Pesawat Elektrik Senyap-senyap Menyelinap Menghadapi Kami

Apabila revolusi teksi udara elektrik tiba, anda mungkin tidak akan mendengarnya. Ciri luar biasa pesawat berlepas dan mendarat menegak elektrik (eVTOL) ialah betapa senyapnya ia terbang, hampir tidak dapat dilihat di tengah-tengah bunyi trafik bandar yang biasa. Tidak seperti helikopter, tiada debaran, 90 desibel “thwop, thwop, thwop.” Sebaliknya, pesawat eVTOL menggunakan berbilang kipas kecil yang berputar separuh sepantas pemutar pencincang—mengelakkan denyutan bunyi frekuensi rendah yang menjengkelkan yang dicipta oleh bilah berputar besar.

Motor elektrik, yang lebih senyap daripada enjin turbin helikopter, juga membantu mengekalkan sebarang raket pada tahap minimum. “Reka bentuk teksi udara terbaharu, seperti daripada pembina terkemuka seperti Joby dan Archer, memberikan pengurangan 20 hingga 25 desibel dalam tahap bunyi berbanding helikopter,” kata Mark Moore, jurutera cemerlang yang mengetuai pembangunan X- NASA. 57 kapal terbang elektrik Maxwell. Ini bermakna bahawa eVTOL boleh menjadi empat atau lima kali kurang bising kepada pendengar berdekatan. Selain menawarkan penerbangan yang lebih senyap, mesin baharu ini juga harus jauh lebih selamat, lebih hijau dan lebih murah untuk terbang berbanding helikopter. Moore berpendapat bahawa teksi udara elektrik sesuai secara unik untuk apa yang industri penerbangan panggil perkhidmatan mobiliti udara bandar (UAM), membolehkan pengembara yang biasanya tersekat untuk “mengambil kesempatan daripada dimensi ketiga untuk melarikan diri dari denai semut di atas tanah.”

Lebih daripada dua dozen pembina eVTOL utama telah diasaskan dalam dekad yang lalu, dan beberapa sedang menghampiri pensijilan komersial daripada Pentadbiran Penerbangan Persekutuan AS atau rakan sejawatannya di Eropah, Agensi Keselamatan Penerbangan Kesatuan Eropah (EASA). Setiap syarikat sedang mengusahakan reka bentuk pesawat buatan sendiri, tetapi semuanya mempunyai matlamat yang sama: untuk menyediakan perjalanan udara atas permintaan tidak lebih daripada 18 hingga 25 batu—julat “sweet spot” untuk teksi eVTOL elektrik bateri generasi pertama. Lompat pendek dan berkelajuan tinggi ini boleh membawa penumpang antara pusat bandar dan lapangan terbang atau mengangkut kargo dan pakej. Tentera mungkin mahukan eVTOL untuk pemindahan mangsa atau bekalan logistik. Kegunaan lain yang berpotensi termasuk ambulans udara, penghantaran organ penderma dan pengangkutan polis, serta pengangkutan ulang-alik berjadual dan perjalanan ekopelancongan—dan, sudah tentu, kereta terbang peribadi.

Mengenai menyokong kewartawanan sains

Jika anda menikmati artikel ini, pertimbangkan untuk menyokong kewartawanan kami yang memenangi anugerah dengan melanggan. Dengan membeli langganan, anda membantu memastikan masa depan cerita yang memberi kesan tentang penemuan dan idea yang membentuk dunia kita hari ini.

Tujahan Elektrik Teragih

Pada 2016 Moore, yang mengasaskan Uber Elevate, sebuah cabang teksi udara bagi syarikat perkongsian perjalanan, dan rakan sekerjanya menggariskan model perniagaan asas industri yang sedang pesat membangun dalam kertas putih bertajuk “Pemajuan Pantas ke Masa Depan Bandar Atas Permintaan. Pengangkutan Udara.” Ia merangsang industri UAM yang baru lahir dengan mengisytiharkan bahawa teknologi yang diperlukan akhirnya tiba. “Apa yang sebelum ini adalah fiksyen sains” tiba-tiba menjadi perusahaan yang berterusan, ingat Moore. Uber Elevate tidak lama lagi mengumpulkan pemain berpotensi termasuk pembina kerangka pesawat terbang baru, syarikat penerbangan, pembuat kereta dan penyedia perkhidmatan pengangkutan, serta bakal pembiaya dan pengendali vertiports baharu—lapangan terbang untuk pesawat angkat menegak.

Perjanjian pembiayaan besar melibatkan bilionair Silicon Valley dan syarikat besar diikuti, dengan lebih daripada $1 bilion dikumpul pada suku pertama 2020 sahaja. Tetapi selepas tempoh gembar-gembur dan pengembangan yang berlebihan, usaha teksi udara Uber merosot pada tahun yang sama, memaksa syarikat itu menjual bahagian Elevatenya kepada syarikat pesawat elektrik Joby Aviation yang berpangkalan di Santa Cruz, Calif. Walau bagaimanapun, pada masa itu, industri teksi udara elektrik telah mewujudkan pelan perniagaan yang koheren berdasarkan teknologi yang boleh dilaksanakan: pendorong elektrik teragih.

Dalam pendorong elektrik teragih, berbilang pendorong elektrik kecil (kipas individu, masing-masing dengan motor pemacu elektrik sendiri) diletakkan di sepanjang sayap, ekor atau kerangka udara, di mana ia berfungsi secara bersama untuk menjana daya tujahan, daya angkat dan kawalan. “Apa yang penting ialah ia membolehkan reka bentuk rotorcraft baru memenuhi peraturan bunyi dan pelepasan di kawasan bandar,” kata perintis penerbangan John Langford, bekas Ketua Pegawai Eksekutif Aurora Flight Sciences yang berpangkalan di Virginia. Syarikat itu, kini milik Boeing, membina beberapa pesawat elektrik awal dan eVTOL, kebanyakannya untuk Pentagon.

Pengurangan hingar bukan satu-satunya kelebihan pendekatan pendorong ini. Banyak kipas menawarkan lebihan keselamatan yang tidak boleh dilakukan oleh helikopter, dengan hanya satu atau dua rotor, kata Moore. Jika satu pendorong gagal, yang lain boleh mengambil beban. Dan tidak seperti enjin turbin helikopter yang memuntahkan ekzos bahan api fosil, dia menyatakan, “motor elektrik adalah rendah atau pelepasan sifar.”

Jurutera dan pereka bentuk yang mencipta kraf ini tidak boleh, bagaimanapun, hanya menukar turbin dengan motor elektrik. “Penggantian dengan kuasa elektrik bermakna prestasi yang kurang dalam banyak kes,” kata Langford. “Ketumpatan tenaga rendah bateri bermakna pesawat elektrik paling sesuai untuk misi jarak dekat-kurang daripada 200 batu, selalunya lebih pendek daripada itu.” Tetapi dia menambah bahawa kecekapan tinggi eVTOL dan keperluan penyelenggaraan yang rendah boleh bermakna kos operasi yang lebih rendah—cabutan besar bagi penyokong teksi udara elektrik.

Oleh itu, kunci di antara semua reka bentuk ialah meminimumkan berat untuk mengelakkan bateri berlebihan—pautan paling lemah antara sistem eVTOL—terutama semasa berlepas dan semasa melayang. Banyak pesawat eVTOL semasa sedang dioptimumkan untuk menggantikan perjalanan kereta selama 60 hingga 90 minit dengan perjalanan teksi udara selama 10 hingga 20 minit yang terbang pada kelajuan 150 mph. Itulah sebabnya hampir semua reka bentuk teksi udara menampilkan kerangka udara komposit karbon ringan.

Taksonomi teksi udara

Dengan beratus-ratus kenderaan teksi udara yang pelbagai dalam kerja-kerja di seluruh dunia, adalah berguna untuk mengkategorikannya mengikut reka bentuk amnya. Seseorang yang lengkap untuk menyediakan taksonomi teksi udara sedemikian ialah Tom Muniz, ketua pegawai teknologi di San Jose, Calif. Archer Aviation. Beliau adalah seorang veteran dalam pelbagai usaha niaga eVTOL, termasuk Zee.Aero, Kittyhawk dan Wisk Aero (yang terakhir kini dimiliki oleh Boeing).

“Kategori paling mudah ialah multicopter eVTOL,” kata Muniz. “Mereka menyerupai dron standard kerana mereka mempunyai beberapa kipas angkat tetapi tiada sayap, yang mengehadkan jarak dan kelajuan.” Tanpa keupayaan sayap untuk menjana daya angkat aerodinamik tinggi secara senyap, multicopter cenderung menjadi lebih bising daripada jenis lain, katanya.

Volocopter Jerman dan EHang China ialah dua syarikat yang mengeluarkan eVTOL kecil jenis multicopter. Pada Sukan Olimpik Musim Panas yang akan datang di Paris, Volocopter berharap dapat menerbangkan penumpang antara lima vertiport perbandaran yang baru siap dalam demonstrasi VoloCity dua tempat duduknya. Sementara itu, Pentadbiran Penerbangan Awam China baru-baru ini telah membebaskan EHang untuk mengeluarkan EH216-S eVTOL tanpa juruterbangnya secara besar-besaran, yang boleh beroperasi secara autonomi sambil membawa dua penumpang.

Seterusnya dari segi kerumitan teknikal, jelas Muniz, ialah reka bentuk “lift-and-cruise”. Pesawat ini menggabungkan susun atur multicopter dengan konfigurasi kerangka udara sayap tetap konvensional, membolehkan jarak yang lebih jauh dan kelajuan yang lebih tinggi. Secara amnya, pelbagai kipas yang menghadap ke langit diletakkan di sekeliling pesawat mencipta daya angkat menegak semasa berlepas. Satu atau lebih prop penolak tetap di belakang kemudian menghantar kraf ke hadapan, beralih kepada lif sayap cekap tenaga, kata Muniz. Apabila tiba masa untuk mendarat, kipas lif mengambil alih semula.

Prototaip CityAirbus NextGen eVTOL, daripada Airbus UAM, bahagian syarikat aeroangkasa multinasional Eropah yang berpangkalan di Jerman, ialah teksi udara lif dan pelayaran baharu yang dijangka terbang ke udara pada akhir 2024. Ia menempatkan seorang juruterbang dan tiga penumpang dan mempunyai julat maksimum 50 batu dan kelajuan pelayaran 75 batu sejam. Satu lagi eVTOL angkat dan pelayaran ialah Prosperity seberat 4,400 paun, lima tempat duduk yang baru diperakui daripada AutoFlight yang berpangkalan di Shanghai. Pada awal tahun ini, sebuah kraf ujian menyelesaikan penerbangan antara bandar selama 20 minit antara bandar Shenzhen dan Zhuhai di China—perjalanan yang mengambil masa tiga jam dengan kereta.

Salah satu pesaing terkenal dalam reka bentuk teksi udara baharu bukanlah eVTOL sama sekali tetapi eSTOL—sebuah pesawat berlepas dan mendarat singkat elektrik (atau ekstrem), sedang dibangunkan oleh usaha niaga semasa Langford, Electra.aero, yang berpangkalan di Manassas, Va. Electra’s two -tempat duduk, penunjuk perasaan eSTOL elektrik hibrid, EL-2 Goldfinch, menyerupai pesawat penghapus tanaman yang lincah dan terbang perlahan. Tetapi Goldfinch baru-baru ini menunjukkan bahawa ia boleh beroperasi dengan selamat dari landasan udara kurang daripada 170 kaki panjang-jauh lebih pendek daripada apa yang diperlukan oleh pesawat sayap tetap standard. (Sebagai perbandingan, Cessna 172 yang dimuatkan sepenuhnya, sebuah pesawat kecil biasa, secara amnya memerlukan kira-kira 960 kaki landasan.)

“Goldfinch mempunyai lapan kipas elektrik di sepanjang kelebihan utama sayap yang meningkatkan daya angkat dengan ketara dengan meniup udara ke atas sayap, meningkatkan kelajuan udara yang berkesan dan seterusnya daya angkat aerodinamik yang mereka hasilkan,” jelas Langford, sambil menambah bahawa daya angkat tambahan ini “membantu membolehkan ultrashort, rendah. -pendaratan laju.” Bersama-sama dengan kepak sayap besar yang memanjang seperti kapal terbang, bersama-sama dengan penstabil ekor mendatar yang besar untuk kawalan, prototaip eSTOL “blown-lift” Electra membuka jalan untuk versi komersial sembilan penumpang. Pesawat yang lebih besar ini, kata Langford, sepatutnya boleh beroperasi dari medan sepanjang 295 kaki—suatu susun atur yang boleh muat di beberapa heliport tepi sungai Manhattan sekarang.

Joby dan Archer

Variasi eVTOL angkat dan pelayaran yang lebih kompleks ialah jenis “tujahan vektor”, di mana propulsor bersuara condong untuk memberikan tujahan menegak atau mendatar seperti yang diperlukan, kata Archer’s Muniz. Dia menunjuk kepada kenderaan Midnight syarikatnya dan S4 2.1 eVTOL Joby Aviation sebagai contoh utama.

Archer’s Midnight, sebuah kapal seberat 6,500 paun dengan ruang untuk juruterbang dan empat penumpang, mempunyai sedozen kipas elektrik yang menghadap ke hadapan pada sayap dan ekor. Enam kipas kecondongan menyediakan daya angkat untuk berlepas dan mendarat menegak, serta tujahan untuk pergerakan ke hadapan; enam kipas angkat tetap beroperasi hanya semasa penerbangan menegak. Syarikat itu berkata kraf ini boleh mencapai kelajuan sehingga 150 mph. EVTOL Joby, dipanggil S4 2.1, ialah kenderaan seberat 4,800 paun dengan juruterbang dan tiga penumpang yang dipandu oleh enam pendorong condong. Ia mempunyai kelajuan maksimum 200 mph.

Kedua-dua syarikat telah menyertai program AFWERX Agility Prime Tentera Udara AS, yang membelanjakan ratusan juta dolar untuk memperoleh teksi udara untuk ujian dan penilaian oleh jurutera NASA. September lalu Joby menghantar prototaip pengeluaran pertama pesawat eVTOL ke Pangkalan Tentera Udara Edwards, kata Didier Papadopoulos, presiden pesawat OEM (pengilang peralatan asal) syarikat itu.

Teksi udara perlu beroperasi dengan kos sekitar $3 setiap batu penumpang untuk mengaut keuntungan, menurut model perniagaan Joby, yang berdasarkan pangkalan data pengangkutan besar Uber. Joby merancang untuk beroperasi sepanjang hari dengan hanya enam hingga lapan minit persinggahan untuk memindahkan penumpang dan mengecas semula bateri, kata Papadopoulos. Memandangkan kos yang ketat dan keperluan khusus, tambahnya, jurutera syarikat sedang membangunkan semua komponen pesawat mereka secara dalaman. Rantaian bekalan bersepadu secara menegak itu berbeza dengan pendekatan kos rendah Archer, yang menggunakan banyak komponen luar biasa, menurut Muniz, sekatan motor, bateri dan komputer kawalan. Dan walaupun Archer telah memilih untuk menggunakan bateri litium-ion silinder “gaya automotif” yang terbukti Tesla, Joby dilaporkan telah memilih pek bateri litium-nikel-kobalt-mangan-oksida menggunakan sel kantung yang lebih padat dan ringan.

Moore melihat kedua-dua mesin sumber berbeza sebagai “Ferrari berbanding Toyota Camry.” Sama ada kenderaan, atau mana-mana banyak pesaing mereka, boleh mendapat penerimaan pelanggan yang meluas dalam kalangan orang ramai yang melancong masih belum dapat dilihat.