Що таке eVTOL?
eVTOL — це електричний вертикальний зліт і посадка. Як свідчить назва, основою eVTOL є електрична тяга + вертикальний зліт і посадка. Найперша концептуальна модель eVTOL з’явилася приблизно у 2010 році. У 2009 році була заснована JOBY, перша у світі компанія, що займається eVTOL. У 2011 році італійський вертольотний гігант August Westland запропонував концепцію eVTOL. У 2014 році Американська міжнародна вертольотна асоціація (AHA) та Американська асоціація авіації та космонавтики (AIAA) офіційно представили концепцію eVTOL на конференції у Вірджинії. У 2016 році Uber запропонував план повітряного таксі Uber Elevate, що спровокувало хвилю інтересу до eVTOL на європейському та американському ринках. У січні 2016 року компанія EHang Intelligent представила на CES у Сполучених Штатах перший у світі безпілотний пілотований літак eVTOL «EHang 184». У 2017 році Асоціація вертикального польоту опублікувала перший каталог літаків eVTOL. У 2019 році Європейське агентство з авіаційної безпеки (EASA) видало нові правила управління авіацією для сертифікації льотної придатності малих літаків eVTOL. З того часу концепція eVTOL отримала офіційне визнання, а такі учасники, як стартапи, а також гіганти автомобільної та авіаційної галузей, почали виходити на ринок eVTOL. У 2019 році китайська компанія EHang Intelligent була лістингована на Nasdaq, ставши першою у світі публічною компанією у сфері UAM (міської повітряної мобільності). У 2021 році одна за одною на ринок виходять такі компанії, як Joby у Сполучених Штатах, Lilium у Німеччині, Archer у Сполучених Штатах та Vertical Aerospace у Великій Британії, а комерціалізація eVTOL прискорюється.
Наразі eVTOL, що використовуються великими виробниками оригінального обладнання, можна поділити на три типи відповідно до принципів польоту: мультироторний тип, тип із комбінованим аеродинамічним профілем і тип із нахильним ротором. Принцип роботи мультироторного типу схожий на принцип роботи традиційних цивільних дронів і вертольотів. Його відносно легко розробити, він має просту конструкцію, кращу стабільність і невеликі габарити. Його можна гнучко застосовувати в міському середовищі, а вимоги до інфраструктури нижчі. Комбінований тип із крилом має два набори роторів: один вертикальний ротор керує зльотом і посадкою, а один горизонтальний тяговий ротор — крейсерським польотом. Зліт і посадка комбінованого типу відокремлені від тягової системи, тому він має високу безпеку польоту. Принцип роботи типу з нахильним ротором схожий на принцип роботи традиційного вертольота з нахильним ротором. У вертольота під час зльоту ротор забезпечує підйомну силу, як вертольотний гвинт. Під час рівномірного польоту ротор нахиляється вперед, щоб забезпечити тягу вперед. Тип із нахильним ротором має найбільші переваги з точки зору швидкості та дальності, але його механічна конструкція надто складна. Нахилення ротора схильне до відмов під час польоту на високій швидкості, що призводить до високого рівня аварійності традиційних вертольотів із нахильним ротором.
Технічні напрямки eVTOL: Різноманітні підходи для різних сценаріїв застосування
Принцип роботи мультироторного типу схожий на принцип роботи традиційних цивільних дронів і має низьку ефективність. Поточна дальність польоту коротка, тому його неможливо широко застосовувати в низькоколітурному транспорті за короткий проміжок часу. Мультироторний тип має високу надмірність, стабільність і безпеку, а також може бути гнучко застосований. Він має переваги у вигляді низьких вимог до інфраструктури, низьких ризиків льотної придатності, хороших економічних показників і швидкого виходу на ринок. Очікується, що він першим розшириться на туристичному ринку, де щільність eVTOL низька, а попит на польоти невеликий.
Зліт і посадка комбінованого аеродинамічного профілю незалежні від тягової системи. У разі виникнення смугового снову, втрати керування, знослення тощо під час польоту незалежна система підйому може бути негайно активована, щоб утримувати eVTOL у повітрі та забезпечити кероване зниження для посадки. Підготовка системи живлення та час реакції дуже короткі, тому він безпечний, має низький рівень шуму, значну дальність, а комбінований аеродинамічний профіль має чудові загальні характеристики. Він має вищий коефіцієнт безпеки, ніж інші типи, і очікується, що його використовуватимуть у таких сферах, як короткострокове порятунок і екстрена медична евакуація.
Згідно з «Оцінкою безпеки силових установок літаків eVTOL різних конфігурацій» (Liu Jujiang, [Journal of Harbin Engineering University], 2023), силові установки eVTOL із нахильною криловою конфігурацією мають характеристику недостатньої надмірності потужності. Після втрати двох двигунів тяги недостатньо для виконання регулювання тяги для завершення вертикальної посадки; у разі виникнення смугового снову, втрати керування, знослення тощо під час польоту нахиленню аеродинамічного профілю літака потребує процесу нахилення від кількох секунд до десятків секунд, а швидкість нахилення крила повільна і не може забезпечити захисну функцію. Ймовірність відмови становить 1,265×10⁻⁶, що набагато вище, ніж стандартний показник аварійності, встановлений авіаційною галуззю для великих пасажирських літаків і великих літаків загальної авіації — 10⁻⁹ на льотний годину. Якщо нахильний аеродинамічний профіль eVTOL вирішить проблему безпеки польоту, завдяки своїй перевазі у швидкості, eVTOL із нахильним ротором і комбінованим аеродинамічним профілем стануть основною силою для масштабного низькоколітурного міського транспорту в майбутньому. Очікується, що після подальшого розширення політики низькоколітурних подорожей вони відкриють більший ринок і матимуть високий потенціал.
Мультироторний eVTOL: Принцип походить від мультироторних БПЛА. Легко забезпечити підйом і крейсерський політ. Мультироторна конструкція стабільна й безпечна.
Згідно з «Основними досягненнями в галузі літаків eVTOL у 2022 році» (Han Yuqi, [Aerodynamics], 2023), мультироторні eVTOL забезпечують підйом за допомогою кількох роторів, а також керують положенням і крейсерським польотом шляхом регулювання швидкості кожного ротора. Вони не мають крил. Принцип походить від традиційних цивільних мультироторних дронів, а технічна складність мінімальна. На прикладі невеликого квадрокоптера можна досягти таких функцій, як зависання, вертикальний підйом, тангажний або кренговий рух, а також рух навколо вертикальної осі, керуючи різними швидкостями роторів. Мультироторні eVTOL переважно мають чотириосну або шестиосну компоновку. EH216-S використовує коаксіальну двогвинтову компоновку з 16 роторами, яка має високу надмірність і є гнучкою, стабільною та безпечною під час польоту.
eVTOL із комбінованим аеродинамічним профілем: Походить від комбінованих вертольотів із фіксованою криловою конфігурацією, ефективність яких покращена завдяки електричній тязі.
Згідно з «Аналізом розвитку технологій комбінованих вертольотів» (Li Jianbo, [Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics], 2016), ще у 1954 році компанія Kamov у колишньому СРСР створила Ka-22, комбінований вертоліт із двома роторами. Завдяки горизонтальній компоновці двигун під ротором також приводив у рух гвинт. У 1961 році він встановив рекорд польоту 356 км/год. Цей тип комбінованого вертольота з фіксованою криловою конфігурацією став натхненням для eVTOL із комбінованим аеродинамічним профілем. Завдяки легким двигунам eVTOL із комбінованим аеродинамічним профілем має меншу власну вагу порівняно з традиційними комбінованими вертольотами та покращену ефективність польоту.
eVTOL із нахильним ротором: Аеродинамічні, динамічні та проблеми керування польотом необхідно терміново вирішити.
У 1972 році NASA та армія запустили програму літаків із нахильним ротором. Bell Helicopter виграла контракт на розробку у 1973 році й назвала прототип XV-15 (прототип літака V-22 Osprey). Це був засновник вертольотів із нахильним ротором; принцип польоту eVTOL із нахильним ротором схожий на принцип роботи вертольота з нахильним ротором, і він також успадковує характеристику високої аварійності вертольотів із нахильним ротором. З часу випробувань V-22 «Osprey» зазнав 5 аварій із пошкодженням фюзеляжу, внаслідок яких загинуло загалом 54 людини. Головна причина полягає в тому, що літак із нахильним ротором має аеродинамічну взаємодію ротора й крила під час польоту, аеродинамічні характеристики під час процесу нахилення ротора, динаміку польоту, керування польотом у коридорі переходу та низку інших складних проблем.
Чому eVTOL? Дослідження майбутнього електричного польоту
Низькоколітурна економіка — це всеосяжний економічний формат, що стимулюється різноманітною низькоколітурною авіаційною діяльністю з використанням різних пілотованих і безпілотних літаків, що поширюється й стимулює інтегрований розвиток суміжних галузей. З розвитком інтелектуальних безпілотних літаків останніми роками міська повітряна мобільність (UAM) стала популярною в усьому світі. UAM використовує літаки з короткотрасовим зльотом і посадкою або вертикальним зльотом і посадкою, а також відповідні системні устаткування для реалізації низькоколітурного повітряного простору міст. Транспортна діяльність з перевезення людей і товарів є важливою частиною майбутньої інтелектуальної транспортної системи.
Міський низькоколітурний рух у Китаї є галуззю, що суворо регулюється. Цивільна авіаційна адміністрація Китаю відповідає за управління повітряним рухом і забезпечує єдине управління та розподіл повітряного простору для вітчизняних і закордонних цивільних літаків. Нижній ліміт крейсерської висоти для цивільних авіаційних літаків становить 3000 метрів, який керується й розподіляється центром керування повітряним рухом. Польотна діяльність, що здійснюється на середній і низькій висоті нижче 300 метрів, належить до категорії низькоколітурної загальної авіації.
Існує природний зв'язок між низькоколітурною економікою та загальною авіацією. Згідно з Цивільним авіаційним законом моєї країни, загальна авіація означає цивільні літаки, які займаються цивільною авіаційною діяльністю, крім публічного повітряного транспорту, включаючи операційні польоти в промисловості, сільському господарстві, лісовому господарстві, рибальстві та будівництві, а також у медицині та охорони здоров'я, аварійно-рятувальних і ліквідаційних операціях, метеорологічному спостереженні, моніторингу океану, польотній діяльності в наукових експериментах, освіті та навчанні, культурі й спорті тощо.
У травні 2016 року Генеральний офіс Державного радинського видав «Настанов щодо сприяння розвитку галузі загальної авіації». Загальна авіація була включена до переліку національних стратегічних галузей, що розвиваються, і отримала місію щодо коригування економічної структури, трансформації моделі економічного розвитку, покращення життя людей і модернізації споживання. Національна комісія з розвитку й реформ також видала «Повідомлення про ефективне виконання демонстрації й просування загальної авіації» і «Настанови щодо виконання щодо побудови всеосяжного демонстраційного зони для галузі загальної авіації» у листопаді 2016 року й січні 2017 року, запропонувавши побудову першої партії з 26 демонстраційних зон загальної авіації. Комплексна демонстраційна зона авіаційної галузі та 41 демонстраційний проєкт загальної авіації.
Незважаючи на політичну підтримку, загальна авіація моєї країни все ще стикається з труднощами розвитку, що переважно відображається в недостатньому постачанні ресурсів низькоколітурного повітряного простору, громіздких процедурах схвалення низькоколітурної польотної діяльності та відсталим будівництвом загальних аеропортів. Як важливий національний стратегічний ресурс, низькоколітурний повітряний простір перебуває під єдиним керівництвом Національної комісії з керування повітряним рухом. Є лише кілька низькоколітурних повітряних просторів, розроблених для загальної авіації. Їх важко адаптувати до багатоточкових, зручних і ефективних характеристик загальної авіації. Кількість повітряних просторів, придатних для приватних і рекреаційних польотів, обмежена. Малий масштаб, розсіяне розташування та погана доступність. Деякі цивільні аеропорти відмовляються або обмежують вхід загальних авіаційних літаків для операцій. У них немає спеціальних низькоколітурних маршрутів. Процедури схвалення польотів загальної авіації є громіздкими, а ефективність схвалення низька. Літакам потрібно проїхати довгі відстані, щоб злетіти, і потрібна достатньо велика площа для застеленого злітно-посадкового смуги. Загальні стандарти побудови загальних аеропортів надто суворі, а вартість надто висока. Будівництво злітно-посадкої смуги довжиною кілька сотень метрів коштує сотні мільйонів юанів. Водночас, щоб уникнути повторного схвалення, кілька кілометрів злітно-посадкових смуг будуються за один раз. Кожен політ потребує високої маршрутної субсидії для роботи. Безперервність не є стійкою.
Літакам із фіксованою криловою конфігурацією потрібні довгі злітно-посадкові смуги для допомоги під час зльоту, а міські центри з високими будівлями й щільними натовпами не можуть забезпечити їх повних умов для зльоту. Вони можуть виконувати лише масштабні пасажирські й вантажні транспортні завдання між містами, а не обслуговувати точковий сервіс у містах або сусідніх містах. Транспорт.
Вертольоти мають переваги великої вантажопідйомності та високої маневреності, а також не потребують спеціальних злітно-посадкових смуг і аеропортів для умов зльоту й посадки, що може зекономити витрати на інфраструктуру аеропортів загальної авіації. Однак під час польоту вони шумні, мають високі операційні витрати й дорогі в обслуговуванні, що ускладнює їх подальше поширення.
Порівняно з першими двома, eVTOL об’єднує елементи автономного керування, електричної тяги та низькоколітурної авіації. Він тихіший, дешевше, може злітати й приземлятися вертикально, усуваючи витрати на будівництво аеропорту. Він може злітати й приземлятися будь-коли й будь-де.
Як розглядати бар’єри для повноцінних літаків eVTOL: Підсистеми й аеродинамічна компоновка можуть бути «перенесеними», з акцентом на загальний дизайн літака й інтеграційні можливості
Різні типи транспортних засобів UAM значно відрізняються за моделями літаків, аеродинамічними компоновками та режимами живлення. Транспортні засоби є ключем до того, чи зможе UAM працювати. Серед транспортних засобів UAM вертольоти використовувалися першими, але отримали набагато менше уваги, ніж літаки eVTOL. Головна причина полягає в тому, що літаки eVTOL мають характеристики низького шуму, екологічності, безпеки, низьких витрат на обслуговування і різноманітних моделей літаків.
З точки зору аеродинамічної компоновки, чи то мультироторний, чи комбінований криловий, чи з нахильним ротором, існують вертольоти, дрони та інші моделі зі схожими аеродинамічними компоновками, які можна використовувати як еталон, і технологія має сильний тяг.
Літаки eVTOL переважно базуються на електриці й автоматичному керуванні. Технічною основою є керування польотом, двигуни, літієві акумулятори тощо. Ці фактори тісно пов’язані з автоматизацією керування та технологіями електрифікації, і ці супутні технології лише в останні десятиліття досягли зрілості й можуть застосовуватися на борту пілотованого літака. Саме з цієї причини за останні десять років почали з’являтися проекти літаків eVTOL. Порівняно з традиційними літаками, eVTOL має такі технічні характеристики:
1) Технологія вертикального зльоту й посадки. Більшість літаків eVTOL використовують систему електричної тяги, зазвичай мультироторну конструкцію, і оснащені передовими системами керування польотом, включаючи датчики, електричні регулювання рульових поверхонь і гвинтів тощо, щоб досягти точного керування польотом і регулювання положення. Вони зазвичай мають автономний політ і автоматичну здатність керувати;
2) Технологія акумуляторів. Акумулятор є основою технології eVTOL, і домінують літій-іонні акумулятори. Технологія акумуляторів вплине не лише на витривалість літака, а й на його форму. Покращення енергоємності й потужності акумуляторів, а також досягнення швидкого заряджання й довгого терміну служби є основними технічними викликами, з якими стикаються акумулятори eVTOL;
3) Технологія розподіленої електричної тяги. Технологія розподіленої електричної тяги може забезпечити вищу точність і гнучкість керування тягою й зазвичай використовується в eVTOL. Розподіляючи кілька електричних двигунів у різних місцях на літаку для забезпечення тяги й керування літаком, вона має значні переваги в покращенні характеристик польоту, підвищенні маневреності й забезпеченні надмірності.
eVTOL використовує акумулятори для забезпечення енергією силової установки й бортових систем. Ефективність акумуляторів є ключовим фактором, що обмежує розвиток eVTOL. Наразі технологія літієвих акумуляторів є відносно зрілою й стабільною, з найвищим співвідношенням енергоємності, і більшість виробників використовують літієві акумулятори. Чотири основні параметри енергоємності акумулятора, миттєвої швидкості заряджання й розряджання акумулятора, терміну служби заряджання й розряджання акумулятора та безпеки акумулятора є ключовими показниками в акумуляторах eVTOL, які значно впливають на технічні характеристики eVTOL, такі як дальність, стабільність підйому, термін заміни й безпеку польоту. Наразі, оскільки сценарії застосування eVTOL продовжують розширюватися, щоб подолати обмеження розвитку низької вантажопідйомності, короткої дальності й короткого часу витривалості, з якими стикається eVTOL, потрібні висока енергоємність, високий термін заряджання й розряджання, висока миттєва швидкість заряджання й розряджання та висока безпека. Попит на авіаційні акумулятори з «чотирьох високих» продовжує зростати, і акумулятори стали ключовою технологією, що обмежує розвиток eVTOL.
Існуючим технологіям акумуляторів все ще бракує, і такі показники, як щільність енергії та безпека, потребують подальшого вдосконалення. Інакше eVTOL зіткнеться з обмеженнями розвитку, такими як мала вантажопідйомність, малий запас ходу, коротка тривалість роботи та небезпечні польоти. Сучасні акумуляторні технології не можуть повністю задовольнити вимоги до запасу ходу, життєвого циклу, технології швидкого заряджання та щільності енергії в сценаріях експлуатації eVTOL. Наразі найпоширенішою та найшвидше зростаючою сферою застосування літієвих акумуляторів є сфера електромобілів на новому паливі, але акумулятори, що використовуються в eVTOL (на прикладі літієвого акумулятора, що використовується в Joby S4), є лідерами за щільністю енергії, миттєвою швидкістю заряду та розряду, циклічним ресурсом і безпекою. Літієві акумулятори з тернарним катодом використовуються в легкових автомобілях.
Ринок авіаційних акумуляторів стрімко розвивається, поступово долаючи вузьке місце обмежень продуктивності eVTOL. Наразі найбільшою проблемою, що обмежує продуктивність eVTOL, є авіаційні акумулятори. Наразі всі сторони мають комплексний план у сфері авіаційних акумуляторів. Концепція розвитку екологічного авіаційного виробництва (2023–2035) Міністерства промисловості та інформаційних технологій та чотирьох інших відомств зазначає, що екологічні авіаційні літієві акумулятори слід активно розвивати. Акумулятори, прориви в літієвих акумуляторах з високою щільністю енергії, досягнення масового виробництва авіаційних літієвих акумуляторів зі щільністю енергії 400 Вт·год/кг та невеликомасштабне тестування продуктів рівня 500 Вт·год/кг; NASA та CATL розробили нові авіаційні літієві акумулятори з високою щільністю енергії та високою стабільністю. Акумулятори розроблені для усунення страху перед обмеженим запасом ходу та небезпекою в сфері пілотованих електричних літаків; Zhengli New Energy випустила новий авіаційний акумулятор з високою щільністю енергії та високою швидкістю заряду/розряду, вирішивши галузеву проблему несумісності високої щільності енергії та високої швидкості. Комплексний та високоуровневий розвиток авіаційних акумуляторів повністю стимулюватиме підвищення продуктивності eVTOL, розширюватиме сценарії застосування eVTOL, і очікується, що сфера електрифікації повітряного простору буде повністю реалізована.
Згідно зі звітом SMG, консалтингової компанії у сфері аерокосмічної, оборонної та автомобільної технологій у Сполучених Штатах, вона оцінює виробників UAM за п'ятьма параметрами: фінансова ситуація, керівна команда, технології, прогрес сертифікації та статус виробництва, і отримує рейтинг основних виробників транспортних засобів UAM. рейтинг.
