陳濟桁
隨著近年來相關技術的不斷發展和成熟，電動垂直起降飛行器（eVTOL）已經引發了市場的興趣和投資熱情。美國Overair公司作為新近加入該領域的一員，其代號為“蝴蝶”的eVTOL將在2023年下半年進行首次飛行測試。“蝴蝶”戰略性地使用了東麗公司新一代碳纖維/環氧樹脂預浸料，進一步減輕結構重量，緩解電池供電壓力，提供更加安靜的飛行體驗。
“蝴蝶”的誕生
美國Overair公司由航空航天領域資深人士Abe Karem和Ben Tigner于2020年聯合創立。在此次創業前，二人還共同于2004年領導創建了一家專注于軍用傾轉旋翼機設計的企業——美國Karem飛行器公司。該公司曾參與美國陸軍聯合多用途技術驗證計劃（JMR-TD），以及美國DARPA、國防部部分垂直起降飛行器的方案論證，擁有自主知識產權的最適速度傾轉旋翼技術（OSTR）。通過投資成立Overair這家新公司，創始人的目標是利用此前積累的技術和知識產權，推出一款專為可持續、低噪、空中共享出行設計的飛行器，順利進入消費市場和城市空中交通（UAM）領域。
Overair公司目前正在全力研發代號“蝴蝶”的電動垂直起降飛行器。該機采取6座布局、有人駕駛設計，瞄準城市空中“拼車出行”需求，機內空間充足，能夠容納大件行李或貨物。采用電池供電的“蝴蝶”設計續航里程可達160千米，最高時速為321千米。盡管Overair創立于2020年新冠疫情大流行初期，一定程度上影響了產品研發進度，但公司目前的目標仍然是計劃在2023年下半年成功制造出可用于飛行測試的原型機。Overair 一直在朝著這一目標穩步前進——今年6月14日，Overair宣布獲得來自韓國的韓華系統公司和韓華航宇公司總計1.45億美元資金，用于開發“蝴蝶”的首架飛行測試用原型機。
采用高效、低噪、復合材料 密集型設計
Overair公司終極目標是將一款環保、安靜的飛行器引入現有交通網絡中，“蝴蝶”飛行器將成為實現這一目標的重要載體。“蝴蝶”飛行器的設計立足于美國國防部和NASA等投資者過去數十年的技術研發基礎，設計者將這些專利和技術成功付諸商業實踐，為先進的飛行動力技術匹配恰當飛行平臺。Overair表示，“蝴蝶”將是同類飛行器中最安靜的。當提到城市空中交通時，低環境噪聲是一個非常重要的考量因素，這也將是“蝴蝶”飛行器的關鍵優勢之一。Overair公司目前正開始與NASA合作，確認其飛行器的飛行和噪聲水平，不過實際分貝水平需要在原型機建成后進行測試和驗證。實現主要降噪功能之一的組件是安裝在飛行器上的4個相對較大、相對緩慢運轉的螺旋槳，每個螺旋槳具有3片復合材料槳葉。Overair公司表示，采用大型螺旋槳組件的首要目的是為更大的有效載荷提供高效率。為“蝴蝶”飛行器設計的螺旋槳具有低槳盤載荷，這意味其螺旋槳單位面積承重輕。較低的槳盤載荷往往與更高效率和更低噪聲正相關。葉片的外形和葉片尖端由全球知名的空氣動力學家精心設計，打造出了比普通吹風機還要安靜動力系統。除低噪聲外，這套大尺寸動力裝置也是“蝴蝶”實現其獨特飛行性能優勢的關鍵，Overair公司稱之為“最優速度推進系統”（Optimum Speed Propulsion System）。直徑達到6.1米的螺旋槳是eVTOL領域中應用的最大尺寸，垂直起降和巡航向前飛行過程中，這款大型螺旋槳可以自動改變旋轉速度，當飛行器向前飛行時，螺旋槳轉速將降至垂直飛行時的一半，這在可垂直起降的飛行器中屬于一次突破，它可實現每個飛行階段都能使用“最優飛行速度”，從而減少電量消耗，為在惡劣天氣條件下飛行的安全、性能、航程和有效載荷預留保障空間。在螺旋槳中，“蝴蝶”使用了獨立葉片控制（IBC）方案，該方案醞釀了超過15年，它可實現每片槳葉在旋轉時單獨改變其角度，有效控制飛行器在垂直飛行中的姿態和平穩度，使“蝴蝶”乘坐感受比現有的直升機更加舒適，IBC還可以通過減少施加在飛機部件上的作用力進一步降低維護成本。“蝴蝶”使用的直驅電機由目前主流的電池提供電能，由于沒有變速箱設計且活動部件較少，“蝴蝶”的電機比目前飛機發動機更安全、更安靜、更高效、運行成本更低。“蝴蝶”支持在垂直起降、巡航向前飛行和垂直/平飛過渡三種飛行模式下實現矢量推力飛行。其矢量推力設計可達到所有飛機類型中的最高效率，與大直徑螺旋槳配合，“蝴蝶”的矢量推力設計提供了高有效載荷、全天候性能保障以及安靜的飛行能力。
2021年秋季，利用移動全尺寸推進系統試驗臺，通過移動推進測試的方式，“蝴蝶”的動力系統完成了地面測試。Overair為測試臺配套了遙測天線進行主動數據收集，能夠每秒從整個推進系統數百個傳感器傳輸數千個數據點。這些傳感器可以測量和收集空氣彈力并幫助公司擴大測試范圍，相關數據則直接從測試臺傳輸至Overair總部。
T1100碳纖維被用于結構設計
2022年7月7日，Overair公司宣布與碳纖維材料供應商東麗復合材料美國公司建立合作伙伴關系。該公司新一代T1100/3960碳纖維/環氧樹脂預浸料將被用于建造試飛飛行器上的主要機身部件，如機身、部分機翼組件以及旋翼葉片。此前Karem公司曾將T1100/3960材料作為DARPA/陸軍裝備項目的選材，因此“蝴蝶”飛行器選擇T1100/3960順理成章。東麗公司提供的3960是一款高韌型177℃固化環氧樹脂，其玻璃化轉變溫度（Tg）為204℃，而東麗T1100碳纖維是目前可實現應用的具有最高拉伸強度的碳纖維。
實現大型螺旋槳組件及整個飛行器結構輕質高效的關鍵，在于大量使用碳纖維/環氧樹脂復合材料。“蝴蝶”飛行器選取多種材料作為結構用材，其中包含金屬和其他復合材料，但在整機結構大型部件中，Overair 最終選擇使用日本東麗公司新一代T1100碳纖維。T1100制造的碳纖維復合材料此前已經在機身壁板和機翼大型結構部件中開展了相關應用研究，東麗美國公司與德世隆公司也在2022年5月達成合作協議，聯合支持先進材料性能國家中心（NCAMP）為東麗公司最新的3960預浸料體系開發設計許用值。T1100/3960用材體系有很大希望成為未來航空領域的理想選擇。
Overair公司團隊選擇T1100碳纖維，主要應用在需要高剛度而又不能犧牲強度和損傷容限等特性的部件中。研究人員表示，使用高模量碳纖維可以獲得更高的剛度，但不得不舍棄纖維的強度性能，且樹脂性能降低。T1100能夠提供所需的性能平衡，可應用在需要一定剛度以避免動態共振問題出現的組件中。對于不同應用環境的組件，這種碳纖維可應用到單向帶或織物中。此外，T1100碳纖維其他優點還包括優異的纖維性能和以及其良好的易加工性。
東麗美國公司目前正在資助一個
5批次的批生產項目，以用作結構制造和性能測試，生成相關數據全力支持“蝴蝶”飛行器的設計工作。到目前為止，Overair公司從東麗美國公司獲得的支持在整個設計過程中都帶來了巨大幫助。東麗美國公司愿意開發、共享自身掌握的相關數據，這在以往的工作中并不多見，但不需要全部負擔表征材料的投入和責任對應用方來說大有裨益。東麗美國公司也在近日宣布，為了響應美國國防部多個武器系統以及未來垂直起降裝備平臺結構的關鍵組件不斷增長的應用需求，提高東麗T1100高性能碳纖維的實用性，縮短交付時間，計劃在2023年4月開始對其位于美國阿拉巴馬州迪凱特市的碳纖維工廠進行重大升級，投資1500萬美元使T1100產能翻倍，并增加關鍵后備能力。
美國迪凱特工廠擁有從前驅體到碳纖維碳絲制造的完整生產線，是東麗公司三大制造工廠之一。該公司在華盛頓州塔科馬和南卡羅來納州斯巴達堡設有其他分工廠，主要用于生產前驅體、碳纖維和預浸料。
全力完成研發工作
目前，Overair公司正在努力按照美國FAA的標準認證“蝴蝶”飛行器的設計。首架原型機將是一架用于飛行測試的無人駕駛飛行器，該機將在2023年下半年在Overair位于美國加利福尼亞州維克多維爾的工廠進行全面測試。
為了完成目標，Overair公司最近在其現總部附近收購了一個新工廠，用于制造飛行器。每個復合材料部件都采取人工鋪放并通過熱壓罐固化成型。飛行器設計的所有部件要么在內部完成開發，要么將由Overair公司的制造合作伙伴協助完成開發。
總的來說，Overair公司打造的將不僅僅是一架保障安全的飛行器，而且是一個具有6個座位、適當航程、低噪安靜的城市空中交通運輸工具，對于高密度成熟環境來說，能夠有效滿足“拼車出行”的旺盛需求。（作者單位系航空工業發展研究中心）