UAM飞行器的未来前景
发布于2025-01-08
几乎从汽车诞生以来，专家们就一直在谈论城市空中交通（UAM）飞行器 - 通常被称为飞行汽车 - 的最终到来。我们仍在等待这些预言成真，但除了一些产品原型和承诺之外，直到现在也没有什么实质性的进展。
随着道路越来越堵，尤其是在城市，目前已经到了引入UAM飞行器的绝佳时机。如今，有几家公司已经有了正在运行的产品原型，其中许多正在申请国家航空机构的认证。部分UAM飞行器的设计需要训练有素的飞行员参与，如德国Volocopter公司设计的VoloCity空中出租车。还有一些飞行器是自主运行的，比如中国亿航智能 (EHang) 的EH216-S无人驾驶载人航空器。这两种UAM飞行器都已经进行了深入的测试和试飞。目前的大多数UAM飞行器都很昂贵，主要用于空中出租车等商业用途。不过，在不远的将来，大众市场上出现个人UAM飞行器的概率也在增加。
过去十年间，为开发更具性价比的UAM飞行器，所有关键技术都取得了一定进展以解决遇到的障碍。不过这些进展大多并非专门针对UAM飞行器，而是来自电动汽车（图1）以及商用和军用无人机的进步。本博客将介绍UAM飞行器开发所涉及的重要技术，并探讨这些技术如何推动未来的发展。
图1：电动汽车动力总成设计为UAM飞行器开发节省了大量技术工作。（图源 Taskmanager/stock.adobe.com；使用AI生成）
电机
对于飞行应用来说，最重要的指标之一是功率重量比。这对电机来说尤为重要，因为像VeloCity空中出租车这样的设计就有18个旋翼，每个旋翼都需要一个电机。过去几年，电机在性能提升和减重方面都取得了长足进步。
UAM制造商非常感兴趣的一项创新是轴向电机。这种电机的磁通与旋转轴平行，而不是像现有的径向磁通电机那样与旋转轴垂直。轴向电机效率更高，结构更紧凑，功率密度超过6kW/kg，重量更轻。电机领域另一项令人振奋的创新是为电动汽车开发的轮毂电机，这种电机可以独立、精确地控制汽车的车轮，同时减轻重量、减少占用空间。这种技术可用于为UAM飞行器提供独立的旋翼控制。
至于所使用的电机类型，切换式磁阻电机 (SRM) 正在成为汽车应用中的一种流行解决方案。[1]SRM具有运行速度快、在较宽的速度/扭矩范围内效率高、耐热和耐振动以及功率密度高等特点。这项技术以前的缺点，包括扭矩纹波和声噪，现在可以通过改进设计和控制来克服。SRM的另一个巨大优势是其结构中不需要稀土元素，从而降低了成本，并简化了供应链。
还有一种广泛应用于小型电动汽车的电机可用于UAM飞行器设计，即内永磁同步磁阻电机（SynRM-IPM）混合设计。由于UAM飞行器通常由多个旋翼推动，采用SynRM-IPM设计的优势包括体积小、扭矩大、效率高，且反电动势 (EMF) 阻力极小，有助于消除高速低效现象。
电池技术
电池将为UAM飞行器提供动力。我们现在使用的锂离子电池往往比实际需要的更重，因为它们通常封装在厚厚的金属棱柱或圆柱形外壳中，即便如此，它们依然能提供目前最好的功率重量比。不过，固态锂离子电池应该很快就会上市，它们将提供更高的功率重量比和更出色的安全性。Samsung SDI计划在2027年之前大规模生产固态电池。[2]该公司的ASB电池能量密度将达到900Wh/L，比其目前的P5棱柱形锂离子电池密度高出40%以上。其他汽车公司，包括丰田和大众，也在为自己的固态电池制订类似的目标。
固态电池不需要厚厚的金属外壳，因为它们的固态电解液不会泄漏，也更不容易自燃。在城市环境中，续航里程可能不像在其他地区那么重要。这意味着UAM飞行器的固态电池组可以更小、更安全、更轻便，同时还能提供足够的续航里程（图2）。
图2：固态电池将有助于提高UAM飞行器的安全性和性能。（图源：chesky/stock.adobe.com）
架构
汽车行业正在从分布式架构向分区控制的集中式架构转型，以减轻重量并降低复杂性。由于这两个问题也是UAM制造商面临的主要挑战，因此汽车行业目前的变化也会为将来的UAM设计提供灵感。
分布式汽车系统中的汽车电子控制单元 (ECU) 数量急剧增加，平均每辆车中约有100个ECU。[3]这些ECU占用了车辆的大部分电力，需要大量布线才能相互通信。线束较重，平均每辆车的线束重量估计在100至120磅之间。[4]集中式架构有一个功能强大的主控制单元，它只需要与车辆每个区域的单个ECU进行通信，从而减少了所需的布线，并相应减轻了汽车的总重量。拥有一个强大中央计算平台的另一个好处是，它可以运行AI应用，这对UAM设计来说也是必不可少。
与此同时，业界正在从400V架构转向800V，以提供更快的充电速度、更高的性能、更轻的重量和更长的电池续航时间。800V架构使用的电流较小，因此线束更细、更轻，产生的热量也更少，从而减少了电池的压力，降低了热失控的几率。出于许多相同的原因，电动汽车还开始采用48V总线电压。这种新的电压水平可为UAM制造商带来类似的好处。
动力总成
宽禁带 (WBG) 材料给电动汽车动力总成带来了颠覆性的变化，对于UAM飞行器也具有同样的潜力。与硅相比，碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 元件具有更优越的性能，以及更高的效率、开关频率和工作温度。高速开关允许使用更小的磁性元件，从而减小了整体解决方案的尺寸和重量；更高的效率则意味着更多的存储电力得到了有效利用，同时产生的热量更少。SiC元件还非常坚固耐用，具有高热阻，因此使用寿命更长，散热效果更好。
操作安全
虽然事先经过批准的飞行计划应确保UAM飞行器永远不会彼此接近或靠近任何其他物体，但由于技术或其他方面的原因，仍然有一定的危险性。幸运的是，自动驾驶汽车的创新提供了一种解决方案，它结合了光学、雷达和激光雷达技术，可以360°全方位观察车辆。这些技术已经发展了相当长的时间，并且得到了很好的理解，它们应该能够在任何物体都是威胁的空中更加精确地运行。Amazon[5]等公司已经使用部分或全部这些技术对自主无人机进行了测试（图3）。
图3：自主无人机已经被开发和部署用于快递等任务。（图源：vxnaghiyev / stock.adobe.com；使用AI生成）
导航
即便不是全部，大多数UAM设计也是严重依赖全球导航卫星系统 (GNSS) 进行导航。在城市环境中，信号可能会被高大建筑物阻挡或反射，各种中断和故障始终是技术的危险所在。惯性测量单元 (IMU) 和其他传感器（如摄像头、激光雷达和里程表）等电子元件可以提高GNSS系统的精度和可靠性，甚至在出现故障时暂时接管导航工作。
结语
我们不一定能马上看到个人UAM飞行器的出现，但所需的主要技术要么目前已经具备，要么很快就会出现。电动汽车和自动驾驶汽车的发展已经完成了大部分艰苦的技术开发工作，而无人机技术的进步也起到了相当大的作用。未来学家们今天对推出飞行汽车的预测很可能不久就会成为现实。
作者简介
自1997年从西苏格兰大学电子系统专业获得理学学士学位以来，Allistair一直在电子媒体行业从事市场营销、公关和新闻工作。在此期间，他担任过《Electronics Engineering》、《Embedded Systems Europe》、《EENews Embedded》、《Technology First》、《Electronic Product Design and Test》以及《Panel Building and Systems Integration》等杂志的编辑。目前，Allistair是《Power Systems Design》的欧洲编辑，还是一名自由撰稿人，专门从事电子和工程领域的写作。