Lilium Jet 架构和技术的介绍
Lilium Jet 架构和技术的介绍
Lilium 首席技术官 Alastair McIntosh 关于 Lilium Jet 架构和技术的介绍
2020 年 12 月初，我加入 Lilium，担任首席技术官。加入之前，我曾担任德国劳斯莱斯公司的首席工程师兼董事总经理。在我的职业生涯中，我负责交付许多世界领先的涡扇喷气发动机项目，包括用于湾流 G650 的 BR725 和用于空客 A350 的遄达 XWB。像许多在我之前加入 Lilium 的航空航天工程师一样，我很好奇 Lilium 的技术在实践中的实际表现如何。乍一看，Lilium 雄心勃勃的架构要实现既定的任务概况似乎很棘手。例如，在我看来，电动涵道喷气发动机的相关风扇尺寸和功耗影响可能会使这种架构不切实际。
作为尽职调查的一部分，我详细审查了这项技术和架构。我发现它在技术上是可靠的并且确实令人印象深刻，现在作为团队的一员，我已经看到了许多支持该概念的创新技术、分析，以及更重要的是测试数据。为了分享一些见解，本博客列出了 Lilium 架构的核心元素，以及解释为什么该架构在应用于飞机任务概况时功能强大的主要技术论点。在可能的情况下，我还解决了有关飞机结构的常见误解。
可以说，Lilium 团队一直在低调做事。展望未来，我们真诚地希望我们的技术进步和设计思维更加透明（尽管有敏感的知识产权）。本博客和即将发布的更新的目标是邀请航空航天和高科技社区的更广泛受众参与对话。希望这也是让每个人都更容易使用这些令人兴奋的技术的开始。
我们想要实现什么目标？
为了了解背景，让我快速解释一下该服务背后的目标及其技术要求。
Lilium 设想在发射时以高达 300 公里/小时的速度直接连接内陆城镇和城市，覆盖范围为 40 至 200 公里（长期可达 500 公里），同时与替代方案相比，可以为个人乘客节省大量时间。我们称之为区域空中交通 (RAM)，不要与城市空中交通 (UAM) 混淆，城市空中交通通常寻求在更短的距离（<20 公里）内连接城市内的点。与此同时，我们的目标是实现市场上最高的乘客（或货运）有效载荷，因为这可以转化为运营经济性的提高，进而可以灵活地为客户提供真正有竞争力的机票价格。飞机的收入潜力可以用每架飞机每天的乘客公里数来评估。
为了提供所需的航程和最高速度，需要一架在巡航飞行中高效的飞机。同样，悬停飞行期间的噪音排放必须非常低，以保证人口稠密地区附近的正常市场准入。尽管不可避免地需要建造新设施，但物理占地面积（其长度和翼展投影）应与标准直升机着陆场兼容，以利用现有基础设施。重要的是，未来任何更高有效载荷的飞机都能够利用相同的基础设施。最后，不言而喻的是，它需要是一种环保且可持续的解决方案。
因此，Lilium 飞机的要求可以总结如下：
· 零运营排放
· 高效巡航阶段
· 垂直起飞和降落，方便前往市中心
· 低噪音，适合高频次的内城航班运营和客户接受
· 随着时间的推移，高座位容量可实现有吸引力的单位经济效益和实惠的价格
·可扩展性，同时保持占地面积和低噪音。
与大多数新产品设计类似，第一反应是这些要求是矛盾的、相互竞争的。传统思维推动权衡，导致实现一个目标并妨碍实现其他一些目标。
Lilium 最大的突破不是接受传统的权衡方法，而是获得对物理学的首要原理理解，然后以集成和连贯的方式系统地创新和优化每个子系统，从而使最终的飞机实现所有规定的性能目标。这要从整个飞机概念层面开始。让我们明确一点：从技术角度来看，这条道路更为困难，但在 Lilium，我们现在相信这种方法将会成功，并最终通过为每个人提供新的移动方式而获得回报。
鉴于 VTOL 的背景，在进一步讨论之前，我们需要简要介绍一下光盘加载的属性。对于不太熟悉的人来说，圆盘负载是要提升的飞机总重量除以提升过程中使用的旋翼总面积。高盘负载与悬停时的低升力效率和高功率需求相关。因此，传统的电动垂直起降飞机设计将尝试通过较大直径的转子来最小化这一属性，但随后会牺牲其他属性，例如噪音、巡航效率和地面足迹。这导致飞机架构要么是（i）低盘负载、低航程、多旋翼概念，要么（ii）更复杂的开式旋翼、更高航程概念。两个方向均在固定有效负载下提供低噪声发射，但此类系统的有效负载无法针对相同的噪声分布进行缩放。
Lilium 从另一个方向解决了这一挑战：利用更典型的商用固定翼飞机（而不是旋翼机）的飞行包线，我们可以通过将小型电动涵道风扇喷气机与更高的圆盘负载和垂直起飞相结合来满足我们的规定要求。起飞和降落飞机。
在图 1 中，我们可以看到，对于相同的重量，与倾斜旋翼概念相比，Lilium 等升力风扇概念在悬停期间的功耗要低 50%。乍一看，这似乎是一种低效的设计 - 但仅在考虑悬停阶段时才如此。
图 1：遵循参考号。将 Lilium Jet 与开放式概念机的圆盘负载和悬停效率进行比较。最初的悬停垂直升力效率图来自 NASA SP-2000–4517。
悬停阶段效率的这一明显弱点（如图 1 所示）可以通过设计优化的固定翼架构实现极其高效的巡航飞行来弥补。还可以满足其他重要的关键任务目标，例如低噪音、小占地面积和可扩展性。
Lilium Jet 架构是什么？
图 2：7 座 Lilium Jet 的 3D 渲染。
图 2 显示了我们的 7 座认证架构。是的，我们正在建造一辆 7 座车！它已经开发了好几年，代表了我们六年历史中技术的第五次演变。该飞机具有前鸭翼、主翼和提供矢量推力的分布式推进系统。主翼展限制在 <14 米，以便能够使用现有的直升机停机坪（仅在美国就有大约 14,000 个可能的停机坪）。设计简单，没有副翼，也不需要垂直安定面。起落架是固定的，没有液压装置。方向稳定性由主动电子差动推力控制提供。该飞机通过电传飞行航空电子系统进行控制。主翼产生约 60% 的升力，鸭翼产生约 20% 的升力，剩余的约 20% 是在机身上产生的。鸭翼和机翼的位置尽可能远离，以使飞机能够稳定俯仰。
推进系统由 36 个可单独控制的襟翼组成，这些襟翼也用作提升和控制表面，每个襟翼都包含一个管道式电风扇。36 个涵道风扇以 1:2 的比例嵌入在鸭翼与主翼上。将涵道风扇嵌入机翼中，无需专用机舱，从而减轻了重量并最大限度地减少了空气动力阻力损失。襟翼由集成伺服单元旋转，该伺服单元可以旋转整个襟翼单元，以在悬停和巡航飞行期间实现可控性。襟翼仅接收两个信号：风扇速度和襟翼角度，通过推力矢量可以在整个飞行包线内控制飞机。
图 3：切开 Lilium 推进系统的涵道风扇。
风扇级设计为在悬停飞行期间最高效。为了在巡航飞行期间实现大致相同的空气动力学级效率，我们使用可变喷嘴。本博客稍后将提供有关此特定技术的见解。
相关飞行包线
对电动垂直起降飞机的一个常见误解是，它们必须模仿直升机的任务概况和性能特征——它们必须能够长时间悬停，作为其任务目的的核心特征。Lilium 任务概况的目标是尽可能快速有效地连接两个地理点。换句话说，就像商业客机一样，最大化高效巡航飞行阶段所花费的时间，并最小化起飞和着陆（即悬停）时间。
首先让我们看一下 Lilium Jet 启用 RAM 的飞行路径的简化可视化。图 3b 显示了我们的飞行路径的简化版本，包括垂直起飞、过渡、爬升、巡航、下降、重新过渡和垂直着陆。
图 3b：Lilium Jet 飞行路径的视觉表示。
起飞和着陆：在起飞期间，我们仅悬停约 10-25 秒，我们还假设标准着陆阶段约为 20 秒，同时保留约 60 秒作为储备。这导致在最耗电的飞行阶段，总悬停时间（在典型任务中）<60 秒。与市场上相同重量的开式转子概念相比，Lilium Jet 在此阶段需要大约 2 倍的功率（如图 1 所示）。然而，由于该阶段相当短，因此约占任务能量预算的 5%。
过渡：在过渡飞行期间，飞机向前加速，并随着前进速度的增加在固定翼上产生更多升力，从而稳定地提高其效率。过渡到向前飞行和重新过渡到悬停各需要大约 20 秒。在典型任务中，总悬停、转换和重新转换时间消耗的总存储能量<15%；或<20%（如果包括储备）。
爬升、巡航和下降：飞机飞行包线的主要部分由爬升、巡航和下降阶段组成，其效率比悬停飞行时高10倍以上（即该阶段功耗是悬停飞行的十分之一 ）。在这个高效阶段，Lilium 喷气式飞机的飞行物理原理类似于商用固定翼喷气式飞机，例如波音 777 或空客 A350。
这种外形在一定程度上支持了使用小型涵道风扇的决定，从而接受更高的盘负载。我们有意只在起飞和着陆上花费很短的时间，因此我们可以针对飞行的主要时段（即巡航）优化飞机设计。因此，尽管悬停时的功耗比同等开式旋翼概念高出 2 倍，但这种增加的功率需求可以通过优化巡航飞行性能得到补偿，巡航飞行性能只需要悬停功率的 1/10，并且还可以满足飞行的 90-95% 左右时间，另请参见图 3b。
我们最近发表的技术论文中详细介绍了 Lilium 架构、飞机不同飞行阶段的功率需求以及预测航程，该论文是与柏林工业大学、斯图加特工业大学和剑桥大学 Whittle 实验室的同事共同开发的。论文中的数据并不代表认证飞机的数据，而是介绍了我们的设计思维过程以及各自的建筑飞机决策。
RAM 任务的关键技术推动因素
第1项：低噪音电动管道风扇
在 Lilium，我们很快了解到，至少一项适合这种飞行剖面的基本技术是电动涵道风扇。在悬停期间，在相同盘载荷下，与开放式螺旋桨相比，涵道风扇的效率提高了约 40%，因为由于涵道和定子叶片的存在，几乎所有叶尖损失和涡流损失都被消除了。这种效率的提高在一定程度上补偿了悬停时 10 倍光盘加载引起的更高功率需求。这里介绍了我们的飞机在悬停期间的功率需求以及如何相应地调整涵道风扇的尺寸。
涵道风扇的低噪音特征是进入市中心运营市场的关键推动因素。管道外壳和隔音衬里包含噪音，阻止噪音向各个方向辐射，就像开放式螺旋桨一样。这种效果如图 4 所示。
图 4：开式转子与涵道风扇的声辐射对比图。
该团队花费了大量时间优化风扇叶片和定子叶片翼型设计，从而进一步降低噪音排放。我们开发了多种内部工具来优化空气动力学性能，同时减少湍流波动引起的噪音。除此之外，我们还开发了高保真计算流体动力学 (CFD) 代码，可以通过大涡模拟对湍流波动进行深入分析，请参见图 5 中的快照。分析工具和模型已通过5 座技术验证机测试期间测得的实际测试数据。令人放心的是，即使在优化的早期阶段，
图 5：用于涵道风扇性能优化的 CFD 计算。模拟是使用内部代码执行的。
与商用喷气发动机类似，可以通过在管道结构的内壁上添加隔音衬里来进一步降低噪音。衬里吸收转子叶片通过频率和谐波的声能，从而大幅降低整体感知噪声水平（根据条件最高可达 10dB(A)）。随后，仅发出由湍流空气动力学波动产生的宽带噪声。这些波动在可听频谱的高频带宽中最为明显。大自然帮助我们即使在较低的音量水平下也能将产生的噪音感知为距离的函数，这就是为什么我们可以从很远的距离听到直升机旋翼的低频脉冲（但听不到旋翼气流本身）。
我在劳斯莱斯开发涡轮风扇发动机时就非常熟悉声学衬里技术，因此我很乐意将这些技术引入我们的基线认证标准。
图 6 显示了我们的工程工作如何转化为给定飞行包线内的预测绝对感知噪声水平。除了初始悬停阶段在 100 米距离处相应的 60dBA 噪音外，飞机在巡航飞行期间几乎听不到任何声音。一个很好的参考：1 米距离处的正常对话语音约为 65dBA，而洗碗机约为 60dBA。
图 6：Lilium Jet 在参考飞行包线内的感知噪音水平。
项目二：最大化巡航飞行效率的系统架构
Lilium Jet 的高效巡航飞行是通过三个关键的架构方面实现的：
·固定翼和鸭翼在向前飞行时产生动态升力
·通过在机翼中嵌入紧凑型涵道风扇实现分布式推进
·设计带有可变喷嘴的襟翼，以优化巡航期间的风扇流量
图 7：Lilium 管道电动矢量推力 (DEVT) 概念的紧凑型发动机集成的前视图 3D 渲染。
由于机翼和鸭翼产生动态升力，高效巡航飞行时的功耗仅为悬停功耗的10%。如前所述，巡航飞行阶段比悬停阶段长得多，因此巡航所需的较低功耗与悬停阶段的较高能耗兼容。
我们之前讨论了在起飞过程中特意设计高盘负载飞机的概念。这种高圆盘负载设计无需使用大型涵道风扇（会导致结构挑战和增加巡航飞行阻力），而是可以自由地使用 36 个较小的涵道风扇，并将它们有效地嵌入我们的鸭翼飞机概念的后翼中。较小的嵌入式风扇会导致机舱湿润表面积减少，从而由于空气动力阻力减少而增加航程。图 7 直观地展示了这一点，其中紧凑的发动机集成使巡航飞行的优势显而易见。
这个概念被称为分布式电力推进。此外，对于 Lilium Jet，我们可以通过使用推力矢量控制飞机来进一步利用这一点，而不需要标准的空气动力学控制面，例如尾翼、副翼和方向舵。这一重要功能减少了整个飞机的结构重量、空气动力阻力和结构复杂性，对任务性能产生积极影响。
风扇的空气动力学设计使其在悬停飞行期间最高效。由于巡航所需的推力仅为悬停飞行所需的推力的十分之一，风扇周围的流场变化很大。与悬停飞行相比，这将导致巡航飞行期间空气动力效率显着降低。然而，在涵道风扇的排气处，我们使用可变面积喷嘴，它可以在飞行过程中改变排气横截面积，从而保证任务剖面的所有阶段的风扇效率高。对于悬停，喷嘴完全打开，而对于巡航，喷嘴面积减小。
图 8：可变喷嘴概念的直观表示。
由于风扇安装在机翼后部，因此在过渡飞行期间，我们实现了恒定的附着流。这会产生高效的高升力流场，并在关键的过渡飞行阶段实现极高的可控性。发动机中的质量流量越大，产生的升力就越大。这种高升力效应与固定翼架构相结合，使我们能够将过渡期间的功耗减少量近似为路径速度平方的倒数。
我们的技术演示机的飞行测试证明了过渡阶段的这种效果。在图 9 中，功耗的降低被说明为飞行速度的函数。可见，在巡航速度约25%时，所需功率仅为悬停功率的40%左右。值得注意的是，Lilium 并不打算将低于此阈值的飞行速度作为预期飞行包线的一部分，因此，在我们的标准进近过程中，功耗比悬停功耗要低得多。低于巡航速度 25% 的速度仅用于减速。
图 9：高升力概念的表示，允许机翼上的附着流、高可控性和整个过渡阶段稳定提高的效率。
通过将涵道风扇嵌入机翼后部，飞机还可以从边界层吸入中获益，从而减少总压力损失。尽管这种效应的评估与一般的阻力管理密切相关，但由于巡航飞行期间圆盘暴露程度较低，边界层吸入的好处可以抵消分布式风扇的阻塞效应。
可扩展性 - 噪声与占地面积
对于在悬停阶段提升 1000 公斤所需的等效推力，在相同噪音水平下，开放式螺旋桨所需的占地面积比带有隔音衬里的涵道风扇大 30 倍。
与开式旋翼 eVTOL 竞争对手飞机相比，Lilium Jet 的占地面积约小 10-15 倍，这使得 Lilium Jet 在 100m 距离处的噪音水平预测降低了 6dB(A)。这对于圆盘直径为 2-3m、悬停期间旋转频率在 50-70Hz 之间的开放式螺旋桨 eVTOL 概念适用。
涵道风扇的低噪音源自前面介绍的 4 个重要因素：首先，涵道在风扇叶片上产生低湍流的直线气流，从而减少噪音产生。其次，定子消除了涡流，从而允许非常低的转子尖端速度。我们设计的系列飞机的叶尖速度低于 0.45 马赫数。第三，管道和隔音衬里屏蔽并消散音调和宽带噪声，最后，由于显着的性能优势，管道风扇在相同的盘负载和推力下需要更少的功率。
图 10：竞争性开放式转子概念与 Lilium Jet 的占地面积比较。
竞争对手的开放式螺旋桨电动垂直起降飞机相比，圆盘负载高出 10-15 倍，Lilium 涵道风扇概念的紧凑性使占地面积减少了 10-15 倍。例如，这允许构建一个 100m 时噪音为 63dBA 的 16 座 eVTOL，它适合通常由 5 座螺旋桨 eVTOL 完全覆盖的同一个 15m 直升机停机坪。因此，这项技术使相同基础设施的乘客吞吐量几乎提高了 4 倍，这凸显了涵道风扇概念在单位经济性方面的显着优势。
第三项：能源系统
人们经常提出的一个常见且合理的担忧是，当前的电池技术是否能够支持 Lilium 的架构及其能源需求。答案很简单：是的。电动垂直起降飞机的电池需要提供两个功能。1) 足够的能量密度以提供长距离；2) 足够的比功率以支持悬停阶段。后者对我们特别感兴趣，因为我们设计了一架具有特别高盘负载的飞机，如前所述。
飞机的总航程受到电池单元的两个因素的挑战：电池单元中的总能量和最小可访问充电状态（SOC），代表电池单元中的总可访问能量。设计 Lilium Jet 电池系统的挑战之一是在低 SOC 下通过电池提供高功率。
我们在演示器中使用的 2014 年之前的电池技术仅允许约 30-40% 的最小 SOC，因为电池的放电容量在较低的 SOC 水平下无法提供足够的电力。如今，最先进的电池技术采用了更先进的阳极材料（例如硅），从而提高了电池的放电容量，从而显着改善了低 SOC 下的供电能力，从而缓解了这一问题。对于我们的 7 座系列 Lilium Jet，启用的最小 SOC 为 10-15%。
过去几十年来，电池开发的性能迅速提高，如今电池的能量密度>300Wh/kg，功率密度>3kW/kg。
这将导致系列飞机的电池系统设计总存储能量超过 300kWh，我们可以使用其中的 85-90% 来完成我们的任务概况，以达到 250 公里以上的最大物理航程（包括储备）。
如图 11 所示，不仅电池密度显着增长，而且电池提供充足电力的能力也显着提高。虽然我们的演示机使用的电池无法同时提供足够的电力和能量来设计目标航程的 7 座飞机，但自两年前以来，技术发展使我们能够调整飞机架构，从而增加有效载荷至 7 个席位。Lilium 的能源团队一直与我们的电池技术合作伙伴密切合作，提供适合完成我们任务的电池性能，并采用可在全规模生产线上生产的封装。
图 11：多年来电池能量和功率密度的发展。
通过与我们的航空级供应商一起使用我们的定制电池和化学物质，我们将能够将 Lilium Jet 的续航里程扩大到 2024 年投入使用时的约 250 公里。有关未来电池技术对我们的续航里程影响的更多详细信息，以及当前的电池技术本身，也可以在本文中进行回顾。
在设计电动垂直起降飞机时，电池系统始终是至关重要的。由于悬停和巡航飞行阶段之间的圆盘负载不同，Lilium Jet 具有非常独特的电力需求，因此，对电池系统和相应要求的讨论理所当然地受到了广泛关注。我们很快将发布一篇额外的博客文章，该文章完全专注于我们的电池设计，我们迫不及待地想展示更多内容。
总之
在这篇博客中，我向您介绍了 Lilium Jet 架构，这是一款 7 座 eVTOL 飞机，最初在最小 200 公里范围内以高达 300 公里/小时的速度进入 RAM 市场。我希望我能够让您深入了解我们的思维过程、我们要求背后的基本原理以及我们为何利用独特的飞机架构和技术来为客户节省大量时间并丰富连接。
一个关键方面是我们对 Lilium Jet 的预期飞行任务的方法（我们更多地与商业客机轮廓进行比较，而不是与直升机进行比较）。我们的选择既考虑到在耗电悬停模式下花费的有限时间，又考虑到在主导巡航阶段对速度的需求。这两个属性都可以通过使用布置在嵌入式分布式推进系统中的小型电动管道风扇来解决。
尽管传统思维表明应该避免更高的磁盘负载，但 Lilium 的架构有意识地选择增加悬停期间的磁盘负载和功耗，以实现其任务目标。由于飞机的悬停时间总计 <90 秒，因此净影响能源使用是可控的。
巡航过程中的低功耗是通过固定翼布局和紧凑的集成涵道风扇的结合实现的，从而实现低气动阻力和出色的巡航效率。利用当今可用的电池技术，同时考虑运营储备，我们可以轻松地预测大约 200 公里的运营范围。电池技术只会随着时间的推移而不断改进，这将使续航里程相应受益。
在这篇博客中，我向您展示了我们将低噪音排放与可扩展性联系起来的思考过程以及涵道风扇所发挥的关键作用。管道风扇除了与开放式转子相比具有空气动力效率优势外，还以其噪音屏蔽而闻名，而且管道本身允许安装隔音衬里。这赋予 Lilium Jet 独特的竞争优势。我们可以将飞机架构扩展到更高的有效载荷，同时保持噪音水平远低于监管阈值。我们技术的可扩展性和独特的架构使我们能够追求大规模的城际班车业务模式，在单次航班上运送更多乘客。我们可以充分利用现有的基础设施。
借助 Lilium Jet，我们确保了解决方案的简单性，这在工程领域始终是一件好事。该架构本质上稳定的空气动力学特性与矢量推力推进系统相结合，消除了与传统飞机相关的许多复杂问题，例如。垂直安定面和方向舵、副翼和液压系统。所有这些都通过引人注目的、有吸引力的飞机交付，其基础架构可扩展以实现更高的有效载荷（无论是乘客还是货运）和市场领先的单位经济性。