奋翼向前｜电动垂直起降飞机亮相城市天际
▲奋翼向前｜电动垂直起降飞机亮相城市天际
交通拥堵已成为全球人类共同面对的难题之一。为缓解道路拥堵，人们一直在付诸努力。但车辆不断增多，交通管理欠佳，停车位不足等现状，使得拥堵问题并未得到有效缓解。为缩短通勤时间，移动互联网（MI）、物联网（IoT）、自动驾驶汽车（AV）、沉浸式体验等技术逐渐被发掘并利用。与此同时，垂直起降飞行器（eVTOL），包括个人飞行器（PAV）和空中出租车（AT）这类创新型交通工具，也被人们寄予厚望。
eVTOL有望为城市交通贡献新的出行方式，该项目类别已吸引超过10亿美元的投资。美国国家航空航天局，优步航空， Kitty Hawk 等航空航天巨头和初创企业都看好eVTOL强劲的发展势头。此外，垂直飞行协会（Vertical Flight Society）有约155种不同类别的电动垂直起降飞机正处于研发中。其中，机场巴士与空中出租车市场是最有望成功的，其总的有效市场价值预计将突破5,000亿美元。但要在市场上大规模推广eVTOL，还有诸多问题亟待解决，如噪声、运营效率、性能、可靠性、安全性、基础设施开发及负荷能力。
欲使空中交通成为现实，飞行器设计者、监管机构、城市、社区和网络运营商需要通力协作。eVTOL在运营前需要接受美国联邦航空局（FAA）和欧洲航空安全局（EASA）等航空管理机构的严格审查。此外，确定哪些现行FAA认证标准适用于eVTOL，以及是否需要修改现行认证也是难题。
为eVTOL建设基础运营设施是需要重点关注的问题。为降低起降过程产生的噪声，需要为垂直空港（配套基础设施完善的大型eVTOL港）和垂直空站（供乘客快速离机和登机的小型eVTOL站）选择理想的位置。改造后的停车场屋顶、现有的直升机坪和购物中心露台是一些推荐的载客地点。目前，城市还不能为eVTOL提供必要的起降点。公司管理层需要针对城市与基础设施规划、物流、土地管理和环境改造开展“假设”场景分析。
社会和公众认知构成了eVTOL市场部署的另一阻碍。美国航空航天局和空中客车等机构开展的数次调研显示，成本始终是出行前的首要考虑因素。此外，乘客还特别关心飞机的安全性与个人隐私问题[6]。因eVTOL从上空飞越时，住户和庭院将被乘客一览无余。因此，对于运营eVTOL的公司来说，亟待解决的技术难题包括空中交通管理（ATM）、电池技术、飞机的性能、效率以及相关的经济性。
噪声污染也是公众高度关注的一大问题。eVTOL开发商需要把降噪当作eVTOL开发过程中的重要指标。电力推进将从发动机噪声和推进噪声两方面带来超静音设计，这对降低噪声水平起着关键作用。根据eVTOL的具体设计，借助可变速开放旋翼和涵道风扇等实现技术，可进一步降低市区飞行噪声，并提高电池利用效率，从而实现目标航程。根据优步航空制定的噪声评价标准，对于飞行高度在250英尺的eVTOL，地面噪声水平需控制在67分贝内（A计权）[8]。
eVTOL飞机的典型开发周期大致包括：需求采集、规划、初始概念设计、详细设计、原型制作、测试、认证准备及量产制造。能够加快开发周期，并率先打入市场的公司，将在宣传、投资和品牌知名度方面赢得重大优势,其产品也将被视为行业标杆。因此，用于开发eVTOL的工具非常重要。
达索系统提供了如生命周期管理（ENOVIA）、设计与系统工程（CATIA）、制造管理（DELMIA）、全物理领域的仿真（SIMULIA）以及量子、分子和介观尺度仿真（BIOVIA）在内的多种解决方案。3DEXPERIENCE平台对上述产品进行集成，便于用户在统一环境同一数据源下协同工作。
在eVTOL的初始概念设计阶段，利用3DEXPERIENCE平台上的CATIA，可完成对eVTOL的建模、验证和业务流程的跨学科支持。除了定义升力面和推进单元，工程人员还能对机身上的各个部件进行结构拓扑优化。可利用CATIA的设计工具与SIMULIA的仿真工具进行参数及非参数优化，达到探索设计空间的目的。利用SIMULIA Simpack仿真工具，可对推进单元的多体动力学性能进行仿真。SIMULIA有基于RANS及LBM两种方法的CFD仿真工具，可支持eVTOL机动性及航迹噪声水平的仿真预测。
在eVTOL的详细设计阶段，为达到最大的推进力与空气动力学效率，细节优化必不可少。飞机的部件在运行过程中会发生弹性形变，可通过3DEXPERIENCE平台的结构仿真工具及SIMULIA Abaqus进行模拟分析。推进装置或桨部件需要进行优化设计，以降低飞机在运行时产生的噪声。SIMULIA PowerFLOW与XFlow为高保真度的CFD工具，可用于开展空气动力学与气动声学优化，确定控制面的最佳载荷。
在eVTOL研发的后期阶段，安静的转换航迹将是其开发的主要目标。通过对完整的配置数据进行高保真度的CFD计算，生成用于航迹优化的噪声数据库。使用Simpack开展动态调节并结合全机航空数据库的运用，可以在空气力学调节环路中实现最小载荷因数和最小噪声水平间的权衡取舍。之后我们可以更深入的研究如何在结构、动力、空气动力和气动声学性能方面做出进一步改善。
克服公众认知和社会阻碍是eVTOL成功投放市场的关键所在。其安全性对公众和认证机构而言都至关重要。SIMULIA的仿真组合工具已在航空航天行业广泛使用了数十年，积累的经验将更好的服务于eVTOL。噪声问题是阻碍eVTOL推广的另一个难点。只有高度准确的瞬态CFD求解工具才能预测整机噪声水平。严格的噪声需求，连同社会压力迫使人们转向更为清洁环保的出行方式，这便促成了电池技术的大力发展。SIMULIA的多尺度仿真能力可帮助解决电池领域的工程难题。
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500-5000英尺为eVTOL的设计飞行高度，所有前向组件都需要具备一定的抗飞鸟及抗冰雹冲击能力。SIMULIA Abaqus/Explicit中提供的数值计算方法能模拟飞鸟对不同飞机组件的撞击。对于飞鸟和冰雹撞击，SIMULIA仿真结果与已发表文献中的实验结果高度吻合[9]。工程师可以使用这些冲击模拟方法设计eVTOL，以应对多种现象带来的安全威胁。
图1：飞鸟撞击对前风挡的影响
能够在雷电等各种电磁环境影响（E3）下持续安全运行，是对eVTOL的另一项基本安全要求。飞机在雷暴天气穿越带电云层区域时，需要保证通信系统和飞行控制系统的正常运行。SIMULIA提供的CST Studio Suite能开展电磁场（EM）仿真，分析飞机对闪电和其他电磁环境效应的易感性。可利用SIMULIA瞬态电磁仿真技术，直接在时域中进行回击电流的仿真，与此同时评估不同机身材料的影响。虚拟电磁测试是对物理样机测试的补充，可加快eVTOL的开发认证过程。
图2：典型雷击分析
噪声是eVTOL面临开发难题之一。达索系统设计的eVTOL概念飞机如图3所示。采用SIMULIA PowerFLOW CFD求解器对该飞机的噪声水平进行分析，并采用噪声半球数据库（NHD）外插值的方法对航迹进行优化。飞行包络模拟考虑了飞行马赫数、攻角、后旋翼倾角以及四副旋翼转速的不同组合。修正后的飞行航迹被定义为航点、俯仰、偏航、滚转、倾角与旋翼RPM的时间序列。航迹上的每个点都定义了准静态修正条件，重力和气动阻力由机翼和旋翼产生的升力和推力平衡。矩形面上的噪声预测可通过运行NHD后获得。图4为航迹路径总声压级（OASPL）随时间变化云图。图5为飞行速度、下滑角和旋翼RPM相同条件下，不同旋翼倾角下的瞬态声场。
图3：达索系统eVTOL概念机
图4：声压级随时间变化云图
图5：不同旋翼倾角下的瞬态声场
电池技术的应用有助于降低eVTOL的噪声水平，并满足公众对清洁能源的需求。但电池技术除了需要实现足够高的能量密度，还要考虑减重，热管理、安全可靠性、电池老化、以及电池失效等问题。达索系统BIOVIA提供的分子及3D建模解决方案，可跨尺度考虑电池行为，助力电池优化。
图6：BIOVIA 从化学到系统的电池工程
借助分子级别的建模特性，可在3DEXPERIENCE平台上对电芯进一步执行力学、热、扩散和电学行为仿真。通过创建数字原型，可以深入了解电芯的热-电损耗。通过挤压、三点弯折和冲击测试仿真，可以评估电芯的结构完整性。通过模拟电芯的充放电过程，可分析膨胀造成的内部应力对电芯机械性能的影响。
图7：电芯结构仿真
了解电芯的结构行为后，可进一步开展完整的电池模组仿真，以改进强度、刚性和安全性。图8所示的跌落测试仿真，可以模拟装配或维护过程中的不当操作，用于评估电池模组的抗冲击能力。使用Simulia Abaqus还可以模拟充电状态（SOC）引起的膨胀、超声波焊接、阳极和阴极形变引起的短路、放电产生的热量等。
图8：电池模块结构仿真测试
再造航空新面貌的
3DEXPERIENCE平台方法
eVTOL的设计与开发恰逢令人振奋的技术发展时代。OEM厂商和供应商纷纷引领传感器、芯片、电池和材料的发展，这将为客户带来更好的体验。eVTOL的设计团队需要相互协调，汲取智慧，实现其专业知识价值的最大化。达索系统致力于为初创企业和创新OEM厂商提供技术支持，利用3DEXPERIENCE平台管理信息，促进协作，助力企业走向成功。
轻量化设计是eVTOL实现最大航程的关键技术之一。3DEXPERIENCE集成CATIA的高端CAD功能与SIMULIA的仿真技术，掀起一场有关设计规范的变革：不仅满足性能要求，还可找出满足要求的最佳设计。增材制造技术（AM）的发展让设计人员能够自由地构思、创新和实现轻量化。达索系统在这一领域提供了先进的端到端的技术解决方案。3DEXPERIENCE平台上的GDE模块，可在设计空间中考虑现有的约束条件，并对优化后的设计进行验证，利用方案权衡进行设计方案的筛选。在设计中使用根据拓扑优化结果生成可编辑的CAD模型是该模块的一大亮点。通过模块自带的CAD重构工具，可将拓扑优化结果一键转换为CAD模型，使仿真驱动的认知增强型设计更为直观简洁。
图9：GDE模块工作流程
用于航空主体结构，如机翼组件或机身壁板的复合材料也可用于eVTOL。自2004年，波音公司将Abaqus当时最先进的虚拟裂纹闭合（VCCT）复合材料仿真技术[12]商业化后， SIMULIA便一直是航空航天复合材料仿真领域的领导者。随着复合材料使用的增多，VCCT技术已成为缓解脱层问题的标准方法。3DEXPERIENCE集成了CAD与仿真技术，可实现CAD相关铺叠成型定义的无缝转换，供下游仿真模型使用。同时在设计发生变更时，铺叠成型部分的属性会自动更新。
eVTOL在巡航状态下的空气动力学效率对电池效率能否满足目标航程至关重要。此外，对于小空间内的起降，其机动性亦是问题。机动性往往牵涉到移动部件，如升降舵、副翼、倾斜旋翼或伸缩旋翼。SIMULIA XFlow具备求解复杂流固耦合问题的能力，能够模拟多达六个自由度的刚体动力学行为，因此可以仿真不同的飞行场景和风扰动，以分析eVTOL的动态响应，并缩短其恢复到稳定姿态所用的时间。利用SIMULIA XFlow, 可为eVTOL俯仰、失速、旋转等机动性能的预测，提供仿真支持 [13] 。
图10：eVTOL 对俯仰振荡的动态响应
运行状态下的eVTOL, 其旋翼叶片有可能发生显著扭曲，需在叶片设计阶段予以考虑。可通过降阶建模（ROM）技术，将旋翼叶片抽象为梁结构。Simpack所支持的复合材料梁技术（Composite Beam）可将三维棱柱连续体近似成梁。利用CATIA设计旋翼叶片的CAD模型，赋予材料属性，并将其转换为柔性梁模型。针对梁的每个横断面网格开展有限元分析，并根据所得梁单元的材料矩阵，生成旋翼叶片完整几何结构下的非线性梁结构，用于整个eVTOL完整结构的集成系统分析。
eVTOL投放带来的城市规划问题，可通过3DEXPERIENCE平台提供的3DEXPERIENCity功能协助解决。利用平台统一数据源，协同办公的特点，可将丰富多样的市区数据与行业领先的分析、建模、仿真和生命周期管理功能结合在一起。在“虚拟新加坡”项目中，3DEXPERIENCity携手政府领导、市民、企业和研究机构，为共建智能化、可持续发展、繁荣发展的新加坡助力。
eVTOL的市区运营面临着如何减少噪声产生的难题。为制定低噪声的起降流程、确定垂直空港的最佳位置以及飞行通道的最佳方向，在市区进行噪声影响分析势在必行。要解决这个问题，可以使用高保真CFD求解器SIMULIA PowerFLOW预测声源。在覆盖城市地貌和飞机的区域中开展瞬态CFD仿真，能直接计算出静止空气中的声传播。图11所示的是eVTOL飞机周围过滤声场的瞬时视图。这种复杂的波型是经过建筑物表面多次反射和多个边缘衍射的结果。
图11：建筑物表面的声场
eVTOL技术若想变为现实，IT基础设施的需求是必不可少。物理仿真和优化离不开专业的高性能计算机（HPC）。除了HPC系统的纯硬件成本，还有众多相关的外设成本，如图12所示。云端软件即服务（SaaS）和基础设施即服务（IaaS）因为入门门槛低、用户零维护、扩展速度快以及定价灵活等优势，受到越来越多初创企业的青睐。达索系统云平台所提供的SaaS、IaaS及PaaS服务，具有可扩展、易协同的特点，可轻松实现跨部门的工作流程。此外云平台在降低计算成本，保证计算资源的同时，还可进行企业数据管理，减少文件备份带来的磁盘消耗。
图12：本地HPC的隐藏成本
eVTOL如若成功，必将成为交通史上引人瞩目的一次飞跃。而在eVTOL漫长的开发过程中，仍有包括安全性、动力性、噪声、公众信任等诸多问题亟待解决。达索系统的3DEXPERIENCE平台，云平台及SIMULIA产品组合，可为eVTOL提供建模、分析、仿真以及在虚拟环境下的可视化体验，强化协作创新，为加速eVTOL的开发提供科学的解决方案，为助力企业繁荣提供新的机遇。
参考资料
[1]https://www.euronews.com/2018/02/07/which-european-commuters-spend-the-most- time-in-traffic-jams-
[2]https://www.straitstimes.com/asia/se-asia/filipinos-spend-16-days-a-year-stuck-in-traffic- study
[3]https://aviation.aiaa.org/ThirdAerospaceRevolution/
[4]http://evtol.news/2019/02/24/airbus-reveals-utm-blueprint-and-uam-perceptions/
[5]http://evtol.news/aircraft/
[6]NASA, “Urban Air Mobility (UAM) Market Study”, 2018
[7]D. Casalino, W.C.P. van der Veldeny, G. Romani, “Community Noise of Urban Air Transportation Vehicles”, AIAA SciTech Forum, 2019
[8]Uber Elevate, “Fast-Forwarding to a Future of On-Demand Urban Air Transportation”, 2016
[9]M. Al-Khalil, E. Kirtil, R. Rigby, “Use of Abaqus Explicit for Composite Sandwich Damage Prediction during Bird Impact”, SIMULIA Community Conference, 2015
[10]D. Morgan, C.J. Hardwick, S.J. Haigh, and A.J- Meakins, “The interaction with aircraft and the challenges of lightning testing”, Journal AerospaceLab, ONERA, Issue 5, Dec. 2012
[11]SIMULIA, “Simulating lightning attachment and strikes on aircraft”, 2018
[12]https://www.businesswire.com/news/home/20040414005063/en/ABAQUS-Selected-
Boeing-Commercialize-Composite-Structure-Design
[13]L. V. Bavel, D. M. Holman, R. Brionnaud, M. García-Camprubí, “Dynamic simulation of flight test maneuvers on the Diamond D-Jet”, NAFEMS world congress, 2013
[14]Dassault Systèmes, “Cities in the age of experience”, 2016
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