美国《航空周刊》编辑：戳破eVTOL行业泡沫
航空制造网 2024年09月18日 09:48 北京8人听过
考虑投资一家eVTOL公司？
美国《航空周刊》编辑比尔·斯威特曼提出了在您掏出辛苦赚来的钱之前应该问的十个问题。
01
为什么还没有人展示过一次充电即可完成25英里往返、且携带相应负载的eVTOL飞行？
1909年，路易斯·布莱里奥仅凭25马力的动力就成功飞越了英吉利海峡。为什么至今还没有任何eVTOL制造商完成类似的壮举呢？
Joby公司已经实现了134海里的电动飞行距离，但这是在没有负载、在封闭电路上完成的，且仅包含一次能耗较大的起飞和降落。
续航问题有两个根源：eVTOL虽然环保，但效率并不高。一台拥有36英尺旋翼直径的小型直升机，其旋翼面积是拥有六个6英尺直径旋翼的eVTOL的六倍，而垂直飞行所需的功率与旋翼面积成反比。携带如此多的发动机功率和电池容量会增加整个飞行过程中的重量，而对于拥有独立升力和推进系统的eVTOL来说，停止升力的旋翼会增加阻力。
将一架本身效率就不高的飞行器与电池动力相结合——而当今电池的能量密度（瓦时/千克）相比碳氢燃料有30 : 1的劣势——就产生了一个问题。能够提供足够能量密度以完成包含四次垂直飞行段的25英里往返任务的电池，目前还根本不存在。
在有人展示这一参考任务之前，eVTOL仍然处于等待路易斯·布莱里奥飞越英吉利海峡的等效阶段。
02
你对电池技术能够提供足够的功率密度，以及承受频繁、深度、快速充放电的能力有何信心？
我们应该对不断发展的电池技术抱有希望吗？
锂离子电池（L-ion）对旅行的影响可与蒸汽机和内燃机相提并论。电池技术仍在不断发展，但自从插电式电动汽车达到大多数消费者可以接受的续航里程以来，并没有确切迹象表明能量密度会再次实现如此大的飞跃。目前，该行业正专注于降低成本、提高耐用性和解决安全问题。然而，eVTOL不仅需要能量密度。汽车推进系统的工作循环较为轻松，在恒定速度下仅使用其功率的一小部分。相反，eVTOL的工作循环不仅更加紧张，而且经常出现峰值。在电池术语中，这被定义为C倍率。1C倍率表示电池将在一小时内放电完毕；10C倍率则将在六分钟内放电完毕，而C/2倍率则需要两小时。2024年初，橡树岭国家实验室的一篇论文研究了eVTOL电池在起飞和降落期间产生的高C倍率。研究人员指出，“在公开文献中，关于在这些极端功率条件下研究锂离子电池的实验数据集非常有限。”研究人员确定，eVTOL电池需要45秒的15C能量脉冲来提供起飞动力。在模拟eVTOL运行的测试中，最先进的电池在经过85次循环后显示出性能大幅下降。
03
你凭什么认为你能够制定一个确定的认证时间表？
当前的设计是否能够从原型演变为生产车辆？
迄今为止飞行的eVTOL实际上是“X型飞机”，在尺寸和复杂性上与其他VTOL飞机和直升机相当。这种高盘载、具有电力和飞行关键集成飞行/推进控制的过渡型飞机在商业飞行中是完全新颖的。
苏格兰咨询公司Sophrodyne Aerospace的空气动力学家理查德·布朗博士对高负载多旋翼配置进行了计算流体动力学（CFD）模拟。他的研究表明，通过多个旋翼的流管相互作用是复杂的，每个旋翼在前进速度变化时对其相邻旋翼的影响都不同。高负载系统在快速下降时容易进入涡环状态，并且与地面的相互作用将是复杂的，伴有不均匀的外流模式，包括高速喷射流。
eVTOL车辆的开发者打算通过紧密集成的飞行和推进控制系统（IFPCS）来管理这种复杂性，该系统不仅必须可靠，而且必须高度响应。
如果电机发生故障，IFPCS必须确定是哪个电机发生了故障，并通过减少车辆相对侧象限的功率来进行补偿，同时增加剩余旋翼的功率以保持水平飞行。如果遇到湍流，IFPCS需要应用差动功率，而不会错误地将这种现象解释为由故障引起的——这可能导致过度修正的循环。
如今，即使是像Textron Denali这样的传统飞机，从推出到认证似乎也需要十年的时间——因此，为eVTOL报出少于这个时间似乎有些雄心勃勃。
04
放弃当前的能量储备规则是否合理（或安全）？
如果在到达垂直起降场之前电池耗尽，会发生什么？
弗吉尼亚州费尔法克斯的垂直飞行协会战略总监迈克·赫希伯格称，提议的城市空中出行（UAM）飞行储备规则——白天计划飞行时间外额外储备30分钟电量，夜间45分钟——是“行业杀手”。相反，他呼吁制定基于性能的规则，因为eVTOL可以“在任何地方着陆”，比如街道或田野。
当然，如果eVTOL在电池耗尽后降落在道路上，将会阻塞交通，直到其充电完毕，而乘客则面临数小时的延误。城市开放区域及其周围存在障碍物。大规模事件（如机场上空突然出现的暴风）可能意味着数十架eVTOL在同一区域寻找紧急着陆点。减少储备将意味着任何操作故障都会使飞行员面临许多选择，而没有时间选择最坏中的最佳方案。
05
这种商业模式与优步截然不同，那么它是如何运作的？运营商和支持业务（垂直起降场、空中交通管理）如何获得收益？
eVTOL真的会成为“飞行出租车”吗？
优步让车主/司机承担资本、运营、维护和保险成本，并将导航外包给第三方平台。城市空中出行运营不能这样运作，而必须支持三个不同的业务。
城市空中出行模式首先从运营和支持车辆的公司——公共航空承运人——开始，并雇佣飞行员。第二组企业是“向城市空中出行提供服务的企业”（PSU）。PSU将负责为城市空中出行划定的低空域、空中交通管理、天气和危险监控以及飞行规划，包括垂直起降场时段的分配。第三组公司将运营垂直起降场，并且有迹象表明，一些投资者已经在确保可能地点的权利。
然而，城市空中出行在一方面必须像优步一样：动态定价。否则，按小时、按天和按季节划分的城市出行市场不太可能实现盈利。这三组公司将通过费用结构共享收入。
06
飞行员将从何而来？
你会花费10万美元接受eVTOL飞行培训吗？（CAE）
城市空中出行（UAM）至少需要初期配备飞行员。即使未来的车辆实现无人驾驶，也仍然需要接受过飞行员训练的监督人员。（它们永远不会实现完全自主——将有一个庞大的人类监督系统来指挥它们。）
大约60年来，随着军事飞行员队伍的缩减和航空公司的扩张，低薪的初级职位和昂贵的培训课程一直是一个可行的模式，因为飞行员们寄希望于未来能够驾驶大型喷气式飞机。UAM领域将需要太多的飞行员，以至于这种模式无法适用，那么如果飞行员担心UAM商业计划的下一阶段是让他们失业，他们怎么会愿意花费10万美元接受培训呢？
07
人们会愿意乘坐eVTOL吗？
乘客们（大多数情况下）会毫无畏惧地登上客机。同样的情况也适用于eVTOL吗？
如果你看过宣传用的计算机生成图像，其中通勤者们在安静的玻璃壁舱内平稳骑行，悠然地飞越交通堵塞和拥挤的火车，这个问题可能看起来有些愚蠢。
当然，无论是乘坐小型飞机还是天气情况，都并不总是如此，但并非每个人都知道这一点。在那种条件下飞行过的人口比例如此之小，以至于市场研究几乎没有意义。重要的是要记住，eVTOL将在低空飞行，通常是在云层中，无法看到地面。雨，更不用说冰雹了，将会让人明显感受到它的存在和声音。轻量级的eVTOL在风暴、高楼或城市热气流引起的湍流中会颠簸。这可能会比乘客预期的更加刺激。
温室舱内的供暖和空调将受限于电池所能提供的能量。
08
eVTOL如何能在运营初期就达到或超过Part 135或直升机的安全水平？
直升机的事故率是大型商用飞机的10倍，每小时致死率是大型商用飞机的17倍。eVTOL的情况将如何？
在eVTOL服务的早期，它们将成为新闻焦点。在城市环境中，各种网络摄像头将在白天捕捉到大多数运营情况，而eVTOL用户将直播他们的体验。事故是不可避免的——问题是公众能接受的事故率是多少？
Part 135运营——30座以下的公共运输飞机和直升机——的事故率是大型商用飞机的10倍，每小时致死率是大型商用飞机的17倍。按照这个比率，1000架eVTOL每年只会发生一起致命事故——但由于行程时间更短，加上低空飞行和天气因素，eVTOL运营相比平均Part 135服务将面临更高的固有风险。
与直升机的比较则更不容乐观。2020年飞行安全基金会对乘客直升机安全性的研究（不包括紧急医疗服务和其他非运输活动）显示，其致命事故率是Part 135平均水平的6倍。按照这个比率，一个由1000架eVTOL组成的机队（这是eVTOL支持者认为一个大都市区域典型的较低数量）每年将发生10.8起致命事故，即大约每月一起。
2017年引发eVTOL热潮的Uber Elevate报告设想，eVTOL的致命事故率可以降低到“Part 135平均水平的四分之一，使VTOL的安全性达到驾驶的两倍”。然而，它并没有说明如何实现这一点。支持者引用了具有多个发动机和推进器的“冗余”以及高水平的自动化——但冗余总是伴随着它令人不快的伙伴——复杂性。功能越多，自动化系统就越难判断哪里出了问题并采取正确的纠正措施。
09
城市空中出行（UAM）任务与空中交通管理将是动态且复杂的。如何确保其可靠性？
未来的空域环境可能既复杂又动态。（美国国家航空航天局）
如果电动垂直起降（eVTOL）运营如行业预期和商业模型需求那样扩展，任务管理将是一项艰巨的挑战。在近乎实时的情况下，乘客的出行请求将生成一个拟定的飞行计划和费用报价，而付费预订则将分配车辆、确定飞行计划（避免与其他计划冲突）并预留垂直起降场的时段。如果一个都市区有1,000架eVTOL每小时执行多次飞行任务，那么可能每秒都会产生一个新的飞行请求。
如果在这个复杂的序列中发生破坏性事件，会有多少其他事件因此受到影响？假设一架eVTOL在高需求的市中心垂直起降场出现故障，需要更换零件才能飞行。系统经济性不支持在数百个停机坪和港口储备零件，更不用说维护人员了。
如果它在那里停滞90分钟，那么原计划在这段时间内使用该停机坪的五架或更多车辆将被迫地面等待。进而，每架等待的车辆都会阻碍原计划在其等待的停机坪上执行的飞行任务。而这些车辆中的每一架都预订了随后的几个航班，现在这些航班都必须重新规划。
系统中的平均异常情况会扰乱少于还是多于一个的其他任务？如果答案是“多于”，那么你将面临一个指数级增长的问题。
10
城市空中出行被宣传为解决城市拥堵的方案。但真的是这样吗？
eVTOL真的能缓解我们道路上的拥堵吗？
这是一个规模问题。伦敦希思罗（LHR）机场2023年最繁忙的一天——即最需要减少拥堵的那一天——是12月22日，当天服务了25万名乘客。历史上，LHR的始发和终到交通与中转乘客的比例稳定为2 : 1，因此eVTOL需要容纳超过16,600名乘客，才能替代10%的铁路或公路交通。以80%的载客率计算，四乘客eVTOL需要执行超过5,200次起降才能达到这一目标。这意味着在06:00至23:00之间，平均每24秒就有一次起降——但还会存在早晚高峰。即使不考虑高峰时段，并假设每次周转时间为十分钟，该运营也需要200多架飞机和30个eVTOL停机坪——更现实的数字可能是50个或更多。有人想听听英国国家空中交通服务局（NATS）对此的看法吗？
即使城市空中出行网络每天能够运送数万人，大城市的通勤人数也是以百万计的。一列满载的地铁列车运送的人数相当于200多架eVTOL。需要多少架eVTOL才能对地面拥堵产生显著影响？
这表明，eVTOL充其量只是为富人提供的工具，以不菲的能源成本将城市商业中心与主要道路和铁路网络之外的偏远地区连接起来。这其中的社会利益何在？
-END-
作者：BILL SWEETMAN（1956年出生于英国汉普郡贝辛斯托克）曾任《简氏》编辑，现为《航空周刊》集团编辑。他是50多本关于军用飞机的书籍的作者，现居住在明尼苏达州奥克代尔。
来源：世界航空运输，向哥谈无人机和低空经济
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