當您在的繁忙車陣中動彈不得中時，或許會問自己是否有更好的方式能穿越人口稠密的地區。如果我們不再受限於地面，而是能在三維空間中移動，並透過天空中進行短距離旅行，會怎麼樣呢？
雖然這聽起來像是科幻情節，但這個概念並非毫無根據。以電動垂直起降 (eVTOL) 載具為例。eVTOL 是一種無需跑道即可起降的小型飛行器，使其能在空間受限的郊區與都市地區運作。
eVTOL 也極可能在先進空中交通 (AAM) 中扮演重要角色。AAM 的目標是透過新型、高效且永續的載人與無人運輸方式，推動航空產業的發展。AAM 將支援多個產業，從緊急服務到大眾運輸皆能受惠。
然而，eVTOL 究竟將如何推動 AAM 的發展？在這個領域中，創新者又會面臨哪些挑戰與機會？
AAM 與 eVTOL 現況速覽
雖然 AAM 的確切發展時間仍有爭議，但美國航太學會 (AIAA) 航空部資深總監 Jim Sherman 表示，AAM 的起源可能可追溯至 2009 年的 NASA Puffin 專案，該專案是eVTOL 的早期 概念。接著在 2010 年，Joby Aviation 開始構思商用 eVTOL。隨後幾年間，新興的電動飛行與垂直起降市場迅速成長，部分成就歸功於 Archer、Vertical Aerospace、Lilium 與 Volocopter 等公司。
Sherman 表示，儘管 AAM 的核心技術已發展多年，但直到約 2020 年，NASA 才創造「先進空中交通」這個詞彙，以更有效地引導其研究方向。自那時起，AAM 的概念已擴展至多個明確子領域，包括用於郊區航空運輸的區域空中交通 (RAM)，以及透過中小型無人機在都市低空進行航空運輸的城市空中交通 (UAM)。
雖然最初湧入 AAM 與 eVTOL 市場的公司熱潮已趨緩，但像 Archer、Joby Aviation 與 Vertical Aerospace 等企業已逐漸穩固其地位。其中，Joby Aviation 與 Archer 計劃在未來幾年內完成飛機的認證。另一家公司 OneSky 正在開發低空交通管理系統，以協助在相同空域中整合無人交通管理 (UTM) 與 AAM 航線運行。
至於 eVTOL 本身，它們屬於更廣義的 AAM 範疇，並可應用於多種使用情境。Sherman 表示，例如貨運領域就具備相當可行的商業應用。從短程運送到將器官送往醫院，eVTOL 可支援的潛在應用範圍相當廣泛。
另一方面，「乘客專用空中計程車模式的發展將需要更長的時間。」Sherman 說道。雖然要實現具有挑戰性，但 eVTOL 空中計程車能在高密度地區進行短程且快速的移動，以提供更便捷的交通方式。當技術進一步發展時，eVTOL 的航程將可提升至支援 RAM 的程度。這些空中計程車可作為旅遊產業的一部分，提供獨特的觀光體驗，也能用作機場接駁等用途。
在某種程度上，eVTOL 是現有電力驅動技術的自然延伸，例如今日汽車產業中已具備的相關技術。「我們可以從 Prius 誕生的那一天一路連結到如今的發展階段。」Sherman 說道。然而，儘管 eVTOL 已逐漸成為 AAM 的重要組成部分，開發者仍需克服幾項關鍵挑戰。
eVTOL 開發者面臨的主要挑戰
雖然 eVTOL 是 AAM 的關鍵要素，但其尚未準備好進入大規模部署階段。根據 Sherman 與 Ansys (現已與 Synopsys 合而為一旗下) 傑出工程師 Prem Andrade 的說法，設計與開發 eVTOL 的工程師目前面臨幾項主要難題，包括：
- 確保安全。所有產品都必須符合現行及即將制定的安全標準，例如美國聯邦航空總署 (FAA) 與歐洲聯盟航空安全局 (EASA) 的相關規範。「安全對先進空中交通而言至關重要。」Andrade 表示。
- 最大化效率和永續性。eVTOL 的效率高於直升機，而隨著技術持續進步，這項優勢將更加明顯。這需要設計更高效率的電力系統與電池。
- 降低噪音。雖然 eVTOL 已比直升機安靜約 100 倍，但進一步減少噪音污染仍是首要任務。
- 建置基礎設施。eVTOL 將需要建立可承受飛行器下方強烈氣流 (稱為下洗流與出洗流) 的垂直起降場，並設置可快速充電的最佳化充電設施。
- 在城市環境中部署。在城市營運中，必須規劃繞過與飛越建築物的飛行路徑、應對風力變化，並找出可行且合適的降落與充電設施位置，這些皆是重大的挑戰。
這些挑戰也會隨時間演變，這意味著 eVTOL 開發者必須在設計與規劃上具備彈性與調適能力。舉例來說，Sherman 表示，EASA 已宣布希望 eVTOL 能達到與商用客機相同的安全水準。這項變革將需要增加成本與測試，以達到所需的冗餘性與可靠性標準。
再舉一例，過去十年間，聯邦航空法規 (FAR) 第 23 部分已歷經多次修訂，內容由強制規範轉為更重視驗證導向。雖然目前尚無公司完全通過這項新流程，但如 Joby Aviation 與 Archer 等 eVTOL 開發商，將很快必須面克服這項挑戰以取得認證。
為了在未來的 AAM 中成功部署 eVTOL，工程師必須在設計最佳化過程中平衡技術挑戰、與地方政府合作建置基礎設施，並保持彈性以因應開發週期中可能變動的法規。
如何加速邁向 AAM 的進展？
雖然解決這些挑戰對推動發展至關重要，但實際執行並不容易。為協助這一進程，全球創新者紛紛採用 Ansys 模擬軟體來最佳化設計、驗證安全性，並提升整體 AAM 系統的可靠性。
使用 Ansys 模擬技術最佳化 eVTOL
透過使用 Ansys 多物理模擬工具，工程師可精準且全面地分析其 eVTOL 設計，縮短上市時間並加速邁向 AAM 的進程。
例如，有位工程師希望減少 eVTOL 設計所產生的噪音污染。使用 Ansys Fluent 流體模擬軟體，他們可建立壓力波與聲學模型，以分析各設計版本所產生的聲音。
當然，聲學建模只是模擬軟體協助設計最佳化的其中一種方式。其他使用情境則結合電磁、光學、熱、結構與空氣動力模擬，用於設計最佳化、結構分析、電池熱管理、推進系統最佳化、電光紅外 (EOIR) 感應器分析等多項評估。
透過模擬軟體驗證安全性並符合安全標準
eVTOL 設計者與製造商也能利用模擬技術，更快速且高效地達成合規與認證要求。主要應用包括：
- 建立用於安全監控的數位孿生，例如預測性健康管理與維護
- 使用人工智慧與機器學習 (AI/ML) 解決方案進行輕量化驗證測試
- 設計自動化系統的安全驗證
- 遵循虛擬驗證、驗證與分析認證 (CbA) 的方法，以符合現有標準，例如美國 SAE International 制定的《民用航空器與系統開發指南》(ARP4754B)，以及美國國防部的軍用標準 (MIL-STD) 882E《系統安全》
「我們能如此快速地執行多種測試案例與模擬，正是讓我們達到今日成果的關鍵。」Sherman 表示。模擬工具有助於確保安全關鍵元件的安全性、可靠性、符合法規標準並值得信任，而這對於 AAM 的實施與普及至關重要。
運用全面的數位工程工具建立信任基礎
透過使用 Ansys 的模擬與數位工程工具，工程師可研究 eVTOL 的旋翼運動、任務環境及其他影響因素，以掌握完整的運作全貌。
例如，Ansys Systems Tool Kit (STK) digital mission engineering 軟體可在具時間動態且逼真的 3D 模擬環境中，建模構成 eVTOL 的複雜系統，並納入高解析地形、影像及無線電頻率 (RF) 環境等要素。
這類全面的分析可在設計初期偵測潛在問題，避免在後續開發與部署階段出現可能危及生命的風險。
Ansys 軟體亦能協助解決在繁忙空域運作時的難題，例如在固定航班與臨時航線之間取得平衡。藉由 Ansys 模擬軟體，工程師與操作人員可建立空中交通模型，並分析 eVTOL 對航路流量的影響。
Andrade 表示，Ansys 提供的解決方案可支援工程師從任務需求與概念階段一路到設計、驗證、安全與運行。這種無縫的端對端數位工程工作流程可讓工程師在單一平台上執行所有分析作業，提升效率並節省時間與成本。
望向天空：AAM 與 eVTOL 的未來
AAM 與 eVTOL 具備改變我們對交通運輸認知的潛力。這項技術可能重新定義未來人員在城市與郊區間的移動方式、貨物運輸、緊急醫療支援等多種應用。事實上，「全球 eVTOL 飛行器市場預計在 2030 年將達 234 億美元。」Andrade 表示。
推動 eVTOL 與 AAM 持續發展的幾項關鍵技術包括：
- 自動化。雖然自動化系統在民用航太應用上的採用仍需時間，「從國防角度來看，自動化極為重要。」Andrade 表示。
- 數位孿生。「數位孿生在各個層面上都十分有用，例如預測性健康管理，以及在飛行過程中監控資產狀態等。」Andrade 表示。數位孿生的主要優勢可分為兩大類：
- 在設計與開發階段使用數位孿生，以便在虛擬環境中高效且精準地研究與改進設計
- 在設計投入運作後使用數位孿生，以更有效地評估異常、比較預防措施等
- 無線 (OTA) 更新。隨著設計日益複雜並涉及關鍵任務，執行定期更新並確保持續運作與符合法規變得更加困難。透過 OTA 更新，工程師可直接在現場為載具實施軟體更新，持續加以改進。
展望 AAM 與 eVTOL 的未來，「我希望它能發展成為一個真正的產業。」Sherman 表示。他描繪出一個未來，人人都能負擔得起搭乘 eVTOL，這些載具將具備高效率、持續演進，且最重要的是能真正發揮實用價值。
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