航空变革：什么是eVTOL？ 

航空业正在快速发展。小型电动飞机有望在未来实现方便、低成本且具有环境可持续性的短途飞行。但未来的飞行梦想不会自己成真。航空公司、投资者和美国国防部正在投入大量资源，以开发这些电动垂直起降（eVTOL）飞行器，他们需要领先的工程技术来帮助实现其愿景。

什么是eVTOL飞行器？

顾名思义，eVTOL（Electric Vertical Takeoff and Landing）飞行器是一款垂直起降的小型飞机，由可持续的电动推进系统提供动力。

当谈到“乘坐飞机”时，我们可能首先想到的是登上一架大型商用飞机，或者是一架私人飞机。但是，eVTOL飞行器有望为我们带来变化，它可以通过提供一种开创性的空中交通模式来缓解交通拥堵问题，增强城市连通性，并为难以到达的地点提供快速通道。

对于专注于短距离（约150海里）运输人员和货物的先进空中交通（AAM）领域而言，eVTOL是助推其不断发展的重要组成部分。据麦肯锡公司预测，到本年代末，eVTOL将变得相对普遍，尤其是在交通拥堵成为主要问题的人口密集地区。¹

我们来了解一下eVTOL飞行器的应用、开发时间及其对航空制造的影响。

eVTOL的应用：航空旅行与国防的变革

除了电机的可持续性外，eVTOL还可为乘客提供一些有趣的应用和优势，这使其对投资者和各种规模的航空公司都具有吸引力。金融公司摩根士丹利的一项预测表明，到2040年，电动推进技术的发展以及持续的投入可能为eVTOL创造高达1.5万亿美元的市场规模。²据垂直飞行协会统计，2022年，全球eVTOL飞机目录记录了来自347家公司的超过700种飞行器设计；而在四年前，仅有100架飞机的设计被登记在册。³

对于eVTOL而言，被提及最多的应用可能是“空中出租车”，它能够在短距离内快速运输个人乘客或小规模乘客群体。全球乘客每年在出租车和叫车服务上的花费超过5000亿美元。⁴ 随着未来十年的普及应用，eVTOL飞行器将占据该市场份额的很大一部分。

航空龙头企业也并没有忽视对eVTOL飞行器变革的承诺。波音和空中客车等‌原始设备制造商（OEM）已在eVTOL开发方面进行了大量投资。⁵对于这些公司而言，进行互通交流是自然而然的。当为商用客机寻求更可持续的推进方法时，他们将在电池和电机技术方面取得进展，这也将有利于eVTOL的发展。

此外，eVTOL飞行器还可为小型公司带来巨大的机遇，比如Joby Aviation，其样板飞机可以搭载4名乘客，时速高达200英里，航程可达150英里。这些公司在eVTOL开发方面取得了重大进展，并对传统航空制造商构成了重要威胁。例如，Joby延长了与美国国防部的“敏捷至上（Agility Prime）”计划的合同。⁶ Joby将继续研究其eVTOL飞行器的应用，其中可能包括再补给任务、人员迁移和医疗转运。

美国海军、陆军、空军和海军陆战队都将eVTOL标记为“关键利益领域”。全球都在积极关注eVTOL相关技术在国防领域的应用，BAE Systems计划从Embraer的子公司Eve Air Mobility预订150架飞机就是良好例证。⁷此外，BAE Systems还计划与Embraer共同探索开发相同eVTOL平台的变体。 

eVTOL工程面临的新挑战

尽管eVTOL的开发进展顺利，并且工程师对这些系统的实用性充满信心，但在飞机的设计和制造方面，仍然存在很多未决事项，包括旋翼概念、推进技术、航空电子、连接性和整体安全飞行器设计。

这些公司将面临的一项挑战是，如何应对尚不明确的监管环境。认证是任何飞机系统开发中的关键步骤，对于eVTOL也是如此。

由于许多eVTOL公司同时承担了设计方、制造商和运营商的职责，美国联邦航空管理局（FAA）制定了一系列里程碑式的规则，旨在对各项级别进行认证。为了统一认证流程和标准，FAA通过国家航空当局网络和欧洲航空安全局（EASA）等其它监管机构来寻求国际协作。随着FAA和其它管理机构为eVTOL制造商提供更多的监管指导，灵活性对于帮助他们满足其开发时间要求至关重要。

为了取得成功，这些公司需要在自动驾驶和推进技术方面实现变革性突破，同时还要应对在开发生命周期中随时可能发生变化的法规。数字工程是关键所在。

利用数字工程加速创新

为了解决与eVTOL系统相关的工程挑战、以及目前尚不明确的监管环境问题，各公司必须采用数字工程，根据其操作环境对飞行器进行虚拟验证。这可以从构建设计参考任务入手，以便在概念开发阶段推导和评估需求。接下来，利用基于模型的系统工程（MBSE）进行需求验证，然后通过多学科分析和优化（MDAO）进行高级权衡研究，以优化系统。

高保真度仿真可提供详细的基于物理的洞察来了解行为和性能，并生成综合数据来训练自动驾驶系统。所有这些信息都可在权威真实信息来源（ASoT）中进行捕获，该来源可与其它生态系统的ASoT相连接，以实现能够反映真正数字工程愿景的更具协作性和连接性的方法。借助虚拟验证，您可以实现首次即构建出成功的飞行器，从而加速产品上市进程，并且降低成本及潜在风险。

无论您是设计概念飞机，还是开发雷达站来监控太空中的高轨道，由数字工程支持的虚拟验证都可提供答案。Ansys通过其合作伙伴生态系统提供开放互联的解决方案，帮助客户以快速、敏捷和自信的方式成功实现创新概念。   

参考资料：

1. ”The future of air mobility: Electric aircraft and flying taxis.”McKinsey & Company.
2. ”Flying Car and Autonomous Aircraft Research.”  Morgan Stanley, January 23, 2019.
3. "Press Release: Vertical Flight Society Electric VTOL Directory Hits 700 Concepts.” eVTOL News, August 16, 2022.
4. ”Advanced air mobility in 2030: Flying cars and air taxis.”McKinsey, November 19, 2021.
5. ”Airbus, Boeing work toward autonomous eVTOL operations.”Vertical Mag, February 2, 2023.
6. "Joby Expands Partnership With Us Department of Defense.”Business Wire, August 10, 2022.
7. ”BAE Systems eyes Eve’s eVTOL aircraft for defense market.”  Vertical Mag, July 21, 2022.