Сравнение самолетов Evtol: электрические и гибридные силовые системы

Диапазон и полезная нагрузка

Полностью электрические eVTOL в настоящее время нацелены на городскую воздушную мобильность (UAM) с миссиями на 20–60 миль с 1–4 пассажирами плюс пилот. Масса батареи, необходимая для более длинных расстояний, быстро разрушает грузоподъемность, что приводит к уменьшению кривой отдачи. Например, аккумуляторная батарея емкостью 1000 кг может дать диапазон 100 миль с полезной нагрузкой 300 кг; удвоение батареи до 2000 кг может обеспечить только диапазон 150 миль из-за добавленного веса. Гибридные системы избегают этой проблемы, используя топливо высокой плотности энергии, которое не увеличивается пропорционально дальности. Гибридная eVTOL может нести ту же полезную нагрузку более 300 миль, в то время как масса батареи поддерживает только сегменты, связанные с электричеством. Это делает гибридные архитектуры привлекательными для междугородних маршрутов, соединяющих региональные воздушные транспортные узлы (RAM).

Оперативные расходы

Электрические eVTOL обещают более низкие эксплуатационные расходы на милю, потому что электричество дешевле авиационного топлива на основе эквивалента энергии, а электродвигатели требуют меньше обслуживания, чем двигатели внутреннего сгорания. Анализ McKinsey предполагает, что полностью электрические самолеты могут достичь эксплуатационных расходов в размере 0,50-0,80 долларов США за милю кресел к 2030 году по сравнению с 2-3 долларами США для вертолетов. Гибридные системы сталкиваются с более высокими расходами на топливо, более частыми капитальными ремонтами двигателей и дополнительной сложностью трансмиссии, что приводит к увеличению затрат на милю кресел ближе к 1,00-1,50 долларов США. Однако возможность летать на более длинных маршрутах генерирует больше доходов за полет, что может компенсировать более высокие переменные затраты. Выбор зависит от того, отдают ли операторы приоритет коротким, высокочастотным городским миссиям или более длительным, низкочастотным региональным поездкам.

Шум и выбросы

Обслуживание и надежность

Простота приводов надежность. Полностью электрические силовые агрегаты имеют долю движущихся частей любой гибридной системы: нет поршней, клапанов, коленчатых валов, топливных форсунок или выхлопных систем. Это снижает вероятность механического отказа и снижает время работы по техническому обслуживанию. Электродвигатели также сильно избыточны при распределении по нескольким роторам, что позволяет безопасно продолжать полет после одного отказа двигателя. Гибридные системы вводят режимы отказа, связанные с двигателем и генератором, требующие сложного мониторинга состояния здоровья и более частых проверок. С другой стороны, гибрид может использовать свой двигатель в качестве резервного источника питания, если батарея истощается или выходит из строя, добавляя слой избыточности. Чистый баланс безопасности зависит от архитектуры системы и качества компонентов.

Технология аккумуляторов и путь к более высокой плотности энергии

Будущее полностью электрических eVTOLs зависит от прорывов в области аккумуляторов. Текущие литий-ионные элементы предлагают около 250-300 Втч / кг на уровне ячеек, но интеграция пакетов снижает это до 200-250 Втч / кг. Для достижения практических диапазонов 150 + миль с адекватной полезной нагрузкой отрасли требуется 400-500 Втч / кг на уровне упаковки. Существует несколько перспективных путей: литий-серные батареи теоретически могут достигать 500 Втч / кг, но страдают от ограничений цикла жизни; твердотельные электролиты обещают более высокую плотность энергии и улучшенную безопасность, но остаются дорогими для производства в масштабе; и кремниево-анодные литий-ионные ] ячейки уже вступают в производство с 20-30-процентным увеличением по сравнению с обычными графитовыми анодами. QuantumScape, Solid Power и другие работают с авиационными партнерами для сертификации твердо

Гибридные архитектуры: Серия, Параллель и Серия-Параллель

Гибридный ряд (Range Extender)

В серии гибридных двигателей, двигатель внутреннего сгорания приводит в действие генератор, который поставляет электричество к двигателям и/или заряжает аккумулятор. Двигатель никогда механически приводит в движение роторы непосредственно. Это отделяет скорость двигателя от скорости ротора, позволяя двигателю работать на его наиболее эффективной RPM. Батарея действует как буфер, обрабатывая переходные потребности мощности во время взлета и посадки. Серийные гибриды механически проще, чем параллельные гибриды и являются наиболее распространенным подходом среди разработчиков eVTOL (например, FLT:0]Volocopter) концепт-гибрид.

Параллельный гибрид

Параллельный гибрид позволяет как электродвигателю, так и двигателю внутреннего сгорания управлять роторами, как по отдельности, так и вместе. Для этого требуется более сложная коробка передач или сцепления, но может предложить более высокую пиковую мощность, поскольку оба источника питания могут быть суммированы. Параллельные гибриды могут быть более эффективными в круизе, если двигатель может непосредственно управлять роторами, устраняя потери генератора. Однако механическая связь добавляет вес и уменьшает преимущества избыточности распределенной электрической тяги.

Параллельный (двойной режим)

Некоторые передовые архитектуры позволяют переключаться между последовательными и параллельными режимами для оптимизации эффективности для различных фаз полета. Например, взлет и подъем могут использовать только электрический или серийный режим для низкого шума, в то время как круиз может задействовать двигатель с прямым приводом для снижения потерь. Эти системы являются наиболее сложными, но потенциально наиболее эффективными для дальних миссий. Разработчики, такие как Airbus и Rolls-Royce продемонстрировали серийные параллельные гибридные силовые агрегаты в испытательных стендах.

Требования к инфраструктуре для каждой энергосистемы

Зарядные сети для электрических eVTOL

Полностью электрические eVTOL требуют плотной сети мощных зарядных станций в головных портах. Типичная батарея мощностью 50-80 кВтч должна быть перезаряжена за 10-20 минут для поддержания рабочего темпа. Это требует зарядной инфраструктуры мощностью 300-500 кВт, аналогичной зарядным устройствам для электромобилей большой мощности. Однако электросети во многих местах головных портов может потребоваться модернизация для обработки всплесков нескольких одновременных зарядов. Переключение батарей является альтернативой, исследуемой некоторыми компаниями, которая может сократить время разворота до менее 5 минут, но требует стандартизированных модулей батареи и дополнительного инвентаря в каждом головном порту.

Заправка и техническое обслуживание гибридных eVTOL

Гибридные eVTOL могут использовать существующую инфраструктуру авиационного топлива, включая Jet A-1 или неэтилированный Avgas, или ввод в эксплуатацию устойчивых авиационных топлив (SAF). Заправка занимает минуты, а расширение дальности означает меньше остановок. Однако инфраструктура обслуживания гибридных систем больше похожа на традиционные самолеты, требующие специализированной механики для работы двигателя и генератора. Вертипорты для гибридов нуждаются как в заправочных станциях, так и в потенциально зарядных станциях для меньших батарей, что добавляет сложности, но использует существующие цепочки поставок топлива в аэропортах. Выбор гибрида также означает, что самолет будет нести как батареи, так и топливо, увеличивая требования к массе и объему для наземного обслуживания.

Пути регулирования и сертификации

Рыночный ландшафт и ведущие разработчики

Конкурентное поле включает как специализированные стартапы, так и созданные аэрокосмические гиганты. Joby Aviation [полностью электрический] []Archer Aviation нацелен на городские услуги воздушного такси с помощью своего самолета Midnight. Lilium использует полностью электрический вентилятор. Beta Technologies разработала ALIA-250 как в электрическом, так и в гибридном вариантах, и Elroy Air фокусируется на грузовых гибридных eVTOL. Airbus добился прогресса со своим гибридным демонстратором CityAirbus NextGen. Harbour Air и MagniX