科研人员克服了难以想象的困难,突破了国外碳纤维企业的技术封锁。目前,中国整个碳纤维复合材料的设计和运用已经进入全球第一梯队。

以电池为例,目前新能源汽车所普遍使用的锂离子电池的能量密度为200~300瓦时/千克,但随着我国在固态电池领域的持续发力,未来电池的能量密度将有望达到500~600瓦时/千克。能量密度翻番,意味着未来eVTOL可以在不改变自重的情况下,将续航里程也翻一番。

随着我国新能源汽车的蓬勃发展,新能源汽车产业链迅速成长,相关的产品和技术也为AE200的设计和研发提供了有力支持。据沃飞长空的相关负责人介绍,AE200从开始研发到成为技术成熟的产品,20%的技术是基于航空领域的,剩下的80%的技术,例如电池、电机、电控,甚至是先进材料选择和舒适度设计,都应用了新能源汽车领域的技术。

2021年2月,《国家综合立体交通网规划纲要》中提到:“发展交通运输平台经济、枢纽经济、通道经济、低空经济。”低空经济首次被写入国家规划。根据权威预测,到2025年全球将有3000架飞行汽车用作空中出租车、机场班车和城际航班服务,到2050年将达到9.8万架。

作为新一代航空器,eVTOL具有新能源、垂直起降、智能化等特点,被认为是全球未来低空交通的主流载具之一。通过空中快线,设置固定起降点和飞行班次等方式,实现城市区域内点对点的空中直达;或以空中出租车模式,消费者只需在手机应用上输入目的地,就可以预约“飞的”。以成都为例,通过打“飞的”从位于天府五街的中国—欧洲中心出发,前往成都天府国际机场,时间将比打车缩短五分之四。未来,包括AE200在内的eVTOL有望在科学规划站点、线路的前提下,与新能源专车联合运营,实现无缝衔接,让打“飞的”变得便捷、舒心。

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