助力未来飞行：设计氢动力eVTOL

试想一下，您身处繁华的大都市中，目光所及皆是拥挤不堪的街道和高耸入云的大楼，而您的约会马上要迟到了。但此时，您并不急着钻进汽车，而是仰望上空寻找您的出行工具：电动垂直起降（eVTOL）飞行器。它是一种小型飞行器，像直升机一样垂直起飞和降落，使用可持续的电动推进系统，适合短途飞行。

尽管这个场景尚未成为现实，但美国联邦航空管理局（FAA）正在为2028年实现这个目标做好准备。作为这项工作的一部分，FAA正在努力实现先进空中交通（AAM），该机构将其描述为“一个新兴的航空生态系统，利用新型飞行器和一系列创新技术，提供更高效、更可持续和更公平的交通选择机会。”将AAM集成到国家空域系统（NAS）时，FAA的首要任务和法定责任是确保出行公众的安全。大量在这一领域开展运营的公司，也都必须确保相关的安全操作。

Alaka'i Technologies就是其中的一家公司，该公司致力于通过推动交通运输行业变革来改变世界。为了实现这一目标，该公司不仅研发eVTOL飞行器，还进行了其他创新。Alaka'i正在研发Skai，这款eVTOL飞行器使用氢燃料电池发电，为其电机提供动力。

Alaka'i市场营销负责人Hugh Kelly表示：“我们的与众不同之处在于，我们是目前唯一一家使用氢燃料电池作为能源的公司。”得益于氢燃料电池的诸多优势，Alaka'i团队将氢视为空中交通的理想能源。

接下来，我们来了解一下这项工作为什么如此重要、氢能的优势，以及仿真如何帮助该团队创造更可持续的未来。

eVTOL和氢燃料电池在空中交通中的作用

随着人口的增长和城市的扩张，我们对人员和产品运输的需求也随之增加。未来几年，这可能会给现有基础设施带来巨大压力。例如，到2030年，预计在特大城市将有5亿居民面临交通问题。这正是城市空中交通（UAM）的用武之地。

UAM涉及建立安全、高效的运输系统，以满足上述运输需求。eVTOL等新技术在UAM中发挥着重要作用，填补了从短程空中出租车到短途城际航线等航空服务的空白。至于更广泛的AAM目标，eVTOL也可以助一臂之力，例如帮助人道主义团体以及支持搜索救援任务等。

eVTOL不仅具有广泛的潜在应用领域，而且从环境角度来看也十分有优势——其使用电力。对于Alaka'i团队而言，其eVTOL所用的电力是由氢燃料电池产生的。该公司表示，这种独特的设计选择具有许多优势，包括：

• 使用可再生能源生产氢燃料时，二氧化碳排放量接近0。在运营中，Alaka'i已经在使用通过电解产生的绿色氢能源——这是一种通过使用可再生电力从水中提取氢的电化学过程。
• 效率提升。与传统内燃机相比，燃料电池效率更高，有可能以高于60%的效率将燃料的化学能转化为电能。

Alaka'i团队旨在通过他们的设计彻底改变交通行业，使Skai成为从A点到B点最便捷、最清洁和最安全的交通方式。但首先，该团队需要优化其设计并确保其功能完善。这正是仿真的用武之地。

开发氢动力eVTOL飞行器

为了让Skai变为现实，Alaka'i与Ansys Apex渠道合作伙伴SimuTech集团合作，并参与了Ansys初创公司计划。作为Ansys初创公司计划的成员，Alaka'i能够以较低成本获取仿真以及所需的支持和培训，从而解决了其在开发Skai时面临的挑战。其中一项挑战是帮助氢燃料电池保持冷却，

这个问题的核心很简单：氢燃料电池会产生热量，因此需要合适的冷却系统。然而，这个问题解决起来并不像听起来那么容易。Alaka'i仿真专家兼计算流体力学（CFD）工程师Behrouz Karami表示，与内燃机和喷气式发动机相比，燃料电池“在较低的温度下运行，但仍会产生大量热量”。这就给冷却带来了挑战，因为在夏季，燃料电池的热表面与外部环境可能只存在较小的温差，而这种较小的温差使传热变得更具挑战性。

为了应对这一挑战，该团队转而使用Ansys Fluent流体仿真软件及其聚合物电解质膜（PEM）燃料电池模型，来研究燃料电池可能遇到的各种场景，Karami打趣道，这些场景都来自“我们办公室的受控温度环境”。为准确分析Skai氢燃料电池的冷却系统，需要开展仿真工作以对冷却系统回路进行建模，该回路包括输送水的泵、先进的散热器、去除小颗粒的过滤器、软管、中间冷却器、压缩机的冷却系统、以及所涉及的一切物体的精确几何结构。Alaka'i工程负责人Finn Arcadi表示：“Ansys工具拥有足够的广度，能够全面覆盖整个分析范围，并保证高保真度。”

该团队还在工作中使用了Ansys Discovery 3D产品仿真软件。Karami表示：“Ansys Discovery仿真软件非常易于设置和学习，适合解决工程问题。”使用Discovery软件，设计人员能够在设计早期阶段轻松运行结构分析、处理流动问题和压降。通过这种方式，更多的团队成员都可以受益于仿真的强大功能。

Arcadi表示，从目前的工作来看，仿真“节省了大量时间，有助于将正常运行的产品从想法变成现实”。在各种场景中，以较小的误差容限研究重量为4,000到5,000磅的飞行器至关重要，Alaka'i团队转而采用仿真来实现这一目标。此外，该团队还强调了仿真如何通过最大限度地减少运行测试所需的原型数量和工时来降低成本，从而使Skai等产品更具竞争力。

展望城市空中交通的未来

当Alaka'i团队展望Skai的未来时，他们希望这款eVTOL飞行器通过提供航程预计约为250英里的便捷交通选项，为个人出行提供新的自由度。此外，该团队乐观地认为，使用Skai不仅有助于减少污染和交通拥堵，而且还能够为救灾等重要应用中的工作人员提供协助。

为了实现这些目标，Alaka'i团队后续希望扩大仿真的使用范围，比如用于声学领域的分析，从而使Skai在人口密集区域维持低噪声水平，以及用于空气动力学领域的分析，从而进一步优化公司的设计——这两项工作都可以通过Ansys仿真软件实现。

如果您有兴趣进一步了解仿真如何帮助研究人员和工程师推动航空航天领域的变革，欢迎查看我们的航空航天行业应用概述，也可进一步了解Ansys产品如何助力飞行器设计。