重新认知个人飞机

来源:荣格

发布时间:2018年9月5日下午 04:09:22

由于美国联邦航空管理局(FAA)规则的改变,如今的小型飞机制造商不再限于以私人“娱乐”为主的技术,转而采用专门设计的尖端技术,从而为大众提供了一种负担得起的空中交通方式来避免城市交通拥堵。   

最近,“私人飞机”市场最近出现了一种趋势,它是由地面运输市场的创新者在一个不寻常的情况下引发的,并可能成为一种重要的、复合材料消费环节,其最终目标是克服日益严重的城市交通拥堵。正如本文将介绍的几个项目所证明的,个人飞机技术正在不断发展以迎接挑战。随着世界各地的城市变得越来越拥挤,通勤者对汽车、公共汽车和火车的耐心已经耗尽,城市航空通勤的日子越来越近。

新标准助力小型飞机扩张

这种小型飞机的扩张,在很大程度上可以追溯到美国联邦航空管理局(FAA)在十多年前的监管改革。2003年,该机构创造了一种全新的私人飞机类别——轻型运动飞机(LSA)。FAA将LSA定义为双座飞机,而非直升飞机或动力升降机,最高时速为120节(222公里),最大起飞重量为1,320磅/598.8公斤(水上飞机为1430磅/648.6公斤)。它没有为LSA设定典型的规定标准——即描述飞机设计必须达到预期效果的标准。相反,它发布了基于性能的标准,这些标准只描述了需要的最终结果。因此,飞机制造商今后可以使用一致的标准,例如ASTM(美国材料实验协会)等工业组织开发的标准,并通过FAA的批准,就可以设计和制造这样的飞机,只要这些标准的性能达到了FAA规定的水平。

此外,FAA还提供了一种新的运动飞行员执照(SPL)。虽然它将飞行时间限制在白天,并且限制了飞行上限,但只需要一半的时间(20小时)即可获得完整的驾驶执照。这实际上将飞机所有权开放给更为广泛的购买者。目前有130多种认证的飞机型号符合LSA标准。

ICON A5是根据LSA要求设计的首批飞机之一,这是一款采用全碳纤维复合材料机身(即机身、机翼和水平稳定器)设计的水陆两用运动飞机。这架双座飞机有7米长,2.47米高,翼展达1060米。其100马力的Rotax 912引擎燃烧91辛烷汽油或100 LL航空燃料;飞机最大巡航速度177公里,航程为724公里。它的起飞距离也很短:在跑道上为195米,水面为256米。此外,由于这架飞机的设计具有额外的安全特性,特别是需要使用辅助材料的“防旋转”机身,A5的总重达685公斤,超过了LSA型水上飞机的最高限额36.3公斤。2013年,美国联邦航空局批准了ICON的申请豁免,允许A5的起飞重量增加到762公斤,这是为了承认飞机重量增加所带来的额外安全。

ICON A5外观

ICON A5外观

ICON飞机于2014年开始制造这款飞机,迄今已交付26架A5。该公司表示,目前有近1800份订单。A5的2018年基础定价为26.9万美元。该公司估计,A5等轻型运动飞机的全球市场潜力将达100亿美元。

2017年,美国联邦航空管理局又对小型飞机的空气认证标准进行了修订,新标准打破了LSA两位乘员的限制。新规则将飞机(通勤、特技飞行等)的几种类别,根据飞机的座位容量,替换为性能和风险等四个等级。

Pipisitrel公司(斯洛维尼亚)最近完成了Panthera飞机的认证测试,这是一款新型、几乎全碳纤维复合材料制成的飞机(凯夫拉尔增强复合材料驾驶舱是例外)。Panthera采用了新颖的设计,与同级别的其他飞机相比,其阻力降低了50%。飞机空重为692公斤,这架四座客机也比其他飞机轻得多:比Mooney International Corp.的M20K轻154公斤,比Cirrus的SR22轻318公斤。从技术上来说,Panthera只需要不到四分之一英里(402米)的地面距离来起飞,这意味着它可以在大多数草地着陆带中进出。该飞机配备了210马力的莱康明IO-390发动机,最大巡航速度达到约185节。Pipistrel的研发总监Tine Tomazic说,机身和舱壁由蜂窝结构构成,而机翼则由泡沫三明治制成。该公司在意大利的工厂生产这款飞机,工厂采用多种复合材料生产工艺,包括真空辅助、高压釜和高压釜预浸料技术。它还开发了一种专有的模内涂装工艺,包括聚氨酯涂料。

新颖的设计和革命性的空气动力学

上述飞机的推出表明,响应新需求建造更高容量、可负担得起的私人飞机可能是未来的潮流。然而,还有几个障碍:缺乏基础设施、稀缺的投资者和资金、监管“灰色地带”,以及市场对此类飞机长期需求的不确定性。

几家创业公司正直面这些挑战,他们致力于用各种形式开发和商业化个性化的飞机。Synergy Aircraft公司(美国蒙大拿州)Synergy Prime的概念是一款1至7人座飞机,设计用于往返于短暂的社区机场。该飞机设计以套件形式提供或完全组装,设计时速可达483 公里,使运营商和乘客在类似距离内的移动速度比地面运输至少快六倍。创始人John McGinnis说,该飞机的主要特点之一是其双翼式(DBT)机翼尾部配置,与整体设计的其他方面结合起来,从而降低高速阻力并提高跨距效率。目前,最终的全尺寸原型机即将完成,包括14个复合部件,用于组件平面版本和认证生产。尽管材料和工艺有望在完全商业化的道路上发展,但零件主要是通过玻璃纤维铺层建造的。

McGinnis认为,要打造一架最终能与汽车和大众运输竞争的私人飞机,就必须提高目前的产量。他说:“每天在高压釜里制造几个零件从经济上来说没有任何意义。我们正在寻求互惠互利的合作,以进一步开发一些我们一直保密的有前景的生产技术。”

Terrafugia公司的碳纤维复合材料型“可行驶的飞机”

Terrafugia公司的碳纤维复合材料型“可行驶的飞机”

作为传统的通勤和个人旅行的替代产品,Terrafugia公司的碳纤维复合材料型“可行驶的飞机”也在进行中。该公司已经成功完成了两款飞行汽车原型的概念验证演示。第一次飞行是在2009年,第二次是在2012年。目前,该公司正在“完成生产车辆设计和合规测试”,预计到2020年首次交付车辆。折叠机翼,两座位车辆使用优质燃油;其外形设计成一辆典型的汽车,但机翼展开,能够像LSA一样飞行,巡航速度185公里,里程约644公里。美国相关机构给予了政策支持,比如联邦航空局就放宽了600公斤LSA的最大起飞重量的限制,好让它可以安装气囊和车身碰撞缓冲区。根据Endgadget.com上发布的一份报告,自2009年开始测试以来,该车型的预计基准价格已从19.4万美元增加到30万美元,目前的版本经过最终设计和测试。证明从汽车(FMVSS)向飞机(FAA)标准过渡的努力,带来了巨大的成本上升。

Terrafugia于2017年由跨国汽车制造商浙江吉利控股集团所收购,吉利集团董事长李书福表示公司将“致力于实现飞车梦想”,并计划利用吉利的制造协同效应来帮助其发展。

行业提升

通过利用复合材料制造带来的重量减轻和其他优势,廉价飞机的概念让人们能够短距离、快速和经济地实现自己的生活。包机服务和商务机为那些不喜欢排队等候安检的人提供服务。但是,随着通勤时间的延长和交通拥挤的加剧,技术的可用性、设计者和建设者的意愿以及城市通勤者的迫切需求已经趋同。其结果是一个新概念所概括的现象:按需航空。从本质上讲,是空中出租车。

在美国,优步(Uber)正在推销其去年宣布的计划,在一个城市推出空中出租车服务:UberAIR,作为其城市地面交通服务的自然延伸。该服务将由装载三至五人的eVTOLs空中飞机车提供,在建筑顶部或Uber专用“vertiports”机场起降。该公司已经制定了一个雄心勃勃的目标,目标是在2020年之前制造并交付测试50架eVTOLs。优步的目标是首先在局部地区进行2023年的全面商业服务启动——从旧金山码头通勤到圣何塞,在高峰时期只需要大约15分钟,比汽车减少了近两个小时。

虽然Uber的第一架全尺寸飞机尚未建成,但Uber的工程总监Mark Moore说,轻质、先进的复合材料将与分布式电力推进和自主/无人驾驶技术相结合,成为设计中的三大核心技术。Uber的EvtOLS时速高达322公里,飞行的最大里程为100公里。每辆eVTOL飞机在交通高峰时段的行驶速度将比地面车辆运输时快六倍。

该公司已召集了一系列国际航空OEM制造商设计和制造eTVOL,包括Aurora Flight Sciences公司、Bell直升机公司、轻型飞机制造商Pipistrel和Mooney International以及区域商用和商业飞机制造商Embraer巴西航空工业公司。每家企业都将独立开发eVTOL。除了三种所需的核心技术和飞机机舱内部外观和感觉的某些特定通用性之外,没有计划生产符合通用平台的车辆。Uber表示,在这个早期阶段,每个合作伙伴/制造公司都在开发自己独特版本的eVTOL飞机,并使用独立确定的设计参数和样式。

Aurora Flight Sciences公司是首批参与制造和飞行次级概念证明eVTOL的飞机制造商之一。这架重147公斤的双座四分之一飞机于2017年4月投入使用,长度和翼展为2米/6.6英尺,配备8个水平方向的螺旋桨,垂直起飞和降落,尾部垂直支撑,用于快速固定翼飞行。该概念结合了Aurora其他项目的技术:电池电动推进系统将源自为DARPA开发的Aurora的全碳复合材料;自主飞行指导系统将采用Aurora的Centaur系统,这是一种为美国海军开发的可选驾驶飞机。

在欧洲,位于德国慕尼黑技术大学的创业公司Lilium公司于2017年4月完成了其双座原型eVTOL原型机Lilium Jet的飞行测试。该合资公司正在开发一个全尺寸的5个座位版本飞机,声称它将是唯一能够同时使用VTOL和喷气动力水平飞行的电动飞机,最高巡航速度可达200英里/小时。

稍微不同的是,PAL-V International(荷兰)正在建造一款飞行中的汽车,它在飞行中既不是飞机也不是eVTOL,而是旋翼飞机。首席执行官Robert Dingemanse表示,PAL-V Liberty可以说是目前最成熟的飞行汽车理念,预计2019年全面认证和商业化生产。碳复合材料机身正在通过欧洲和美国航空公司(分别为CS 27和FAR 27)和汽车(NHTSA和欧盟委员会)标准的认证。它使用常规汽车汽油或大多数机场提供的“Mogas”,并且需要90-200米的起飞距离,但只需很少的着陆空间;如果有必要的话,PAL-V Liberty可以实现垂直着陆。像其他的旋翼飞机一样,PAL-V Liberty可以以50kmh的最低速度飞行,最高时速可达180kmh。该旋翼机的最大起飞重量为910公斤,这意味着在美国,该飞机具有LSA的资格,取得运动飞行员执照即可以飞行。

虽然这些PAL-V旋翼飞机可以用于娱乐项目,但该公司预计其中其主要用途之一是用于上下班通勤,其中汽车/飞机的组合最为实用:飞越大部分交通拥堵,然后将剩余的一小段陆地距离通过车轮子行驶到办公室。

广州亿航智能技术有限公司发布了“亿航184”自动驾驶飞行器载人飞行测试。亿航创始人兼CEO胡华智表示,未来空中巴士将成为现实,载人飞行器将像私家车一样普及,今年“亿航184”计划实现小批量交付,未来会在广州等城市率先试点。胡华智介绍,“亿航184”能解决城市短途交通的问题,实现城市内及城市间的点对点飞行,显著提高交通效率。该飞行器飞行均速约100km/小时,高速巡航测试可达到130km/小时,飞行直线距离理论上可达到50km,一般飞行预留距离为40km,“别小看这40公里,城市空中直线距离远远大于地面交通的距离,从广州城区出发飞行40公里直线距离可到达东莞、佛山。”

相比之下,eVTOL车辆的有效载荷为100公斤(净重260公斤)。巡航高度为500米,海平面飞行时间约为25分钟,充电时间为1小时。四个水平转子,每个带两个螺旋桨。飞行速度为100km/小时。其2米长、1米宽的主机身由碳纤维增强环氧树脂复合材料制成,其中一些部件为飞机级铝合金。

在美国,以飞行汽车闻名的Terrafugia已经投标了eVTOL市场。母公司Geeley正在资助eVTOL的构建,TF-X和Terrafugia已经完成了1/10比例原型碳翼的静态负载测试。机翼设计通过了测试的验证——它能够承受预计负载的五倍以上。TF-X继续进行设计和测试,Terrafugia将在2023年之前实现商业准备。

到底哪些是刚需?

最终,金钱、时间和市场将决定哪种类型的eVTOL技术在性能和效率方面表现出色,并成为城市大众可行的通勤选择。对于私人飞机也是如此,在这个竞技场中,要实现业务的持续性,商业级的销量可能会更好。强大的新技术、大胆的设计和有利的新法规,似乎一个负担得起的、个性化和“按需”飞行的时代即将来临。

本文内容来自《国际复材技术商情》2018年六月刊。

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