Chuyến bay thẳng đứng nhỏ gọn: Những tiến bộ của ngành hàng không đô thị

Urban Aeronautics đang phát triển dòng máy bay VTOL có quạt bên trong yên tĩnh để bay hầu hết mọi nơi.

Hãy tưởng tượng một thời điểm trong tương lai không xa khi máy bay không người lái cất cánh và hạ cánh thẳng đứng (VTOL) lén lút băng qua các chiến trường đô thị, trong khi các phiên bản có người lái dễ dàng di chuyển trong các thành phố đông đúc và hạ cánh lặng lẽ ở những khu vực hạn chế mà trực thăng thông thường hoặc máy bay VTOL có cánh không thể tiếp cận.

Trong 20 năm qua, phát triển tàu cánh quạt ống dẫn bên trong là niềm đam mê và nghề nghiệp của một nhóm do Tiến sĩ Rafi Yoeli, người sáng lập và Giám đốc điều hành của Urban Aeronautics Ltd, một công ty của Israel có trụ sở tại Yavne, 20 dặm (30 km) về phía nam, đứng đầu. Tel Aviv.

UrbanAero đang thiết kế, sản xuất và tiếp thị Fancraft, dòng phương tiện VTOL đa nhiệm vụ không có cánh quạt bên ngoài.

Yoeli đã thiết kế, chế tạo và bay Hummingbird, một nền tảng bay có ống dẫn duy nhất vào giữa những năm 1990 (xem thanh bên) khi ông đang điều hành Thiết kế & Phát triển Hàng không (AD&D). Hoạt động kinh doanh chính của công ty đó là cung cấp dịch vụ tư vấn kỹ thuật hàng không cho các công ty quốc phòng và hàng không vũ trụ, bao gồm các lĩnh vực máy bay không người lái (UAV) cánh cố định, cánh quay và dân sự và quân sự.

Sau khi bán cổ phần của mình trong AD&D cho Elbit Systems vào năm 2003, Yoeli đã thành lập UrbanAero để phát triển phiên bản hiện đại kế thừa cánh quạt bên trong song song của những năm 1950 Piasecki VZ-8 AirGeep. Trọng tâm đầu tiên của thiết kế hai cánh quạt là vào thị trường dân sự, nhưng các hoạt động quân sự của Hoa Kỳ ở Afghanistan và Iraq, và nguy cơ xung đột ở biên giới Israel, đã chuyển trọng tâm sang X-Hawk quân sự có người lái và Cormorant không người lái (trước đây gọi là AirMule).

“Israel có một số bộ óc kỹ thuật tốt nhất trên thế giới và Rafi biết điều tốt nhất trong số những người giỏi nhất,” Jon Tatro, kỹ sư công nghiệp cánh quạt lâu năm và người ủng hộ khách hàng, người đã làm việc trong chương trình giảm thiểu rủi ro chung giữa Trực thăng Bell và Đô thị trên X- cho biết. Hawk vào giữa những năm 2000. “Anh ấy rất giỏi trong việc đạt được những gì anh ấy cần và quen biết rất nhiều người.”

Đơn vị phòng thủ của Urban Aeronautics, Tactical Robotics Ltd, lần đầu tiên bay lượn chiếc UAV AirMule nặng một tấn của mình vào cuối năm 2009 gần Yavne tại sân bay Rishon LeZion. UAV Cormorant được đổi tên của nó đã hoàn thành chuyến bay tự trị, không dây buộc đầu tiên tại sân bay Megiddo ở miền bắc Israel vào ngày 30 tháng 12 năm 2015. Kể từ đó, công ty đã mở rộng phạm vi chuyến bay.

Cormorant được thiết kế để bay tải trọng 1.100 lb (500 kg) trong các nhiệm vụ tiện ích và hàng hóa, đồng thời thực hiện các nhiệm vụ sơ tán thương vong trên chiến trường cứu sinh.  (Chim cốc bị giới hạn trọng lượng đối với tải trọng tối đa này để tuân thủ Hiệp ước Chế độ kiểm soát công nghệ tên lửa quốc tế, MTCR, cũng áp dụng cho máy bay không người lái.)

Vào tháng 4 năm 2017, Metro Skyways Ltd, đơn vị máy bay có người lái của UrbanAero, đã công bố kế hoạch phát triển “ô tô bay” CityHawk năm chỗ ngồi trong vòng 5 năm dựa trên khung gầm và hệ thống quạt ống dẫn bên trong của Cormorant.

Được thiết kế cho taxi hàng không và sử dụng trong y tế, CityHawk ban đầu sẽ được cung cấp năng lượng bởi động cơ tua-bin khí, nhưng sẽ được thiết kế ngay từ đầu để chuyển đổi thành hydro lỏng và cuối cùng thành hydro nén 10.000 psi (700 bar) hoặc năng lượng pin điện sau khi có các tùy chọn đó  trở nên khả thi về mặt thương mại.

Yoeli tin rằng tiện ích của một chiếc máy bay VTOL sẽ chỉ được phát huy hết khi nó có khả năng cất cánh và hạ cánh ở bất cứ đâu “và có dấu chân của một chiếc ô tô”.  Yoeli cho biết, cả Fancraft không người lái nội bộ dành cho quân sự và dân sự đều tạo ra ít tiếng ồn hơn nhiều so với máy bay trực thăng, Yoeli cho biết, được hỗ trợ bởi phân tích và thử nghiệm âm thanh của Urban.  Mặc dù Cormorant không thể tự động quay, nhưng thiết bị an toàn sẽ bao gồm hệ thống điều khiển dự phòng ba lần và dù đạn đạo trong trường hợp mất hoàn toàn lực nâng, chẳng hạn như hỏng động cơ. 

Một chuyến thăm đến hàng không đô thị

Sau khi leo sáu tầng cầu thang trong tòa nhà công nghiệp ở khu công nghệ Yavne, điều cuối cùng bạn mong đợi nhìn thấy là một cặp Chim cốc nguyên mẫu đậu ở giữa tầng văn phòng của UrbanAero, bên cạnh các văn phòng kỹ thuật, phòng hội nghị, phòng thí nghiệm điện tử và  máy pha cà phê.  UrbanAero không có kế hoạch bay Fancraft của mình bên trong các tòa nhà, nhưng họ đã thiết kế hệ thống điều khiển bay bằng dây (FBW) để cho phép Chim cốc và CityHawk trong tương lai bay lơ lửng bên hông tòa nhà cao tầng trong nhiệm vụ phản ứng đầu tiên.

Hầu hết các nắp bò trên nguyên mẫu Cormorant màu xám ô liu đều được mở vào thời điểm tác giả đến thăm vào cuối tháng 11 năm 2017. UrbanAero đang lắp đặt động cơ Safran Arriel 2S2 985 shp (735 kW) mạnh hơn trong khung máy bay để thay thế động cơ 730 shp (545  kW) Safran Arriel 1D1 được sử dụng cho hơn 200 chuyến bay thử nghiệm.

Cuối cùng, UrbanAero có kế hoạch di dời động cơ từ trung tâm sang một bên của CityHawk tương lai để tạo không gian cho khoang hành khách ở giữa máy bay và cuối cùng chứa động cơ thứ hai để cung cấp hiệu suất động cơ đơn “Loại A” (  tiếp tục chuyến bay an toàn nếu một động cơ bị hỏng). 

Kích hoạt công nghệ VTOL

Các kỹ sư dày dạn kinh nghiệm tại UrbanAero đã có 30 đến 40 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực hàng không vũ trụ.  Họ đã thiết kế và phát triển máy bay quân sự tiên tiến (ví dụ: Kfir và Lavi), máy bay phản lực kinh doanh được chứng nhận (ví dụ: Westwind, Astra và Galaxy), hệ thống điều khiển chuyến bay FBW và nhiều loại UAV đã được chứng minh trong chiến đấu.

Sáu mươi năm trước, rô-to bên trong song song ban đầu Piasecki AirGeep đã chứng minh khái niệm này là hợp lý, nhưng nó không đạt được tốc độ và phạm vi hành trình cao mà Quân đội Hoa Kỳ mong muốn và bị giới hạn trong các chuyến bay trong điều kiện gió lặng.

Hầu hết công việc kỹ thuật và khí động học của UrbanAero kể từ năm 2003 đã tập trung vào việc phát triển các công nghệ hỗ trợ cần thiết để biến khái niệm AirGeep thành một thiết kế VTOL có tính cơ động cao, hiệu quả và tiết kiệm, tận dụng hơn 50 năm cải tiến công nghệ kể từ VZ-8 của Piasecki. 

Để hiểu rõ hơn về khí động học của máy bay ống dẫn đôi bên trong, Yoeli đã bắt đầu công việc phát triển khi anh ấy mua hai nền tảng bay có quạt ống dẫn Hummingbird từ công ty cũ của mình và kết hợp cả hai lại với nhau trong một khung máy bay tổng hợp mà anh ấy gọi là máy bay trình diễn công nghệ CityHawk, mà anh ấy đã đích thân bay thử.  vào năm 2003. Nó được trang bị tám động cơ phun nhiên liệu hai thì Zanzottera cung cấp công suất tổng hợp là 250 mã lực (185 kW).

Sau đó, các kỹ sư của UrbanAero đã phát triển và thử nghiệm các mô hình quy mô của các cấu hình máy bay và hệ thống điều khiển khác nhau trong các đường hầm gió tại Viện Công nghệ Technion–Israel, Penn State và Đại học Arizona, đồng thời tinh chỉnh các thiết kế bằng cách sử dụng các mô hình quy mô bay “Panda” của họ.

Dựa trên những bài học rút ra từ AirGeep ban đầu, ba công nghệ hỗ trợ chính của Fancraft tải đĩa cao là hệ thống điều khiển cánh quạt, lỗ mở ống dẫn bên cho chuyến bay tốc độ cao và nâng thân máy bay ở tốc độ cao. 
Hệ thống điều khiển fly-by-wire tạo ra các khoảnh khắc lăn và/hoặc ngáp thuần túy, cũng như các lực bên thuần túy, thông qua chuyển động được điều biến của 50 cánh quạt được gắn ở đầu vào và đầu ra của mỗi trong số hai ống dẫn quạt trong khung máy bay.  200 cánh quạt này trên máy bay, mỗi cánh có thể tạo ra khoảng 20 lb (9 kg) lực hướng sang một bên và tổng lực là 1.000 lb (450 kg) nếu tất cả chúng bị lệch theo cùng một hướng trong cùng một thời điểm, trong khi vẫn tạo ra lực lăn.  và kiểm soát ngáp.

Có thể mở các cửa gió bổ sung ở mặt trước của ống dẫn phía trước và phía sau của ống dẫn phía sau để thay đổi kiểu luồng không khí qua các ống dẫn và quạt trong chuyến bay tốc độ cao, giảm đáng kể lực cản vốn có trong thiết kế ban đầu của Piasecki.  Khung máy bay được thiết kế để chứa hai động cơ đẩy điện ở phía sau máy bay, nhưng chúng chưa được lắp đặt.  Yoeli giải thích rằng chúng thậm chí có thể không cần thiết, do tốc độ cao mà máy bay phải đạt được bằng cách nghiêng thân máy bay.  Hình dạng của hai ống dẫn quạt cũng nhận được sự chú ý đáng kể về mặt thiết kế khí động học để tăng lực nâng được tạo ra.  Máy bay thử nghiệm Cormorant gần đây đã nhận được thế hệ cánh quạt ống dẫn thứ ba.

Yoeli nhớ lại: “Các cánh quạt thế hệ đầu tiên là hai đạo cụ có độ cao thay đổi bốn cánh của Vesta, Inc. ở New Jersey, chủ yếu phục vụ thị trường thử nghiệm và xây dựng tại nhà.  “Khi Vesta đóng cửa hoạt động kinh doanh của mình, chúng tôi đã mua lại công nghệ của Vesta và bắt đầu tự thiết kế và sản xuất các cánh quạt composite của mình ở Israel đáp ứng các yêu cầu chứng nhận FAA FAR 35 (cánh quạt)”. 

Ông tiếp tục: “Bộ cánh quạt mới đầu tiên có một trung tâm với sáu cánh hoàn toàn bằng composite với sự phân bố xoắn được tối ưu hóa để giải thích cho sự phân bố vận tốc cảm ứng trong các ống dẫn.  “Sau ba năm phân tích CFD chi tiết, chúng tôi đã thiết kế thế hệ cánh quạt thứ ba của mình với sự phân bổ độ xoắn thậm chí còn tốt hơn.  Cánh quạt này sử dụng cùng một thiết kế trục nên việc trang bị thêm cánh quạt mới cho Cormorant tương đối dễ dàng.”

Toàn bộ hệ thống truyền lực cũng được phát triển nội bộ, với các hộp số được Urban lắp ráp và thử nghiệm bằng cách sử dụng các bánh răng côn và xoắn ốc chất lượng cao của KHK tại Nhật Bản được gia công theo kích cỡ.  “Tất cả quá trình gia công (trục, trục, khớp nối, v.v.) đều được thực hiện ở Israel.  Chúng tôi đã mất vài năm,” Yoeli giải thích, “nhưng bây giờ chúng tôi cũng độc lập về các hộp số cấp hàng không vũ trụ nguyên mẫu.”

Điều khiển Fly-By-Wire

“Hệ thống điều khiển chuyến bay fly-by-wire (FBW) (FCS) là thiết kế của riêng chúng tôi.  Ely Erenthal, trưởng nhóm Chuyên gia Hệ thống Kiểm soát Chuyến bay của chúng tôi đã thiết kế hệ thống FBW trong dự án máy bay chiến đấu Lavi của IAI, vì vậy chúng tôi có tất cả bí quyết mà chúng tôi yêu cầu,” Yoeli cho biết.  “Chúng tôi đang sử dụng RTOS cao cấp [hệ điều hành thời gian thực INTEGRITY của Green Hill] và Matlab-Simulink làm công cụ thiết kế chính.  Các máy tính FCS được sản xuất bởi RADA Electronic Industries, một công ty quốc phòng của Israel.”

Hệ thống FBW quản lý các điều khiển động cơ, cánh quạt, ống dẫn và độ cao của quạt để cung cấp cho Chim cốc sáu bậc tự do khi bay và khả năng bay chính xác xuống một con hẻm hoặc hạ cánh trong một dấu chân nhỏ như một chiếc ô tô.

Việc phát triển các luật kiểm soát cho hệ thống FBW đang diễn ra khi phạm vi chuyến bay của Chim cốc mở rộng.

Cormorant cũng được trang bị bộ điều hướng mở rộng (hệ thống định vị quán tính và GPS) và bộ cảm biến (máy đo độ cao radar, máy đo độ cao laser và cảm biến quang điện ổn định) cần thiết cho các nhiệm vụ tự hành đầy thách thức đòi hỏi chuyến bay ở tốc độ cao trong mọi thời tiết và  điều kiện đe dọa. 

Theo đuổi thị trường

Kể từ khi thành lập, UrbanAero đã thay đổi giữa các khái niệm VTOL có người lái và không người lái khi các cơ hội và nguồn tài trợ mới xuất hiện cho công ty độc lập do tư nhân tài trợ.

Khái niệm đầu tiên là X-Hawk dân dụng để sử dụng taxi hàng không và xe cứu thương hàng không.

Với sự bùng nổ của chiến tranh đô thị ở Afghanistan và Iraq vào đầu những năm 2000, UrbanAero đã hợp tác với Bell Helicopter để nghiên cứu việc sử dụng Fancraft được đặt trong ống dẫn bên trong để chèn và rút các đơn vị lực lượng đặc biệt và binh lính chiến đấu khỏi chiến trường đô thị, với sự hỗ trợ của Hoa Kỳ cho công việc nghiên cứu  Văn phòng Nghiên cứu Hải quân (ONR).

Sau đó, khi Chiến tranh Liban lần thứ hai nổ ra ở biên giới phía bắc của Israel vào năm 2006, Lực lượng Y tế của Lực lượng Phòng vệ Israel (IDF) đã đóng vai trò tích cực hỗ trợ phát triển máy bay VTOL tự động để sơ tán nạn nhân trong những trường hợp không thể sử dụng máy bay trực thăng.

UrbanAero cũng đã nghiên cứu việc sử dụng Fancraft trên tàu hải quân.  Dấu chân nhỏ hơn của Fancraft có nghĩa là cần ít không gian hơn để vận hành và lưu trữ so với máy bay trực thăng. 

Ứng dụng dân dụng

Yoeli rất hào hứng khi nói về các ứng dụng dân sự của Fancraft - một phần là do sự bùng nổ mối quan tâm đến taxi bay VTOL điện (eVTOL) - sau nhiều năm chỉ tập trung vào các ứng dụng quân sự.

Yoeli lưu ý: “Ưu điểm lớn nhất của máy bay trực thăng là khả năng cất cánh và hạ cánh thẳng đứng trong suốt nhiệm vụ nhận và vận chuyển hàng hóa (vật tư), hành khách và thương vong”.

“Trực thăng và eVTOL dựa vào tải đĩa thấp, đòi hỏi diện tích đĩa rôto lớn (đơn lẻ hoặc tích lũy) và/hoặc cánh lộ ra ngoài, cả hai đều hạn chế khả năng di chuyển trong địa hình phức tạp và môi trường đô thị, đồng thời hạn chế nghiêm trọng hoặc loại bỏ hoàn toàn các vị trí cất cánh và hạ cánh tiềm năng.”  Ngoài ra, các eVTOL chạy bằng pin bị hạn chế về tải trọng hữu ích và độ bền, Yoeli cho biết.

Yoeli tin rằng sẽ có cơ hội ngày càng tăng để cung cấp dịch vụ taxi hàng không trong các trung tâm đô thị lớn và CityHawk năm chỗ ngồi sẽ có lợi thế thương mại khác biệt so với các khái niệm eVTOL tập trung vào thiết kế một và hai chỗ ngồi.

Các phép đo âm thanh cho thấy Cormorant yên tĩnh hơn so với máy bay trực thăng thông thường và lợi thế cộng đồng này sẽ được cải thiện hơn nữa khi tốc độ đầu cánh quạt giảm từ Mach 0,7 xuống khoảng Mach 0,5 bằng cách thêm một tầng cánh thứ hai vào quạt ống dẫn.

Với dấu chân vật lý bằng một phần tư kích thước của một chiếc trực thăng, CityHawk năm chỗ ngồi có nhiều chỗ hạ cánh hơn và có thể đạt được nhiều chuyển động hàng giờ hơn so với một chiếc trực thăng lớn hơn.  Dấu chân nhỏ hơn cũng có nghĩa là mái nhà quá nhỏ để chứa máy bay trực thăng giờ đây có thể được phát triển để sử dụng độc quyền làm máy bay phản lực Fancraft.  Đó là một lợi ích hữu hình ở thành phố đông đúc lớn như São Paulo, Brazil, nơi 400 máy bay trực thăng được sử dụng để đưa các giám đốc điều hành đi làm hàng ngày, dẫn đến một số sân bay trực thăng hoạt động hết công suất vào những thời điểm nhất định trong ngày.  Mức độ sử dụng cao — bay nhiều chuyến bay hơn với nhiều hành khách hơn — luôn là chìa khóa để kiếm tiền trong kinh doanh hàng không thương mại. 

CityHawk đang được phát triển để cất cánh và hạ cánh với tốc độ gió lên tới 40 dặm/giờ (65 km/giờ) và các cánh quạt được đốt nóng để bay vào các điều kiện đóng băng đã biết.  Cơ hội để bay nhiều giờ doanh thu hơn mỗi năm là một lợi thế nhất định vì điều đó có nghĩa là chi phí vận hành cố định có thể được khấu hao trong một số giờ bay lớn hơn.  Nó cũng hấp dẫn đối với những giám đốc điều hành thường xuyên bay đi làm và không muốn bị mắc kẹt trong văn phòng qua đêm vì thời tiết xấu.

UrbanAero cũng tin rằng dấu chân nhỏ và tính linh hoạt trong thời tiết khắc nghiệt của VTOL sẽ làm cho CityHawk trở nên hấp dẫn đối với công việc cho thuê, cũng như cung cấp các dịch vụ khẩn cấp cho cảnh sát, cứu hỏa và cứu thương.  Công ty cũng có kế hoạch cho một Fancraft lớn hơn nhiều, Falcon XP 12 hành khách.

Chứng nhận dân sự

Yoeli cảm thấy rằng tất cả các eVTOL có người lái dành cho dịch vụ thương mại sẽ cần phải được Cơ quan An toàn Hàng không Châu Âu (EASA) và Cục Hàng không Liên bang Hoa Kỳ (FAA) chứng nhận theo các tiêu chuẩn chính xác giống như bất kỳ máy bay chở khách thương mại nào khác.

Yoeli nói: “Điều này nghe có vẻ là một cách tiếp cận rất hợp lý và chúng tôi không thể tưởng tượng được rằng FAA sẽ nghĩ khác.  “Mặc dù điều này có nhiều ý nghĩa đối với thiết kế và triển vọng thương mại của máy bay VTOL hiện tại, nhưng nó gây ra hai hậu quả rất nghiêm trọng và ngay lập tức đối với máy bay eVTOL mới sử dụng công nghệ pin ngày nay.” 

Yoeli giải thích: “Điều đầu tiên là yêu cầu phải có phi công trên tàu mọi lúc - chúng tôi thậm chí còn chưa đạt đến mức cho phép ô tô “tự lái” di chuyển mà không cần người lái an toàn.  “Thứ hai là luôn mang theo dự trữ 20 phút trong điều kiện [quy tắc bay trực quan] và dự trữ 30 phút trong điều kiện [quy tắc bay bằng thiết bị].

Với công nghệ pin hiện tại cung cấp công suất 300 Watt-giờ/kg, Yoeli đã tính toán rằng máy bay eVTOL hoạt động ngày nay có thời lượng tối đa chỉ 20–30 phút với một hoặc hai ghế ngồi và không có dự trữ.

Cách tiếp cận của UrbanAero là phát triển máy bay Fancraft mới của mình sử dụng động cơ nhiên liệu phản lực — cung cấp năng lượng trên mỗi trọng lượng gấp 20 lần so với công nghệ pin hiện tại — và sau đó kết hợp cải tiến dự đoán về pin, động cơ, máy phát điện, máy điều hòa năng lượng, hệ thống điện tử hàng không và cấu trúc tại thời điểm khi  họ đạt được sự trưởng thành và khả năng thương mại. 

Yoeli cho biết: “Ngay cả trong trường hợp khó xảy ra là pin không tạo ra bước nhảy vọt về công nghệ như mong đợi trong 5–8 năm tới, thì hydro luôn có sẵn như một loại nhiên liệu thay thế với mật độ năng lượng gấp 60 lần so với pin điện hiện tại.  “Hydrogen có thể được oxy hóa thông qua pin nhiên liệu, đây là lựa chọn tốt nhất (pin nhiên liệu ngày nay cũng đang phát triển với tốc độ chóng mặt), hoặc cách khác, được đưa vào động cơ trục tua-bin tiêu chuẩn có thể dễ dàng điều chỉnh để hoạt động bằng hydro.”

Yoeli cho biết: “Việc sử dụng động cơ trục tua-bin hiện có, được FAA phê duyệt có thể là một bước tạm thời cho đến khi pin nhiên liệu được FAA và EASA chứng nhận để sử dụng làm nhà máy điện chính trong máy bay chở người được chứng nhận thương mại,” Yoeli cho biết, kết thúc bằng một trích dẫn từ  nhà tương lai học Ray Kurzweil: “một phát minh phải có ý nghĩa trong thế giới mà nó được hoàn thành, chứ không phải thế giới mà nó được bắt đầu.”