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发明家和物理学家托马斯·森克尔(Thomas Senkel)凭借其 2011 年 10 月首次也是唯一一次试飞的视频,在互联网上引起轰动,视频中展示了他蜘蛛网状的概念验证 16 旋翼直升机,名为 Multicopter 1。现在,这家实验性个人航空飞行器的制造商、欧洲初创公司 e-volo 又回来了,并推出了修订后的“飞行汽车”设计,增加了两个旋翼,采用串联混合动力驱动,并计划长期实现 100% 电池供电。
新的设计采用 1.8 米、0.5 公斤的碳纤维叶片,每个叶片都与一个电机配对。它们围绕一个轮毂排列成两个同心圆,覆盖在一个方方正正的单人或双人座舱上方。
在 4 月份为飞行汽车概念颁发林德伯格创新奖后,查尔斯·A 和安妮·莫罗·林德伯格基金会执行董事 Yolanka Wulff 承认,多叶片直升机的想法起初看起来“古怪”。然而,她表示,除了新颖的外观之外,e-volo 的概念在安全性、能源效率和简单性方面都表现出色,这也是该奖项的基础。
这三个特点的实现主要归功于 e-volo 移除了经典的直升机元素。首先,耗能的高质量主旋翼、传动装置、尾梁和尾桨都消失了。普通直升机机舱上方巨大的叶片产生升力,但它们的质量对飞行器造成了高度的应力和磨损。而且,位于机舱后方尾梁上的小型尾桨可以防止直升机机身与主旋翼反向旋转,但它也消耗了直升机约 30% 的动力。
飞行汽车的多个旋翼叶片单独不会产生单个大型旋翼产生的扭矩,并且它们为安全提供了冗余。该飞机的共同发明人和 e-volo 的首席结构工程师森克尔表示,从理论上讲,飞行汽车可以在只有 12 个旋翼正常工作的情况下飞行,只要这些旋翼不是都集中在同一侧。
如果没有标志性的双螺旋桨配置,该飞行器会更轻,从而提高燃油效率并降低从单个发动机向顶部和后部叶片输送动力的物理复杂性。飞行汽车也不需要耗能的传动装置。事实上,“燃气发动机和叶片之间不会有机械连接,”森克尔说。这意味着更少的能量损失点和更大的安全冗余。
e-volo 的设计消除了对叶片单一动力源的依赖。作为一种串联混合动力汽车,飞行汽车将配备燃气发动机,在这种情况下,该发动机能够产生 50 至 75 千瓦的功率,这是超轻型飞机的典型水平。发动机不是机械驱动旋翼,而是为电动机发电并为车载锂电池充电。如果发动机发生故障,预计电池将提供足够的备用电力,使飞行器能够进行受控着陆。
直升机通过改变主旋翼和尾桨叶片的倾角来导航,而飞行汽车的机动性将取决于改变单个旋翼的速度。原则上,使用三到六个冗余微控制器(以防一个或多个发生故障)来控制飞行器,解释来自飞行员使用类似游戏控制台的操纵杆发出的指令,而不是方向舵踏板、操纵杆和油门,尽管更复杂,但更精确。
Wulff 对飞行汽车设计的第一印象并不罕见。e-volo 的计算机动画宣传视频展示了一架闪亮的白色碳纤维和玻璃纤维飞行器,下方覆盖着一簇簇叶片,让人想起 19 世纪末许多长着翅膀的飞行机器。森克尔也意识到了这一点。
“我理解这些怀疑的观点,”他说。“这种设计概念看起来像一个搅拌机。但我们确实在制造一种安全的飞行机器。”
这本身就是进步。Multicopter 1 看起来像是《百战天龙》中一个特别不可靠的剧集里的东西,配有包括一个银色瑜伽球在内的起落架。森克尔坐在所有仅由锂电池供电的旋翼中。Multicopter 1 的悬停平均功率为 20 千瓦,仅在空中停留了几分钟。
这个实验性飞行器只飞行了很短的时间,而且只有一次,是有原因的。森克尔将第一架飞行器描述为“粘合和拧在一起的”。他说,他坐在与旋转的叶片相同的平台上,“我知道我可能会死。此外,我们证明了这个概念是可行的。如果我们再飞一次,我们能获得什么?”他反问道。
除了将飞行员安全地放置在叶片下方之外,修订后的飞行汽车设计在很大程度上将与最初的原型机相同。该设计要求使用三到六个冗余加速度计和陀螺仪来测量飞行汽车的位置和方向,形成一个反馈回路,从而提高飞行器的稳定性,并使其更容易飞行,森克尔说。
正在建造中的飞行汽车的修订原型最早可能在明年春天首次亮相。预计首批量产机型将在大约三年内上市,飞行时间至少为一小时,时速超过 100 公里/小时,最低飞行高度约为 2000 米,仍然远低于标准直升机的正常飞行高度 约 3000 米。“这可能会改变我们的生活,但我预计 10 年内不会发生任何类似的事情,”森克尔补充道。
鉴于制造飞行汽车所需的大部分技术已经可用,e-volo 的合作伙伴 Smoto GmbH 的总经理 Carl Kühn 说:“这个想法很容易实现。”该公司整合了电动驱动系统和相关组件。
与森克尔一样,尽管 Kühn 反复强调所涉及技术的标准性质,但他对短期内的期望并不高。“我猜 e-volo 将在三年内拥有一架可以完成这项工作的[原型]飞机——它将把一两个人从一个点运到另一个点,”他说。
目前最大的限制似乎是监管方面的。例如,Kühn 说,欧洲航空监管机构认为任何大于 60 伏的电气系统都属于高压,并对这类系统进行更严格的监管。因此,飞行汽车将在该阈值以下运行。根据森克尔的说法,该飞行器的重量也不得超过 450 公斤,以保持在超轻型类别中,该类别同样受较少的政府航空法规的约束。
林德伯格基金会的 Wulff 说,该组织的评委认为 e-volo 有“超过 50% 的成功机会,否则他们不会给他们颁发创新奖”。当被问及她是否会排队在将来乘坐其中一架时,她说:“我当然会。它对我来说非常有吸引力。”