陈济桁

随着近年来相关技术的不断发展和成熟，电动垂直起降飞行器（eVTOL）已经引发了市场的兴趣和投资热情。美国Overair公司作为新近加入该领域的一员，其代号为“蝴蝶”的eVTOL将在2023年下半年进行首次飞行测试。“蝴蝶”战略性地使用了东丽公司新一代碳纤维/环氧树脂预浸料，进一步减轻结构重量，缓解电池供电压力，提供更加安静的飞行体验。

“蝴蝶”的诞生

美国Overair公司由航空航天领域资深人士Abe Karem和Ben Tigner于2020年联合创立。在此次创业前，二人还共同于2004年领导创建了一家专注于军用倾转旋翼机设计的企业——美国Karem飞行器公司。该公司曾参与美国陆军联合多用途技术验证计划（JMR-TD），以及美国DARPA、国防部部分垂直起降飞行器的方案论证，拥有自主知识产权的最适速度倾转旋翼技术（OSTR）。通过投资成立Overair这家新公司，创始人的目标是利用此前积累的技术和知识产权，推出一款专为可持续、低噪、空中共享出行设计的飞行器，顺利进入消费市场和城市空中交通（UAM）领域。

Overair公司目前正在全力研发代号“蝴蝶”的电动垂直起降飞行器。该机采取6座布局、有人驾驶设计，瞄准城市空中“拼车出行”需求，机内空间充足，能够容纳大件行李或货物。采用电池供电的“蝴蝶”设计续航里程可达160千米，最高时速为321千米。尽管Overair创立于2020年新冠疫情大流行初期，一定程度上影响了产品研发进度，但公司目前的目标仍然是计划在2023年下半年成功制造出可用于飞行测试的原型机。Overair 一直在朝着这一目标稳步前进——今年6月14日，Overair宣布获得来自韩国的韩华系统公司和韩华航宇公司总计1.45亿美元资金，用于开发“蝴蝶”的首架飞行测试用原型机。

采用高效、低噪、复合材料 密集型设计

Overair公司终极目标是将一款环保、安静的飞行器引入现有交通网络中，“蝴蝶”飞行器将成为实现这一目标的重要载体。“蝴蝶”飞行器的设计立足于美国国防部和NASA等投资者过去数十年的技术研发基础，设计者将这些专利和技术成功付诸商业实践，为先进的飞行动力技术匹配恰当飞行平台。Overair表示，“蝴蝶”将是同类飞行器中最安静的。当提到城市空中交通时，低环境噪声是一个非常重要的考量因素，这也将是“蝴蝶”飞行器的关键优势之一。Overair公司目前正开始与NASA合作，确认其飞行器的飞行和噪声水平，不过实际分贝水平需要在原型机建成后进行测试和验证。实现主要降噪功能之一的组件是安装在飞行器上的4个相对较大、相对缓慢运转的螺旋桨，每个螺旋桨具有3片复合材料桨叶。Overair公司表示，采用大型螺旋桨组件的首要目的是为更大的有效载荷提供高效率。为“蝴蝶”飞行器设计的螺旋桨具有低桨盘载荷，这意味其螺旋桨单位面积承重轻。较低的桨盘载荷往往与更高效率和更低噪声正相关。叶片的外形和叶片尖端由全球知名的空气动力学家精心设计，打造出了比普通吹风机还要安静动力系统。除低噪声外，这套大尺寸动力装置也是“蝴蝶”实现其独特飞行性能优势的关键，Overair公司称之为“最优速度推进系统”（Optimum Speed Propulsion System）。直径达到6.1米的螺旋桨是eVTOL领域中应用的最大尺寸，垂直起降和巡航向前飞行过程中，这款大型螺旋桨可以自动改变旋转速度，当飞行器向前飞行时，螺旋桨转速将降至垂直飞行时的一半，这在可垂直起降的飞行器中属于一次突破，它可实现每个飞行阶段都能使用“最优飞行速度”，从而减少电量消耗，为在恶劣天气条件下飞行的安全、性能、航程和有效载荷预留保障空间。在螺旋桨中，“蝴蝶”使用了独立叶片控制（IBC）方案，该方案酝酿了超过15年，它可实现每片桨叶在旋转时单独改变其角度，有效控制飞行器在垂直飞行中的姿态和平稳度，使“蝴蝶”乘坐感受比现有的直升机更加舒适，IBC还可以通过减少施加在飞机部件上的作用力进一步降低维护成本。“蝴蝶”使用的直驱电机由目前主流的电池提供电能，由于没有变速箱设计且活动部件较少，“蝴蝶”的电机比目前飞机发动机更安全、更安静、更高效、运行成本更低。“蝴蝶”支持在垂直起降、巡航向前飞行和垂直/平飞过渡三种飞行模式下实现矢量推力飞行。其矢量推力设计可达到所有飞机类型中的最高效率，与大直径螺旋桨配合，“蝴蝶”的矢量推力设计提供了高有效载荷、全天候性能保障以及安静的飞行能力。

2021年秋季，利用移动全尺寸推进系统试验台，通过移动推进测试的方式，“蝴蝶”的动力系统完成了地面测试。Overair为测试台配套了遥测天线进行主动数据收集，能够每秒从整个推进系统数百个传感器传输数千个数据点。这些传感器可以测量和收集空气弹力并帮助公司扩大测试范围，相关数据则直接从测试台传输至Overair总部。

T1100碳纤维被用于结构设计

2022年7月7日，Overair公司宣布与碳纤维材料供应商东丽复合材料美国公司建立合作伙伴关系。该公司新一代T1100/3960碳纤维/环氧树脂预浸料将被用于建造试飞飞行器上的主要机身部件，如机身、部分机翼组件以及旋翼叶片。此前Karem公司曾将T1100/3960材料作为DARPA/陆军装备项目的选材，因此“蝴蝶”飞行器选择T1100/3960顺理成章。东丽公司提供的3960是一款高韧型177℃固化环氧树脂，其玻璃化转变温度（Tg）为204℃，而东丽T1100碳纤维是目前可实现应用的具有最高拉伸强度的碳纤维。

实现大型螺旋桨组件及整个飞行器结构轻质高效的关键，在于大量使用碳纤维/环氧树脂复合材料。“蝴蝶”飞行器选取多种材料作为结构用材，其中包含金属和其他复合材料，但在整机结构大型部件中，Overair 最终选择使用日本东丽公司新一代T1100碳纤维。T1100制造的碳纤维复合材料此前已经在机身壁板和机翼大型结构部件中开展了相关应用研究，东丽美国公司与德世隆公司也在2022年5月达成合作协议，联合支持先进材料性能国家中心（NCAMP）为东丽公司最新的3960预浸料体系开发设计许用值。T1100/3960用材体系有很大希望成为未来航空领域的理想选择。

Overair公司团队选择T1100碳纤维，主要应用在需要高刚度而又不能牺牲强度和损伤容限等特性的部件中。研究人员表示，使用高模量碳纤维可以获得更高的刚度，但不得不舍弃纤维的强度性能，且树脂性能降低。T1100能够提供所需的性能平衡，可应用在需要一定刚度以避免动态共振问题出现的组件中。对于不同应用环境的组件，这种碳纤维可应用到单向带或织物中。此外，T1100碳纤维其他优点还包括优异的纤维性能和以及其良好的易加工性。

东丽美国公司目前正在资助一个

5批次的批生产项目，以用作结构制造和性能测试，生成相关数据全力支持“蝴蝶”飞行器的设计工作。到目前为止，Overair公司从东丽美国公司获得的支持在整个设计过程中都带来了巨大帮助。东丽美国公司愿意开发、共享自身掌握的相关数据，这在以往的工作中并不多见，但不需要全部负担表征材料的投入和责任对应用方来说大有裨益。东丽美国公司也在近日宣布，为了响应美国国防部多个武器系统以及未来垂直起降装备平台结构的关键组件不断增长的应用需求，提高东丽T1100高性能碳纤维的实用性，缩短交付时间，计划在2023年4月开始对其位于美国阿拉巴马州迪凯特市的碳纤维工厂进行重大升级，投资1500万美元使T1100产能翻倍，并增加关键后备能力。

美国迪凯特工厂拥有从前驱体到碳纤维碳丝制造的完整生产线，是东丽公司三大制造工厂之一。该公司在华盛顿州塔科马和南卡罗来纳州斯巴达堡设有其他分工厂，主要用于生产前驱体、碳纤维和预浸料。

　全力完成研发工作

目前，Overair公司正在努力按照美国FAA的标准认证“蝴蝶”飞行器的设计。首架原型机将是一架用于飞行测试的无人驾驶飞行器，该机将在2023年下半年在Overair位于美国加利福尼亚州维克多维尔的工厂进行全面测试。

为了完成目标，Overair公司最近在其现总部附近收购了一个新工厂，用于制造飞行器。每个复合材料部件都采取人工铺放并通过热压罐固化成型。飞行器设计的所有部件要么在内部完成开发，要么将由Overair公司的制造合作伙伴协助完成开发。

总的来说，Overair公司打造的将不仅仅是一架保障安全的飞行器，而且是一个具有6个座位、适当航程、低噪安静的城市空中交通运输工具，对于高密度成熟环境来说，能够有效满足“拼车出行”的旺盛需求。（作者单位系航空工业发展研究中心）