展望城市交通的未来 | 智能交通

发布日期:2019-11-02 10:00
轻型电动垂直起降飞机能解决城市拥堵问题吗?



全球日益增长的城市化正在交通和能源领域带来越来越困难的挑战,但马里兰大学(UMD)的工程师认为,电动垂直起飞和降落(EVTOL)飞机的前景是有解决方案的。
就在十年前,空中出租车和配备“垂直港口”站的城市景观的想法可能看起来像是最新的科幻小说,但随着电动汽车的技术进步和商业成功,人们的目光正转向天空,看看电力和推进的相似概念如何能够创造出能够安静、安全地运送人的新一代人工智能轻型航空器。在密集的城市环境中高效。
“eVTOL比传统直升机有很多优势,”UMD A.James Clark工程学院副教授Anubhav Datta解释说。“它们不会造成传统发动机的污染,没有发动机噪音,需要的机械部件更少,而且根据设计的不同,飞行可能更容易,对自主性的反应也更快。”

虽然eVTOL技术还处于起步阶段,但Datta从一开始就参与其中。他发表了第一篇同行评议的期刊文章,展示了eVTOL的可行性,展示了载人超轻型多用途直升机的三种全电动选项的概念设计,并预测了该领域的发展。从那时起,他一直在带头努力扩大eVTOL的基础研究,创建技术知识池,并开发多学科教育和推广计划。

在马里兰州,Datta和他的研究生正在进行几个项目,以解决阻止eVTOL成为日常现实的一些主要障碍。

eVTOL成功的一个主要障碍是开发轻量级机载电能存储系统,使这些飞机能够在有足够储备的情况下飞行更长时间。根据Datta的说法,用于消费电子产品和汽车的锂离子电池能耗太低,不能作为长期解决方案。必须制造电池以满足VTOL要求或探索替代电源,例如博士生艾米莉·菲斯勒的工作,她正试图量化这些要求,并探索未来电池的更先进的化学方法。

Datta与学生Wanyi Ng和Mrinal Patil一起,也在探索氢在燃料电池中的应用,作为一种可再生和清洁的能源。氢气可以储存的能量是当前电池的四到五倍,但高功率燃料堆很重--因此Datta的团队正在寻找方法,通过在高功率负载(如起飞和着陆)期间使用补充电池来提高输出,从而最大限度地利用氢气的能源效益。

自2017年以来,UMD航空航天工程部赢得了由美国陆军、NASA和美国海军共同资助的两项eVTOL多年研究任务。作为这项工作的一部分,博士生布伦特·米尔斯(Brent Mills)制造了一种独特的混合电动发动机--能够为一架缩小的50磅VTOL飞机提供动力,以测试和获取发动机的机电特性数据。未来的飞机设计者可以将这些数据用于概念化和建造车辆。

电力驱动的一个关键优势是,它们不需要沉重的、互连的机械轴来驱动多个转子。虽然多个旋翼效率较低,但它们使飞机更加稳定和可操作性,这可能会减少未来飞行员的培训时间,并使它们在城市环境中操作更安全。此外,更容易控制使他们更容易接受自主操作。

根据Datta的说法,UMD的eVTOL研究的一个关键优势是该大学历史悠久的Glenn L.Martin风洞。它建于1949年,是大学校园中为数不多的几条大小隧道之一。这一设施使他们能够从直接观察中获得真相数据,这对先进旋翼飞行器的安全设计至关重要,但远远超出了最好的计算工具所能预测的范围。在隧道中进行模型试验需要专用钻机。

其中一个这样的钻机是马里兰倾斜器钻机(MTR)。MTR旨在研究先进的螺旋桨和机翼组合的空气力学,它在塔架上有直接的电力驱动,因此在项目过程中收集的数据也可以应用于eVTOL。MTR可以测试直径达4.75英尺的马赫级转子,其特点是可互换的叶片和轮毂以每分钟2,500转的速度旋转,并且具有可互换的支架,可以改变机翼的行为。

达塔说:“这是大学校园中唯一的此类试验平台,开发它的博士生正在为马里兰未来十年的倾斜仪和eVTOL研究奠定基础。”

Datta是美国直升机协会(AHS)2014年首次eVTOL研讨会的成员,2016年担任NASA航空研究所(NARI)城市空中机动性转型垂直飞行工作组主席,并领导AHS于2019年成立eVTOL技术委员会,将eVTOL确立为一门独特的技术学科。该委员会由Datta担任主席,包括来自行业、政府和几位UMD校友的技术领袖,他们已经成为旋翼领域的领导者。

作为这些努力的一部分,Datta在垂直飞行协会(VFS,以前的AHS)和NASA的支持下,创建了第一个eVTOL正式教育课程,现在每年在VFS论坛和美国航空航天学会(AIAA)航空论坛上教授。

Datta认为,通过eVTOL进步更好地利用空域的承诺可以带来更节能的运输解决方案,但仍然需要开发大量的研究和专业知识来推动这一新领域的发展。

达塔说:“通过马里兰州的研究工作,我们不仅仅是在建设eVTOL的未来,我们还为学生提供机会,使他们成为下一代工程师,他们将拥有知识和实践专长,走出去,成为该领域的主要贡献者。”