本文原刊登于Ansys.com：《Powering the Future of Flight: Designing a Hydrogen-powered eVTOL》

作者：Caty Fairclough | Ansys市場傳播經理

編輯整理：姚翔 | Ansys高級應用工程師

試想一下身處繁華的大都市，目光所及皆是擁擠不堪的街道和高聳入云的大樓，而您的約會馬上要遲到了。但此時，您并不急著鉆進汽車，而是仰望上空尋找出行工具：電動垂直起降（eVTOL）飛行器。它是一種小型飛行器，像直升機一樣垂直起飛和降落，使用可持續的電動推進系統，適合短途飛行。

盡管這個場景尚未成為現實，但美國聯邦航空管理局（FAA）正在為2028年實現這個目標做準備。作為這項工作的一部分，FAA正在努力實現先進空中交通（AAM），該機構將其描述為“一個新興的航空生態系統，利用新型飛行器和一系列創新技術，提供更高效、更可持續和更公平的交通選擇機會。”將AAM集成到國家空域系統（NAS）時，FAA的首要任務和法定責任是確保出行公眾的安全，大量在這一領域開展運營的公司，也都必須確保相關的安全操作。

Alaka'i Technologies就是其中的一家公司，該公司致力于通過推動交通運輸行業變革來改變世界。為了實現這一目標，該公司不僅研發eVTOL飛行器，還進行了其他創新。Alaka'i正在研發Skai，這款eVTOL飛行器使用氫燃料電池發電，為其電機提供動力。

Alaka'i市場營銷負責人Hugh Kelly表示：“我們與眾不同之處在于，我們是目前唯一一家使用氫燃料電池作為能源的公司。”得益于氫燃料電池的諸多優勢，Alaka'i團隊將氫能視為空中交通的理想能源。

接下來，我們來了解一下這項工作為什么如此重要、氫能的優勢，以及仿真如何幫助該團隊創造更可持續的未來。

eVTOL和氫燃料電池在空中交通中的作用

隨著人口的增長和城市的擴張，我們對人員和產品運輸的需求也隨之增加。未來幾年，這可能會給現有基礎設施帶來巨大壓力。例如，到2030年，預計在特大城市將有5億居民面臨交通問題。這正是城市空中交通（UAM）的用武之地。

UAM涉及建立安全、高效的運輸系統，以滿足上述運輸需求。eVTOL等新技術在UAM中發揮著重要作用，填補了從短程空中出租車到短途城際航線等航空服務的空白。至于更廣泛的AAM目標，eVTOL也可以助一臂之力，例如幫助人道主義團體以及支持搜索救援任務等。

eVTOL不僅具有廣泛的潛在應用領域，而且從環境角度來看也十分有優勢——其使用電力。對于Alaka'i團隊而言，其eVTOL所用的電力是由氫燃料電池產生的。該公司表示，這種獨特的設計選擇具有許多優勢，包括：

使用可再生能源生產氫燃料時，二氧化碳排放量接近0。在運營中，Alaka'i已經在使用通過電解產生的綠色氫能源——這是一種通過使用可再生電力從水中提取氫的電化學過程。

效率提升。與傳統內燃機相比，燃料電池效率更高，有可能以高于60%的效率將燃料的化學能轉化為電能。

Alaka'i團隊旨在通過他們的設計徹底改變交通行業，使Skai成為從A點到B點最便捷、最清潔和最安全的交通方式。但首先，該團隊需要優化其設計并確保其功能完善。這正是仿真的用武之地。

開發氫動力eVTOL飛行器

為了讓Skai變為現實，Alaka'i與Ansys Apex渠道合作伙伴SimuTech集團合作，并參與了Ansys初創公司計劃。作為Ansys初創公司計劃的成員，Alaka'i能夠以較低成本獲取仿真以及所需的支持和培訓，從而解決了其在開發Skai時面臨的挑戰。其中一項挑戰是幫助氫燃料電池保持冷卻。

這個問題的核心很簡單：氫燃料電池會產生熱量，因此需要合適的冷卻系統。然而，這個問題解決起來并不像聽起來那么容易。Alaka'i仿真專家兼計算流體力學（CFD）工程師Behrouz Karami表示，與內燃機和噴氣式發動機相比，燃料電池“在較低的溫度下運行，但仍會產生大量熱量”。這就給冷卻帶來了挑戰，因為在夏季，燃料電池的熱表面與外部環境可能只存在較小的溫差，而這種較小的溫差使傳熱變得更具挑戰性。

為了應對這一挑戰，該團隊轉而使用Ansys Fluent流體仿真軟件及其聚合物電解質膜（PEM）燃料電池模型，來研究燃料電池可能遇到的各種場景，Karami打趣道，這些場景都來自“我們辦公室的受控溫度環境”。為準確分析Skai氫燃料電池的冷卻系統，需要開展仿真工作以對冷卻系統回路進行建模，該回路包括輸送水的泵、先進的散熱器、去除小顆粒的過濾器、軟管、中間冷卻器、壓縮機的冷卻系統、以及所涉及的一切物體的精確幾何結構。Alaka'i工程負責人Finn Arcadi表示：“Ansys工具擁有足夠的廣度，能夠全面覆蓋整個分析范圍，并保證高保真度。”

該團隊還在工作中使用了Ansys Discovery 3D仿真軟件產品。Karami表示：“Ansys Discovery仿真軟件非常易于設置和學習，適合解決工程問題。”使用Discovery軟件，設計人員能夠在設計早期階段輕松運行結構分析、處理流動問題和壓降。通過這種方式，更多的團隊成員都可以受益于仿真的強大功能。

Arcadi表示，從目前的工作來看，仿真“節省了大量時間，有助于將正常運行的產品從想法變成現實”。在各種場景中，以較小的誤差容限研究重量為4,000-5,000磅的飛行器至關重要，Alaka'i團隊轉而采用仿真來實現這一目標。此外，該團隊還強調了仿真如何通過最大限度地減少運行測試所需的原型數量和工時來降低成本，從而使Skai等產品更具競爭力。

展望城市空中交通的未來

當Alaka'i團隊展望Skai的未來時，他們希望這款eVTOL飛行器通過提供航程預計約為250英里的便捷交通選項，為個人出行提供新的自由度。此外，該團隊樂觀地認為，使用Skai不僅有助于減少污染和交通擁堵，而且還能夠為救援等重要應用中的工作人員提供協助。

為了實現這些目標，Alaka'i團隊后續希望擴大仿真的使用范圍，比如用于聲學領域的分析，從而使Skai在人口密集區域維持低噪聲水平，以及用于空氣動力學領域的分析，從而進一步優化公司的設計——這兩項工作都可以通過Ansys仿真軟件實現。

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