如何為 eVTOL 無人機設計提供數位孿生支援 – MSCOne
eVTOL的崛起
作為未來空中交通產業的核心細分領域，eVTOL（Electric Vertical Takeoff and Landing，電動垂直起降飛行器）已成為全球最炙手可熱的賽道，吸引了數百家企業競相投入佈局，涵蓋初創公司、航空業巨頭、出行服務供應商以及汽車製造商等多方力量。在中國，該領域也已湧現出一批具有代表性的創新企業。
出行作為人類社會生活中不可或缺的一環，在個人日常、經濟發展與社會結構中扮演著關鍵角色。回顧歷史，從徒步、馬車到蒸汽機車、汽車與飛機，每一次交通工具的革新都深刻改變了人類的出行方式與社會結構，驅動著整個社會持續向前邁進。如今，雖然汽車已成為最普及的地面交通工具，但其大規模使用亦帶來諸多挑戰：全球主要城市普遍面臨交通壅塞的困擾——以 2019 年為例，英國駕駛者平均因擁堵而損失達 115 小時，相當於造成約 69 億英鎊的潛在經濟損失；此外，汽車排放所導致的溫室效應，亦日益威脅人類的生存環境，促使各國政府與企業積極推動低碳減排的政策與承諾。在此背景下，隨著城市化進程加速，以及人們對高效互聯出行需求的提升，發展城市空中交通解決方案已勢在必行。
eVTOL 憑藉其電動推進系統與垂直起降能力，結合近年來迅速發展的電能儲存技術、電機技術以及分布式電推進系統（DEP），展現出綠色低碳、安全高效的優勢，正逐漸成為未來城市空中交通（UAM）及區域運輸的理想載具。
Morgan Stanley預測，全球 UAM 市場規模將於 2040 年突破 1 兆美元，並在 2050 年進一步增長至 9 兆美元。
目前，全球 eVTOL 產業在政策支持、技術突破與商業化落地三大方面同步推進，已成為推動低空經濟發展的核心動力。這條充滿潛力的賽道不僅吸引了航空領域的專業企業，更匯聚了來自各行各業的創新力量，呈現出多元化的發展格局。
eVTOL 技術挑戰與適航門檻
與 eVTOL 相關的挑戰可分為三大類：商業面、技術面與監管面（即符合法規的挑戰）：
- 商業化：主要圍繞商業運營模式的建立，確保其經濟可行性與社會接受度。
- 技術挑戰：聚焦於設計與工程層面的難題，涵蓋產品性能的各項要求，包括安全性、可靠性、經濟性、舒適性及動力表現等。
- 法規：涉及飛行器的適航認證、技術標準的合規性，以及運營政策與空域管理等制度性議題。
| 商業化 | 技術挑戰 | 法規 |
|---|---|---|
| ● 確保長期可行性 ● 確保現有的基礎設施足夠 ● 確保安全，特別是在飛越人口密集的城市上空時 ●確保將對環境的影響降到最低 | ● 安全 ● 可靠性 ● 結構設計和輕量化 ● 噪音 ● 非控系統和動力學 ● 推進技術與排放要求 ● 氣動彈性設計 | ● 政策和標準 ● 認證和安全 ● 社區組織整體升級 ● 空域系統設計與管理 |
eVTOL 的研發挑戰主要集中在技術層面，可細分為以下六大技術維度：
● 結構設計與輕量化
涉及零件與組件的結構性能與裝配性能；先進材料的應用需考慮材料性能參數、許用值、缺陷影響、替代性與全壽命週期管理；加工工藝則涵蓋增材製造、成型、焊接與熱處理等，並需要對材料、工藝、部件至整機結構進行完整性分析。
● 氣動彈性設計
氣動彈性為結構與氣流之間的耦合關係，是飛行器設計中至關重要的評估指標，直接關係到飛行穩定性與安全性。
● 多體動力學分析
聚焦於推進系統中各結構部件的運動行為與受力情況，確保機械結構在複雜運動下的動態穩定性與耐久性。
● 推進與排放分析
主要運用計算流體力學（CFD）對流場與熱場進行分析，以提升推進效率並優化熱管理與環境影響。
● 飛控與動力系統
涉及飛行控制系統的性能設計、控制策略制定，以及電子設備熱管理與熱-機耦合技術，確保飛行控制的準確性與系統穩定性。
● 噪音預測與控制
針對艙內與艙外的噪音進行模擬與分析，優化聲學處理措施，以提升乘坐舒適性並滿足日益嚴格的環保標準。
開發 eVTOL 並不像將燃油車轉換為電動車那樣簡單。除了電動推進本身所帶來的技術變革之外，圍繞飛行器的安全性與適航性，還存在著諸多嚴峻的挑戰與必須遵循的嚴格標準。研發團隊必須確保整體系統具備高度的可靠性，例如充電過程與最低限度的安全檢查必須穩定且高效，同時在設計層面上實現故障保護與系統冗餘，以提升容錯能力。eVTOL 對電力的需求遠高於地面電動車，這也意味著必須設計出具有更高功率密度的電力系統，在保證性能的同時實現輕量化。此外，eVTOL 還需面對高速飛行所帶來的工程挑戰，尤其是在推力負載與轉子負載方面，這是一般電動汽車完全不涉及的技術領域。冷卻系統的設計同樣至關重要，必須能夠在高空飛行及進行俯仰、回轉等高動態操作時維持穩定運作。所有這些系統與性能的要求，都需在產品取得適航認證之前，經過嚴格且全面的測試與驗證。
目前，全球主要針對 eVTOL 的適航認證體系有兩種：美國聯邦航空局（FAA）與歐洲航空安全局（EASA）。FAA 基於對無人機與輕型飛機的既有標準，並針對 eVTOL 的技術特性提出新規範，強調飛行器在冗餘設計、故障容錯與數據鏈路可靠性等方面的表現。而 EASA 則針對 eVTOL 訂立了專門的認證標準，更加重視安全性、可靠性及環境友好性。隨著技術日趨成熟，未來有望出現統一的國際適航標準，以簡化跨國營運流程，推動全球空中交通產業的發展。
從部件到整機：多層級的系統性分析能力
海克斯康（Hexagon）提供涵蓋從零組件到子系統，乃至整機層級的全方位解決方案。在動力系統的分析方面，透過傳動系統的設計資料，結合電磁模型，可構建 Romax 傳動系統仿真模型；若進一步整合控制模擬，則可實現對轉子動力學、瞬態響應、傳動系統噪音預測、熱分析、傳動元件疲勞壽命，以及流體動力與空氣動力學的全面模擬。
在結構性能分析方面，從設計資料與 CAD 模型出發，建立有限元素（FE）分析模型，並與多體動力學軟體聯合使用，可深入分析結構載荷與衝擊載荷，進行結構強度的校核與優化設計，達成機體輕量化的目標。
基於對動力學系統與結構模擬的基礎，最終可展開對整機層級的綜合分析，包括整機的空氣動力學性能、艙內與機外的聲學特性（如航空噪音）、機身振動響應、零部件疲勞壽命等關鍵指標，實現從部件到整機的多學科耦合仿真與性能優化。
透過海克斯康的整合式工具與方案，研發團隊能有效應對 eVTOL 所面臨的複雜挑戰，實現動力系統在安全性、高效性、可靠性、耐用性、永續性、高功率密度與低噪音表現等多維度的最佳化設計，助力下一代空中交通工具的創新與落地。
而MSCOne涉及多個學科的模擬解決方案，如結構、工藝、系統動力學、材料工程、自動駕駛、CFD、聲學等。
模擬工具的整合，讓你不會再像無頭蒼蠅一樣，到處亂串亂鑽。
Actran可以幫助eVTOL降低噪音，提升社會接受度
在 eVTOL 須於人口稠密地區不分晝夜運行的背景下，噪音污染已成為社會關注的焦點問題，而降低垂直起降飛行器的噪音水準則是爭取社會廣泛接受的關鍵因素之一。與傳統飛機相比，eVTOL 的多旋翼結構與電動驅動方式雖可降低部分高頻噪音，但其低頻與中頻噪聲（特別是在起降與低空懸停階段）仍會對居民造成長期干擾。因此，如何從設計源頭進行聲學優化，是推動城市空中交通實現可持續發展的重要前提。
海克斯康提供了一套完整的聲學分析與噪音控制解決方案，涵蓋從概念設計到最終驗證的全流程支持。其解決方案可應對多項核心挑戰，包括：外部與社區噪音的模擬與預測，幫助開發者在設計初期就了解對環境的潛在影響；轉子噪音的傳播與抑制，可透過流場仿真與聲學建模，優化葉片設計與旋翼佈局；齒輪與電機運作所產生的機械噪音可透過系統建模、傳動鏈分析與震動源追蹤等手段加以控制；艙內噪音分析則聚焦於乘員舒適性，結合結構聲學模擬與材料選擇，提升艙內靜謐品質。
此外，針對噪音的傳遞機制與結構耦合問題，海克斯康亦提供完整的聲—振耦合模擬能力，支援噪音緩解策略設計，例如聲學隔離、吸音材料應用、結構阻尼優化等。特別是在齒輪與轉子產生的振動控制方面，可結合多體動力學與有限元素模擬進行深入分析與校準，確保整體聲學表現達到航空適航與城市低碳標準的雙重要求。透過這些整合工具與仿真能力，eVTOL 製造商可在開發早期即進行聲學風險評估與優化設計，大幅降低後期改設成本，同時提升產品在城市運營環境中的接受度與市場競爭力。
- 外部噪音／社區噪音的模擬與預測
- 轉子噪音的傳播分析與抑制設計
- 齒輪與電機運作所產生的機械噪音預測
- 艙內噪音分析與乘員舒適性評估
- 噪音的傳輸路徑模擬與隔音措施設計
- 齒輪與轉子相關的振動模擬與控制
(應用案例：德國Lilium公司，使用Actran軟體全面分析飛行器噪音)
MSCOne 解決方案
MSC 開發 MSCOne 集結了最先進的分析軟體，使用 Token ，您可以更彈性地探索無限可能，不再局限於單一軟體，各領域的整合與同步進行已經是現在的趨勢。
Equip your organisation with the flexibility to allocate simulation resources to any team or site, giving you greater agility to respond to engineering priorities.
MSCOne offers designers and engineers a smarter way to access a huge array of world-class CAE simulation software all from one flexible, subscription-based platform.
想做流場分析、又想做結構分析?
沒有前處理軟體 、 擔心剛接觸不會用 ?
MSC MSCOne 提供工程師需要的各種分析軟體，並能利用 Token 靈活切換使用。
加入 MSCOne 的優勢：
- 加速優化：利用以前沒有購入的軟體，帶給產品更好的進步
Accelerate innovation in your product line by taking advantage of simulation solutions that your company did not have access to previously.
- 提高生產力：建立一個靈活的分析環境，讓您的分析軟體隨著產品的階段而不同
Improve productivity and create a flexible environment, as your project and CAE needs mature or change.
- 降低財務風險：因應您的工程需求可以靈活分配使用量，且更靈活的響應工程優先事項
Reduce financial risk with the ability to increase or decrease capacity as your engineering needs change.
- 降低成本：原本因為預算考量或需求量不大而不能使用的軟體，都可以開啟並使用
Reduce cost and access infrequently used CAE applications that might otherwise be difficult to justify commercially. Consolidate your CAE software suppliers to most effectively stretch your limited budget.
可以使用的不單只有 MSC 的軟體，也包含了來自各方合作夥伴的工具 ，其目的就是為了提供使用者最靈活最經濟的方案 ，可以租用短期 Token ，也可以買斷永久 Token 。
假 如 您 是 以 下 狀 況 及 人 才， 那 麼 您 更 值 得 使 用 MSCOone
- 大型企業
- 中小企業預算有限或工作繁重的工程師
- 多學科(領域)工程師
- 解決整合性問題
- 專案經理/師 PM
- 執行CAE的工程師
- 技術人才
我 們 也 針 對 不 同 需 求 ，提 供 不 同 種 方 案 供 客 戶 更 靈 活 便 利 使 用 。
想 更 清 楚 的 了 解 如何為 eVTOL 無人機設計提供數位孿生支援 – MSCOne 的 細 節 ，歡 迎 來 電 (02)2712-8448 或 是 來信。
If you want to see what’s currently included in MSCOne ,please contact Simhex.
延 伸 閱 讀