引 言

作為未來空中交通產(chǎn)業(yè)的核心細分領域，eVTOL（Electric Vertical Takeoff and Landing，電動垂直起降飛行器）已成為全球最熱門的賽道，吸引了包括初創(chuàng)公司、航空巨頭、出行服務商和汽車制造商在內(nèi)的數(shù)百家企業(yè)競相布局。中國在該領域已涌現(xiàn)出一批具有代表性的創(chuàng)新企業(yè)。

出行作為人類社會生活的重要組成部分，在個人生活、經(jīng)濟發(fā)展和社會結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著關鍵作用。縱觀歷史，從步行、馬車到蒸汽機車、汽車和飛機，每一次交通工具的革命都深刻重塑了人類出行方式與社會結(jié)構(gòu)，推動著社會進步。如今，汽車雖已成為最普及的地面交通工具，但其大規(guī)模使用也帶來了諸多挑戰(zhàn)：全球各大城市普遍面臨交通擁堵問題——2019年英國司機平均擁堵時長達115小時，相當于損失了69億英鎊的潛在經(jīng)濟價值；同時，汽車排放導致的溫室效應正威脅著人類生存環(huán)境，促使各國政府和企業(yè)積極落實低碳減排承諾。

在此背景下，隨著城市化進程加快和人們對高效互聯(lián)的需求提升，發(fā)展城市空中交通解決方案勢在必行。eVTOL憑借電動推進系統(tǒng)和垂直起降能力，結(jié)合近年來快速發(fā)展的電儲能技術、電機技術及分布式電推進系統(tǒng)（DEP），展現(xiàn)出綠色低碳、安全高效的優(yōu)勢，正成為未來城市空中交通（UAM）和區(qū)域運輸?shù)睦硐胼d體。摩根士丹利預測，全球UAM市場規(guī)模將在2040年突破1萬億美元，到2050年更將增長至9萬億美元。

目前，中國eVTOL產(chǎn)業(yè)在政策支持、技術突破和商業(yè)化落地三個方面同步取得進展，已成為驅(qū)動低空經(jīng)濟發(fā)展的核心動力。這個充滿前景的賽道不僅吸引了航空領域?qū)I(yè)企業(yè)，更匯聚了跨行業(yè)創(chuàng)新力量，展現(xiàn)出多元化的發(fā)展格局。

01

eVTOL研發(fā)面臨的挑戰(zhàn)和適航認證

與eVTOL相關的挑戰(zhàn)分為三大：商業(yè)、技術和監(jiān)管（符合法規(guī)），如下圖所示。商業(yè)挑戰(zhàn)是圍繞商業(yè)運營、確保可行性和社會接受度的挑戰(zhàn)。技術挑戰(zhàn)關注與設計和工程相關的挑戰(zhàn)，主要是產(chǎn)品的性能，包括安全性、可靠性、經(jīng)濟性、舒適性、動力性能等。監(jiān)管挑戰(zhàn)涉及認證和標準合規(guī)性以及運營政策和空域管理。

eVTOL面臨的挑戰(zhàn)

eVTOL研發(fā)面臨的挑戰(zhàn)主要是技術挑戰(zhàn)。細分一下，有以下6個緯度：

1. 結(jié)構(gòu)設計&輕量化：產(chǎn)品設計涉及零件、部件的結(jié)構(gòu)性能，裝配性能；先進材料的應用涉及材料的性能參數(shù)、許用值，缺陷影響，材料替換、材料生命周期管理；加工工藝包括增材制造工藝、成型工藝、焊接工藝以及熱處理等，以及從材料到工藝、到部件、再到整機結(jié)構(gòu)的完整性分析。
2. 氣動彈性設計：氣動彈性是結(jié)構(gòu)和流體的耦合，是空中飛行器設計至關重要的考核內(nèi)容。
3. 多體動力學：重點研究推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的運動及部件受力。
4. 推進和排放：主要從CFD領域分析流場和熱。
5. 飛控和動力：涉及控制系統(tǒng)性能、控制策略、電子設備熱管理和熱機耦合等。
6. 噪聲預測：分析艙內(nèi)艙外噪聲，優(yōu)化聲學處理措施，提高舒適性和符合環(huán)保要求。

eVTOL研發(fā)面臨的挑戰(zhàn)

開發(fā)eVTOL并不像將燃油車改裝成電動車那樣簡單，圍繞安全性和適航性還有其他的挑戰(zhàn)和嚴格的標準需要應對。如可靠性（充電并進行最低限度的安全檢查）、故障保護和系統(tǒng)冗余、eVTOL有更大的電力需求，需要設計更高的功率密度以實現(xiàn)輕量化和性能提升、還有高速度帶來的工程挑戰(zhàn)、推力和轉(zhuǎn)子負載，這兩種負載均是電動汽車所沒有的。冷卻要求，需確保冷卻系統(tǒng)在高空以及俯仰和回轉(zhuǎn)機動操作期間的有效性。所有這些都需要在產(chǎn)品認證前通過全面的測試加以驗證。

關于eVTOL適航認證標準，目前主要有2個：1. 美國 FAA 認證。美國聯(lián)邦航空局（FAA）對eVTOL的認證主要參考其對無人機和輕型飛機的認證標準，同時結(jié)合eVTOL的特殊性制定的新規(guī)則。FAA強調(diào)飛行器的冗余設計、故障容錯能力和數(shù)據(jù)鏈路可靠性。2. 歐洲 EASA 認證。歐洲航空安全局（EASA）制定和發(fā)布了專門針對eVTOL的認證標準，重點關注飛行器的安全性、可靠性和環(huán)保性能。未來隨著eVTOL技術的普及，可能會出現(xiàn)全球統(tǒng)一的認證標準，以簡化跨國運營的流程。

02 海克斯康針對eVTOL研發(fā)挑戰(zhàn)的解決方案

海克斯康具有豐富的涉及多個學科的仿真解決方案，如結(jié)構(gòu)、工藝、系統(tǒng)動力學、材料工程、自動駕駛、CFD、聲學等。通過我們團隊的合作，能夠創(chuàng)建用于整機設計和分析一體化的解決方案。

海克斯康一體化組合解決方案

海克斯康的解決方案，涵蓋了從部件到子系統(tǒng)、再到整機系統(tǒng)完整的解決方案。比如對動力系統(tǒng)的分析，從傳動系統(tǒng)的設計數(shù)據(jù)，亦或加上電磁模型，建立Romax傳動系統(tǒng)仿真模型，結(jié)合控制模擬，則可以進行轉(zhuǎn)子動力學、瞬態(tài)響應、傳動系統(tǒng)噪聲預測、熱分析、傳動元件疲勞壽命，流體流動和空氣動力學分析等。結(jié)構(gòu)性能分析，由設計數(shù)據(jù)到CAD模型，建立FE分析模型，通過與多體動力學軟件的聯(lián)合，分析結(jié)構(gòu)載荷、沖擊載荷，進行結(jié)構(gòu)強度的校核和優(yōu)化，實現(xiàn)輕量化。在動力學系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)分析的基礎上，進而進行整機分析，分析整機的空氣動力學，艙內(nèi)聲學、航空聲學、機身振動、零件疲勞等。

海克斯康對于eVTOL動力系統(tǒng)的解決方案，具體來說，涵蓋了傳動系統(tǒng)動力學仿真、動力元件結(jié)構(gòu)分析、疲勞壽命分析、旋翼動力學仿真、噪聲分析、空氣動力學、冷卻、潤滑的熱流分析，控制仿真，復合材料仿真建模和材料性能分析、材料管理等。利用海克斯康的方案和工具，可以應對eVTOL研發(fā)所面臨的各種挑戰(zhàn)，幫助你得到安全、高效、可靠、耐用、可持續(xù)、高功率和安靜的動力系統(tǒng)的最佳設計。

海克斯康 eVTOL方案: 動力系統(tǒng)

海克斯康 eVTOL機身仿真方案，涵蓋了從概念設計到整個生命周期的全過程。

海克斯康 eVTOL方案: 機身仿真

海克斯康 eVTOL解決方案，可以解決的具體問題如下：

1、安全性

安全性是eVTOL的首要指標，在安全性方面，海克斯康的解決方案可以解決的問題包括：

? 約束保護系統(tǒng)性能分析-人與貨物

? 耐撞結(jié)構(gòu)設計與仿真

? 破損區(qū)域，能量吸收結(jié)構(gòu)優(yōu)化

? 虛擬跌落測試

? 鳥撞模擬

? 墜撞后引發(fā)的火災模擬

? 分布式推進和線控飛行系統(tǒng)設計

2、可靠性

eVTOL快速周轉(zhuǎn)的要求，意味著在運行停留期間沒有時間進行詳細的檢查或維護，因此車輛必須能夠長期持續(xù)運行，具有高可靠性。在可靠性方面，海克斯康的解決方案可以解決的問題包括：

? 耐久性周期模擬

? 生命周期疲勞仿真

? 維修和大修時間表

? 組件更換間隔

? 先進材料發(fā)展，復合材料疲勞分析

? 電池模擬

? 數(shù)據(jù)管理

3、結(jié)構(gòu)設計&輕量化

目前的旋翼飛機對于垂直起降作業(yè)來說太重了，要滿足行業(yè)需求，就需要開發(fā)先進材料和使用優(yōu)化技術。海克斯康的解決方案可以提供：

? 創(chuàng)成式設計與制造仿真

? 結(jié)構(gòu)布局驗證(GFEM, Pre-CAD)

? 復合材料強度分析

? 增材制造(復合材料及金屬)

? 材料生命周期管理

? 智能工廠-數(shù)字線程-工業(yè)

4、聲學

eVTOL需要不分晝夜地在人口稠密地區(qū)飛行，噪聲污染是一個社會關注的問題，降低垂直起降飛行器的噪聲水平是獲得廣泛接受的關鍵考慮因素。海克斯康的解決方案可以解決：

? 外部噪聲/社區(qū)噪聲

? 轉(zhuǎn)子噪聲的傳播和抑制

? 齒輪和電機噪聲

? 內(nèi)部噪聲/ 乘員舒適性

? 噪音傳輸和緩解

? 齒輪/轉(zhuǎn)子噪聲和振動

5、飛控系統(tǒng)

將強大的線控飛行系統(tǒng)和增強的人工智能與新穎的飛機配置相結(jié)合，是減少飛行員工作量并最終轉(zhuǎn)向全自動駕駛的關鍵因素。海克斯康的解決方案可以解決：

? 結(jié)構(gòu)方案設計

? 傾旋翼、固定翼、多旋翼

? 起落裝置

? 控制機制

? 控制系統(tǒng)與控制策略

? 振動分析與緩解

? 性能分析

? 功率要求

? 正常飛行包絡線

? 緊急情況

6、推進＆排放

為提高eVTOL的性能和環(huán)保性，海克斯康的解決方案可以幫助你：

? 確定推進裝置的數(shù)量、大小和位置

? 分析和優(yōu)化推進系統(tǒng)設計

? 電驅(qū)動

? 混合動力

? 效率高渦輪軸發(fā)動機

? 熱管理

? 電池

? 排放

7、氣動和氣彈設計

準確預測旋翼飛行器的氣動彈性和空氣動力學穩(wěn)定性是成功設計各類旋翼飛行器的關鍵。海克斯康的解決方案可以解決的問題包括：

? 轉(zhuǎn)子或管道風扇

? 數(shù)量

? 尺寸

? 位置

? 機身空氣動力學

? 性能

? 正常操作條件

? 緊急情況

? 氣彈顫振分析

8、 加工工藝和成本

? 機加工部件 

? 對于CNC加工，用戶在一個高性能的CAM系統(tǒng)中優(yōu)化和模擬整個制造過程，以預測制造一個零件或一批零件所需的加工時間和成本。 

? 增材制造部件

? 在概念設計階段，用戶根據(jù)加載路徑優(yōu)化他們的零件，最小化所需材料的數(shù)量，并最小化使用3D打印機實際打印一個零件所需的時間。

? 用戶還可以模擬實際的打印過程，從而預測熱變形，減少所需的支撐結(jié)構(gòu)，并確保第一次打印成功。 

? 鋪層復合材料部件

? 對于航空中常見的復雜的雙曲面，用戶需要通過碳纖維懸垂工藝確保零件的完整性。使用內(nèi)置的碳纖維材料數(shù)據(jù)庫或定制的內(nèi)部專有材料數(shù)據(jù)庫，用戶可以在復合材料層板制造之前預測其成型性，以確保成功。 

? 沖壓鈑金件

? 第一時間準確地開發(fā)零件的平面圖案，包括緊固件和鉚釘孔的位置，這樣可以減少材料成本和開發(fā)試驗的次數(shù)。從而減少或消除對昂貴的原型和工具返工的需要。

應用案例：德國Lilium公司，使用Actran軟件全面分析飛行器噪聲。

03

從設計到生產(chǎn)的全鏈路賦能

? 海克斯康 eVTOL解決方案為eVTOL 提供了產(chǎn)品設計和適航認證各級仿真工具。

? 海克斯康豐富的多學科仿真解決方案，從材料、工藝、結(jié)構(gòu)、聲學到系統(tǒng)動力學、CFD、自動駕駛等，為eVTOL產(chǎn)品提供了一體化的組合解決方案。

? 豐富的工程模擬軟件可能會讓你不知如何選擇，尤其是對初創(chuàng)公司來說。從你想要回答的問題開始是很有幫助的，然后，我們可以幫助你在合適的領域使用合適的工具:

‐ 外載荷、顫振和動力穩(wěn)定性

‐ 內(nèi)部載荷，結(jié)構(gòu)設計和輕量化

‐ 復合材料的強度與疲勞分析

‐ 空氣動力學設計

‐ 聲學和噪聲預測

‐ 推進與排放

‐ 飛控機制

‐ 工藝加工和成本核算

? 海克斯康的仿真解決方案可以助力eVTOL飛行器獲得FAA和EASA等一系列法規(guī)的認證。