eVTOL 真的更有效吗,未来交通革命距离我们还有多远?|顺为行业观察

2022-02-11  顺为Insights

本文转载自:极客公园前沿社

纯电动,低噪音,价格低,能像直升机一样着陆和起飞,像固定翼飞机一样巡航,不需要超长的机场跑道…… eVTOL(Electric Vertical Takeoff and Landing,纯电动垂直起降飞机)作为汽车电动化的延伸,提供了一种颇具未来感的空中出行方式,已经被看做未来交通革命的一部分。

目前,全球从事 eVTOL 开发的项目达 260 余项,科技巨头布局、资本频频下注,不少企业也定下五年内商业化的目标。

近日,VOLANT 沃兰特创始人 & CEO 董明在极客公园创新大会暨冬季会晤期间,探讨了 eVTOL 的行业现状和商业应用发展。

VOLANT 沃兰特成立于 2021 年 6 月,是 eVTOL 领域的新星创业公司,致力于研制安全、绿色、经济的客运级 eVTOL,成立 1 个月便完成数百万美元种子轮融资。2021 年 9 月,沃兰特代号为「TINY 小胖子」的 eVTOL 1:3 缩比验证机成功首飞,各项飞行特性符合预期,并为全尺寸技术验证机设计优化积累了珍贵的数据。

顺为资本曾于 2021 年 9 月宣布领投 VOLANT 沃兰特种子轮融资。

董明表示,虽然 eVTOL 领域内目前已有多个玩家正在探索,但不管技术成熟度还是商业应用等探索还处于早期阶段,产业链上下游并不足够清晰,还有很大的发展空间及时间去证实。

eVTOL 在国际上已经有近十年的发展历史,从 2016 年开始逐渐被公众所认知,资本圈、政府也开始关注和熟悉 | 图:沃兰特

在下文中,你将了解:

  • eVTOL 对比传统直升机有何区别?
  • 在应用层面,eVTOL  之于传统直升机的优势体现在哪里?
  • 当前,eVTOL 领域的技术路线有哪些?
  • 在未来,eVTOL 有哪些应用场景?发展前景如何?

……

欢迎在评论区与我们一同分享你的见解与看法。

董明 VOLANT 沃兰特创始人 & CEO,航空系统及 eVTOL 专家,从业 20 余年 | 图:前沿社

一、eVTOL 对比传统直升机

  • 新能源发展推动新航空动力型态产生

近年来电动汽车的发展推动了电能源形态的转变,尤其是动力电池,不管是能源密度、功率密度还是成本、效率都有极大的提升,所以使电储能、动力储能变成了一个可能。由于电形态的出现,在飞机上也形成了一种新的动力形态,叫分布式电推进系统。传统飞机是由内燃机或涡轮发动机推动,而这种推动形态因为其自身的价格昂贵、重量和尺寸较大无法实现分布式动力型态,所以传统飞机的发动机一般是 2-4 发。而目前在研的航空级电机以传统涡轮发动机千分之一的价格,十分之一的重量,能够实现以前不可能的分布式动力系统。

  • 分布式电推进新构型优势明显

1)成本角度,跟传统直升机相比,eVTOL 不管是采购成本还是运行成本都有显著的下降,预测采购成本可降低至原来双发直升机的 50%-70%,运行成本也仅是之前的 1/5-1/10,如双发(发动机)直升机每小时运行成本大约在 3000 美金,而 VOLANT 目前同种飞机初始运行成本目标可以做到每小时 300 美金。

2)安全特性得到极大的提高。传统直升机安全上表现并不是很好,其主要原因是直升机的复杂机构导致了维护复杂,而维护要求高在实际运行中很容易出现安全问题。而电传动的运行复杂度降低很多,固有维护要求降低,进而安全性得到极大提升。

3)噪声及排放问题得到解决。传统直升机运行噪音是很大的问题,eVTOL 状态平飞时由固定翼提供飞机升力,只有两台电动的推进电机,如果运行高度在 500 米到 1000 米的高度范围内,通过良好噪声设计,可以使飞行噪声混入环境背景噪声,使地面人员不易感知。

  • 应用层面 eVTOL 前景广阔,可立即取代直升机大部分用途

eVTOL 飞机是垂直起降,不需要机场、跑道,起降更加方便。eVTOL 平飞时是用固定翼状态(直升机没有这个状态),巡航效率非常高,更加便捷、安全,但悬停时的所需功率较平飞时高 5-6 倍,所以长时间悬停不能有效发挥固定翼 eVTOL 的效率优势。而直升机的悬停效率与平飞效率一样,适合悬停需求较多的运行场景。

二、eVTOL 技术路线

  • 多旋翼 Vs 倾转翼 Vs 复合翼

1)多旋翼,从控制角度和飞机设计角度是最简单的一个构型,它不需要考虑太多的气动及操稳等飞机总体性能。但是由于技术性能比较差,速度慢、航程短且平飞时噪音大,例如大疆的无人机等。因而适用的市场会比较有限。

2)倾转翼在 50-60  年代开始出现直到 80 年代末 V-22 投入使用,与传统直升机相比具有显著的速度,航程优势,但从 V-22 的服役历史来看,全损事故有 13  起,死亡人数超过 40 人,对一款军用飞机而言都是一个非常高的事故率。如此高的事故率表明贝尔直升机公司和波音公司 30 多年的研发,仍然无法充分识别,预防,处置倾转翼构型的相关故障模式和发生机理,所以无法采取合适地措施去维护、探测防止事故发生。要充分识别估值模式,机理,防护,处置等方面的技术,需要大量的数据,而全世界范围内很少有机构具备相应储备。

3)倾转翼的技术和直升机相比是有很显著优势,但是和复合翼相比,它的优势在 eVTOL 当前 200-300 公里航程范围内,并不显著,比如:从重量的节省上来说,倾转翼和 VOLANT 沃兰特 Tiny 这类新型复合翼构型相比, 大体上只能省掉两个推力,因为升力系统一个都少不了,即便把推力全部算上,节省可能还不到 3%,所以这方面优势只是微乎其微。

4)复合构翼型飞机,在飞行中遇到风切变,失控,失速等情况时,能够立即启动独立升力系统,把飞机在空中悬停并且受控下降着陆,这个功能的实现需要动力系统的准备及响应时间及短,而倾转构型需要数秒到数十秒的倾转过程,无法实现这一保护功能。

  • 纯电动 Vs 混动

混动系统的挑战在于如何平衡燃油动力系统和电动力系统的优缺点,重量对飞机性能的影响比汽车更为显著,额外的燃油动力系统会使系统复杂度上升,对维护要求也更高,需要慎重评估决策。此外,在除电池以外的能源型态方面,氢能是值得关注和研究的。

  • 续航问题

1)根据当前的能源形态,VOLANT 沃兰特采用的是锂电池,目标航程拟在 200-300 公里,续航 1 小时左右,升限在海拔 3000 以下低空飞行设计,不需要加压、供氧。

2)能源问题不仅会影响飞机的续航问题,也会影响飞机的形态。如果飞机可以是一个长航程的状态,航程可达到 1000 公里以上,飞机形态设计可能需要调整,比如飞的更快、飞的更高等,这就会带来一系列的不一样的系统要求,包括:动力方面就可能需要采用新的高速推进形态,比如涵道,还会需要加压、加氧以及卫生间,水废水等。

3)未来氢能源在飞行器上的应用是一个很值得探讨的方向,有很多重要的技术领域,比如储能,电堆等,从储能角度固态氢技术具有良好碰撞安全特性值得关注,电堆还面临许多挑战,比如功率密度,目前氢堆功率密度还达不到飞机需要的状态。

  • 航空器的 9 个等级

我们可以参考 70 年代 NASA 提出的技术成熟度等级(Technology Readiness Levels, TRL)框架把航空器的成熟度可分为 9 级。

1)一般认为 1-4 级是科学研究阶段,主要是发现科学原理及确认其应用性概念;

2)5 级,指可进行小规模的概念验证 POC,但不能在相关运行环境下做全面的展示;

3)6 级,验证试飞阶段,可以通过全尺寸技术验证机进行相关运行环境下的验证;

4)7 级,工程试飞阶段,7 级产品工程样机飞机的外形可能与 6 级非常接近,主要区别在于研制体系及系统供应方式上, 7 级阶段试飞,在初始试飞时通常飞机的包线,性能,功能都不完备,需要通过工程试飞逐渐把飞机的飞行包线打开,性能飞出来,功能实现完整。7 级结束的标志叫做 TIA ,即飞机的性能、功能都被测试完了,就进入 8 级。

5)8 级,审定试飞和正式验证阶段。8 级结束的标志叫 TC ,就是飞机的设计批准,设计批准后生产的飞机才有可能拿到适航证,然后才能投入商业运行。

6)9 级,In Service 阶段,即投入服务的一个状态,这个阶段的飞机仍然需要持续优化,降低成本,部件更新等。

研发 eVTOL 的能力要求 | 图:沃兰特董明

  • 飞机研制的核心要素

1)飞机的研制是有一项非常复杂、多专业,多学科,且高度规范的过程。上图中提到的每个词都是一个深刻的专业方向,都需要做大量繁杂的工作,所以产业链上下游的水平对飞机的研制有着较大的影响,例如从材料上来讲,现在航空业普遍的方向是大量使用碳纤维辅材,跟传统的金属飞机相比,碳纤维的成型取决于纤维本身的特性、树脂的特性及成型工艺等多个因素,所以整个建立复材可用性的过程,是一套科学完备而复杂的试验过程,我国通过 ARJ21 和 C919 等民机项目,已经投入了大量的资金和努力建立了材料体系,国内现在已经有少数几家单位具备可用的数据,如果没有数据,所有的设计是没有依据的。

2)飞机是一个很强调系统工程的行业,以确保所有设计过程都是完全可被追溯的,错误是可以被识别和检查的。

3)航空业是一个高度监管行业,同时飞机是一个高度复杂研制过程,局方不可能事无巨细地进行监管,只能抽查。所以飞机研制体系能不能支撑这样一个研制过程就是至关重要的,如果研制体系不能支撑这样的研究工作,当局方审查的时候,会很容易暴露出大量问题和风险,会丧失或者降低局方的信任,就意味着时间节点会大量的延迟甚至不可实现。

三、eVTOL 的应用和商业发展

  • eVTOL 的应用场景选择

1)货运,有限但更早

eVTOL 在货运的应用中最大的挑战将是经济性。使用这种新型飞行器,和传统的运输方式,卡车、火车或轮船等运输方式相比,从载重上来看,传统大运力的运载工具效率会更高很多,所以能够实现 eVTOL 货运商业闭环的场景将非常有限,但如果具备,其启动时机可能会比客运场景更早。

2)客运,必然的核心发展方向

人的时间价值远远高于货物。广泛的空中出行将会是一个未来必然的方向,它会嵌入到人们的生活。效率上,可以极大提升城市交通的效率,同时因为没有颠簸及交通拥堵等问题,也会大大增加出行舒适度。

  • eVTOL 商用商业角度考量因素

政策及市场环境

1)空域方面实际上有两个不同的问题。一是空域管理,中国的空域管理在逐步开放的过程中,但是不论中外,大部分城市上空的空域都属于管制空域,都需要审报-批准过程,真正制约 UAM(城市空中交通)发展的是第二个问题空中交通管理,表面上的指标之一是审报-批准时间,目前美国的目标是 3-5 分钟,中国则是以天为单位。在实现以分钟记的高效空中交通管理之前,中国 UAM 只能采用提前大量审报航线的类 shuttle 模式运行。

2)公众接受度是 UAM 成功与否的决定因素之一,噪音、视觉污染、地面人群安全困扰等都是重要影响因素,需要持续研究。

产品&商业模型双闭环

1)产品及用户角度,eVTOL 在未来城市的短途交通中具体可以切入哪些应用场景,通航需求是否足够多,和传统交通相比如何定价以及不同人群对价格敏感度等问题都需要持续探索和验证。

2)商业闭环角度,还需要在未来的一段时间里逐步地去摸索和判断商业模型,包含成本结构是否合理以及要考虑到各方的收益平衡等问题都至关重要,如商业模型不能闭环,即使技术和产品模型都走得通,也无法实现有效的市场。

  • 客运 eVTOL 无驾驶员化是必然,但不是现在

客运级 eVTOL 无驾驶员化将是一个必然,但就人类当前所掌握的航空技术水平而言,无驾驶员客运尚不具备条件,主要原因:

1)外部探测及处置能力不足。飞行中需要探测的外部因素很多,包括配合目标,非配合目标,气象及其他,当前最尖端的航空探测系统也无法实现可靠非配合目标探测,气象探测所依赖的气象雷达需要实现小型化才能在 eVTOL 这种小型飞机上使用,但小尺寸雷达将制约其技术性能,处置方面即便对于配合目标的冲突处置也需在系统提示后,由飞行员综合判断处置,非配合目标冲突,危险气象的自动处置方面差的很远。

2)系统故障的探测和处置能力不足。飞机内部各系统的交联高度复杂,哪怕是 eVTOL 这样的小飞机,任何一个系统出现故障,都有可能产生复杂的故障级联,航空业对故障探测,隔离,处置有非常深入的研究和经验,但即便是当今最先进的客机,也无法实现系统自动处置,而需要由飞行员来综合判断和处置。

eVTOL 产业链模型 | 图:沃兰特董明

  • eVTOL 产业链尚在早期,还有很大发展空间

从整个产业链宏观来看,这是一个简化的产业链模型(上图),目前 eVTOL 的发展,整个产业链还处于早期阶段,不管是上游还是下游都并不足够清晰,还有很大的发展空间及时间去证实。VOLANT 沃兰特目前在做的事情,是选择从产业链的核心位置进行切入,促进整个产业的发展,并和市场、产业链上下线游共同推动行业健康发展。

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