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。
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。隨著城市化進程加速,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。
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 | 技術挑戰 | 法規 |
|---|---|---|
| 確保長期可行性、確保現有基礎設施足夠、確保安全(特別是飛越人口密集城市上空)、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、控制系統和動力學、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,可細分為六大技術維度。
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。eVTOL 對電力的需求遠高於地面電動車,必須設計出具有更高功率密度的電力系統,同時面對高速飛行帶來的推力負載與轉子負載挑戰,冷卻系統也必須能在高空飛行及俯仰、回轉等高動態操作時維持穩定運作。
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;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。
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。
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。
Hexagon 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:外部與社區噪音的模擬與預測、轉子噪音的傳播與抑制(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(透過系統建模、傳動鏈分析與震動源追蹤加以控制)、以及艙內噪音分析(結合結構聲學模擬與材料選擇,提升艙內靜謐品質)。
eVTOL 是全球最炙手可熱的賽道之一,但結構輕量化、氣動彈性、噪音與適航認證都是嚴峻挑戰。本文介紹 Hexagon 從零組件、動力系統到整機層級的數位孿生解決方案,並說明 Actran 如何協助降低 eVTOL 噪音、提升社會接受度。
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