航空出租车：创新材料解决方案能否促成快速起飞？
近年来，交通运输业对发展城市间和城市内航空出租车或 eVTOL 车辆的兴趣日益浓厚，投资也不断增加。如今，全球范围内有 250 多个此类项目，包括初创企业和成熟企业。与大多数项目相关的潜在挑战是寻求合适的材料或组合，从而将 eVTOL 成功商业化。
挑战 1：性能与重量之间的权衡
权衡性能与整体重量是 eVTOL 车辆面临的主要挑战。例如，它们目前依靠电池技术供电，但是在每架飞机中这种动力装置的重量可达 500 公斤。全电力推进在功率和里程方面面临着独特的挑战。车辆越重，消耗的功率越多，因此轻量化是非常关键的，同时还要具有稳定的电池性能。
对航空航天业来说，最大化功率重量比屡见不鲜。自我们在 20 世纪初第一次飞行以来，轻量化一直是航空业中经久不衰的主题。此外，25 年多来，威格斯一直在利用基于 PEEK 和 PAEK 的航空航天解决方案解决轻量化问题。VICTREX™ PEEK 和 PAEK 聚合物解决方案主要用于金属替代解决方案，应用于航空航天领域，它比金属轻 40%，而强度却是金属的5倍。在一定程度上，正是这种高强度和低重量的完美结合让两万多架服役中的商用客机选择使用某种形式的高性能聚合物。理由充分！它生产的零部件具有优异的机械性能、高温性能、耐腐蚀性、隔热和隔音等特点。此外，与金属相比，它们有助于减轻重量。
挑战 2：降低发动机噪音
如果要让航空出租车成为一种流行的交通工具，那么“必须”要让客舱舒适宜人。因此，发动机噪音也是一个重要因素。乘客需要较为安静的旅程。为解决这一问题，我们需要借鉴其他行业的宝贵经验。汽车行业就是一个很好的例子。缩小发动机尺寸或适度调整其大小的需求使发动机的“噪音"更大，而且该行业正在努力应对这些 NVH（噪声、振动、粗糙度）问题。
威格斯已证明，PEEK 聚合物齿轮可将发动机应用中的噪音减少 50％ (3dB)。与铸铁齿轮相比，使用 VICTREX HPG™ 齿轮时，重量和惯性矩也大大降低，分别降低了68％和78％。与使用金属相比，其他潜在好处包括相当高的比强度（每单位重量的强度）和耐腐蚀性。
但是，用 PEEK 齿轮代替金属齿轮也需要齿轮设计方面的专门知识。包括一家主要汽车制造商在内的多家全球制造商已将考虑将我们的产品用于整个系统，而不仅仅是齿轮。现在，第一批威格斯 HPG 齿轮已投上路，也许在适当时，它也会“占领”拥挤街道上方的空间。
谈到舒适旅程，也许值得一提的是，现在在空中飞行的商用客机使用了隔热隔音毯 (TAB) 绝缘材料，并且使用了由 PEEK APTIV™ 薄膜制成的防烧穿屏障，用于隔离乘客车厢，改善乘客体验。
挑战 3：生产成本和速度优化
我们正在考虑将轻量型复合材料解决方案用于 eVTOL 车辆的结构元件。有两种聚合物基体选择——热固性树脂和热塑性树脂。
热固性材料需要相对较长的生产时间，需要存储在温度可控的低温环境中，并且保存期限有限。
相反，基于高性能 PEEK 和 PAEK 聚合物的热塑性复合材料产品的重量与热固性塑料相似，但具有其他优势，包括：
- 生产速度更快
- 制造需要的基础设施更少
- 可回收
- 不使用溶剂且
- 寿命更长
这些潜在好处开始在整个供应链中引起共鸣。最近，空中出租车开发商 Jaunt Air Mobility 宣布与 Triumph Group 合作，为其 eVTOL 计划开发基于热塑性复合材料的零部件。
性能和效率的完美结合
热塑性复合材料将卓越的材料性能与制造效率相结合，这一点在VICTREX AE™250 中得到了淋漓尽致的展现，它可以帮助 eVTOL 行业平衡成本和体积要求。VICTREX AE 250 是单向带 (UDT) 中的热塑性复合材料。凭借较低的熔融温度，它成为了独一无二的热塑性复合材料。它的熔点是 303℃，而 PEEK 的熔点是 343℃；然而，其玻璃化转换温度是 147℃，而不是 143 ℃；结晶度通常为 25 - 30％，与 PEEK 相似。
单向带的一种众所周知的加工方法是自动纤维铺放工艺，该工艺用于通过在自动化过程中对单向带层进行倍增和堆叠处理，以创建复合零部件，这一方法避免了要求严格且费时的手动操作。最近，威格斯发表了一项与 Coriolis 的联合研究的结果，该研究证明了 60 米/分钟的叠层速度是如何实现的（比传统热塑性技术快 2 到 6 倍），以及是如何接近热固性速度的。
较低的叠层和模具温度也有其他好处。我们的联合研究还表明，烤箱的固结周期比传统的热塑性塑料的 UD 胶带固结 OoA（非热压釜）短 20％。结晶度和孔隙率也符合航空航天工业标准。总体而言，这将使制造成本降低 5％到 23％，具体取决于固结方式（非热压釜或原位固结）。
航空出租车会减少碳“足迹”吗？
对于 eVTOL 行业，热塑性复合材料是热固性材料的可靠替代品。然而，如果即将要将航空出租车投入商业化使用，那么供应链必须要能够以相对较低的成本每年生产数千辆汽车。为了解决这一问题，威格斯成立了热塑性复合材料制造公司 TxV Aero Composites，其设计和生产设施均通过了 AS9100 认证。该公司位于美国罗得岛州的布里斯托尔，提供威格斯 AE 250 层压板和镶嵌件，使部件加工商能够制造复合材料或混合成型部件，并提供这些部件。TxV 现在正在填补空白，并能够协助制造创新型复合零部件，从而加快新飞机的生产。
航空出租车价格更低、生产更快且比直升机更易于操作是意料之中的。减少出行数量以及研究新技术和轻质材料解决方案可能有助于减少碳足迹。想一想，在一个拥挤不堪的城市中，仅从 A 到 B 就要花费大量时间，还会产生大量二氧化碳排放。
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关于作者
Gilles Larroque 拥有法国特鲁瓦工程技术大学的机械工程学位，以及佛罗里达大西洋大学（美国佛罗里达州波卡拉顿）的理学硕士学位。他于 2011 年加入威格斯，担任欧洲脊柱市场营销负责人，并于 2016 年开始负责全球航空航天战略市场营销，工作重点是商业航空航天和 eVTOL。
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