eVTOL cho các cơ quan theo yêu cầu

Đối với nhiều người tham gia cuộc đua phát triển máy bay cất cánh và hạ cánh thẳng đứng bằng điện (eVTOL), thị trường taxi hàng không mang tính đầu cơ là phần thưởng ở cuối vạch đích — giải thưởng mà một ngày nào đó có thể mang lại đơn đặt hàng cho hàng nghìn máy bay để vận chuyển hàng triệu hành khách khắp nơi  các thành phố tắc nghẽn.  Tuy nhiên, với nhiều rào cản pháp lý và xã hội đang cản trở thị trường đó — bên cạnh những thách thức công nghệ rất thực tế liên quan đến việc chế tạo và bay máy bay eVTOL — loại phương tiện di chuyển hàng không đô thị theo yêu cầu (UAM) này có thể mất nhiều năm nữa mới xuất hiện  Để thực hiện.

Nhưng có những ứng dụng tiềm năng khác cho máy bay eVTOL sạch sẽ, yên tĩnh đang thúc đẩy sự đổi mới trong lĩnh vực này.  Đáng chú ý, công ty công nghệ sinh học United Therapeutics, dưới sự lãnh đạo của Giám đốc điều hành Martine Rothblatt, muốn sử dụng máy bay eVTOL để vận chuyển nhanh chóng các bộ phận cơ thể người được sản xuất giữa cơ sở của mình và bệnh viện tiếp nhận.  Để đạt được mục tiêu đó, nó đang tài trợ cho một số chương trình eVTOL cùng nhau phản ánh một chiến lược đầy tham vọng nhưng thiết thực để chuyển đổi khỏi các máy bay trực thăng chạy bằng nhiên liệu hóa thạch mà nó sử dụng để vận chuyển nội tạng ngày nay.

“Tham vọng nhưng thực tế” là triết lý chỉ đạo cho Rothblatt, người vào những năm 1990 đã tạo ra một thị trường mới với tư cách là người sáng lập đài phát thanh vệ tinh Sirius (nay là SiriusXM).  Cô thành lập United Therapeutics sau khi con gái cô được chẩn đoán mắc bệnh tăng huyết áp động mạch phổi;  công ty đã tiến hành phát triển một loại thuốc mới để điều trị nó.  Gần đây, công ty con Công nghệ sinh học phổi của United Therapeutics đã đi tiên phong trong các phương pháp cải tiến để phục hồi phổi của người hiến tặng bị tổn thương và các cơ quan “tái sản xuất” của nó đã được cấy ghép thành công cho hàng trăm bệnh nhân. 

Đây chỉ là bước đầu tiên để hiện thực hóa một tham vọng, theo cách riêng của nó, cũng triệt để như tầm nhìn của UAM.  United Therapeutics đang tích cực tham gia vào nghiên cứu liên quan đến cấy ghép ngoại lai — cấy ghép các cơ quan động vật vào người — điều này có thể làm tăng đáng kể nguồn cung cấp các cơ quan có sẵn.  Về lâu dài, công ty cũng đang theo đuổi việc in 3D nội tạng, điều mà họ hy vọng cuối cùng sẽ dẫn đến một thế giới “nội tạng theo yêu cầu”.

Như Rothblatt đã nói trong một buổi họp mặt năm 2016 của Câu lạc bộ Tesla Motors, “Khi bạn đang nói về không phải vài trăm bộ phận cơ thể, mà là hàng trăm nghìn hoặc hàng triệu bộ phận cơ thể, bạn sẽ cần một đội máy bay trực thăng rất lớn để vận chuyển tất cả những thứ này.”  Lượng khí thải do một đội tàu cánh quạt thông thường có kích thước đó tạo ra đơn giản là không thể chấp nhận được đối với Rothblatt, người đã nổi tiếng với việc ưu tiên năng lượng mặt trời và các công nghệ bền vững với môi trường khác tại United Therapeutics.

“Khi mọi người đẩy lùi tôi và nói, 'Tại sao bạn lại to gan như vậy?'... Tôi có nói với họ, và tôi tin rằng, mục đích thực sự của việc cứu mạng người bằng ghép tạng là gì nếu  toàn bộ nhân loại có thể bị xóa sổ trong một sự kiện tồn tại cao trào do sự nóng lên toàn cầu không?”  cô ấy đã giải thích.  “Nếu chúng ta chỉ cần suy nghĩ kỹ hơn một chút, chúng ta có thể làm điều tốt và ý nghĩa cùng một lúc.” 

R44 eHelo cấp 1

Giống như United Therapeutics đang đồng thời theo đuổi một số cách tiếp cận khác nhau để tăng nguồn cung các cơ quan có sẵn — mỗi cách có một phạm vi triển khai khác nhau — công ty đang mở rộng đầu tư vào công nghệ eVTOL qua một số dự án với các triển vọng chứng nhận khác nhau.

Đơn giản nhất trong số này là máy bay trực thăng Robinson R44 chạy bằng điện, cung cấp cơ sở cho những gì các dự án eVTOL có thể đạt được bằng cách sử dụng công nghệ khung máy bay đã được chứng nhận.  Công nghệ sinh học phổi đã hợp tác với Kỹ thuật cấp 1 ở Santa Ana, California, để phát triển chiếc máy bay cải tiến này. Vào ngày 7 tháng 12, chiếc máy bay này đã lập Kỷ lục Guinness Thế giới về quãng đường xa nhất mà một chiếc trực thăng điện di chuyển — 30 hải lý (56 km) — với phi công thử nghiệm Ric  Webb của OC Helicopters đang điều khiển.

Nguyên mẫu thay thế động cơ pít-tông Lycoming IO-540 nặng nề được sử dụng trên những chiếc R44 thông thường — có trọng lượng lắp đặt ướt khoảng 500 lb (225 kg) — bằng động cơ điện đôi Yasa tùy chỉnh và hệ thống điều khiển động cơ Rinehart chỉ nặng 100 lb (  45kg).  Tất nhiên, việc tiết kiệm trọng lượng này được bù đắp bằng pin lithium polymer Brammo của máy bay, được gắn dưới bụng và nặng khoảng 1.100 lb (500 kg).

Theo Glen Dromgoole, hiệu trưởng Cấp 1, nhóm của ông đã có thể hoàn thành việc trang bị thêm này mà không cần bất kỳ sửa đổi nào đối với hệ thống lái hoặc điều khiển chuyến bay của R44.  “Từ góc độ kỹ thuật, tôi rất ấn tượng với thiết kế và sự đơn giản của thiết kế.  Đó thực sự là điều khiến nó trở thành một chiếc trực thăng điện tuyệt vời như vậy,” ông nói trong một cuộc phỏng vấn vào tháng 12.  Điều quan trọng là máy bay vẫn giữ được khả năng tự động xoay, một tính năng an toàn đã được thiết lập tốt để hỗ trợ chứng nhận.

Dromgoole xác nhận rằng chiếc máy bay lập kỷ lục Guinness thế giới (N3115T) chính là chiếc bay lần đầu tiên vào tháng 9 năm 2016 và lập các kỷ lục khác vào đầu năm 2017. Cấp 1 sau đó đã tạm dừng chuyến bay thử nghiệm để tinh chỉnh công nghệ động cơ và pin cơ bản của máy bay.  Giờ đây, nó đang trong quá trình kết hợp những cải tiến đó vào nguyên mẫu thứ hai mà nó dự kiến ​​sẽ bay vào một thời điểm nào đó trong năm nay.  Với phiên bản này, Cấp 1 đang hướng tới thời gian bay ít nhất một giờ với trọng tải hữu ích 600 lb (270 kg), một mục tiêu mà Dromgoole mô tả là “rất có thể đạt được”. 

Một chiếc máy bay như vậy có thể dễ dàng thực hiện một số hoạt động vận chuyển nội tạng ngắn hơn của Công nghệ sinh học phổi, ngay cả khi nó vẫn không thực tế đối với hầu hết các hoạt động được thực hiện bởi máy bay trực thăng thông thường.  Theo Dromgoole, Cấp 1 dự định theo đuổi chứng chỉ loại bổ sung cho phiên bản thứ hai này của R44 điện.  Thật vậy, công ty đã đệ trình kế hoạch chứng nhận lên Cục Hàng không Liên bang (FAA), cơ quan cho đến nay đã “cực kỳ ủng hộ và quan tâm đến dự án này,” ông nói.

Cấp 1 cho biết vào năm 2016 đã được Công nghệ sinh học phổi ký hợp đồng để tạo ra một tàu cánh quạt bán tự động chạy bằng điện để vận chuyển nội tạng (EPSAROD).

Ava XC của Công nghệ Beta

Mặc dù hệ thống cánh quạt hiệu quả và khung máy bay nhẹ của R44 khiến nó trở nên đặc biệt phù hợp để chuyển đổi thành năng lượng điện, nhưng các thiết kế máy bay trực thăng thông thường sẽ không bao giờ có thể nhận ra đầy đủ hiệu quả cơ khí và khí động học nhờ động cơ đẩy điện phân tán (DEP).  Do đó, United Therapeutics cũng đang đầu tư vào các dự án eVTOL tận dụng nhiều lợi thế hơn của DEP, mặc dù họ có thể phải đối mặt với con đường dài hơn để được chứng nhận. 

Một trong số đó là trình diễn Ava XC đã được công bố bởi Beta Technologies có trụ sở tại Burlington, Vermont vào tháng Giêng.  Được lái bởi người sáng lập Beta, Kyle Clark, Ava đã có hơn 180 chuyến bay tham gia chương trình thử nghiệm chuyến bay khắt khe được FAA phê duyệt, còn khoảng 50 chuyến nữa nữa sẽ tiếp tục.  Sau khi chương trình bay thử nghiệm kết thúc, Clark dự định đưa Ava bay khắp Hoa Kỳ theo giấy chứng nhận triển lãm, được hỗ trợ bởi chiếc xe buýt Eagle đời 1982 mà Beta đã chuyển đổi thành bệ sạc di động với máy phát điện diesel sinh học.

Máy bay nặng khoảng 4.000 lb (1.815 kg) được chế tạo xung quanh cabin Lancair ES, với cánh cố định dài 35 ft (10,7 m) và sửa đổi đuôi từ RDD Enterprises.  Kéo dài từ hai bên mũi và đuôi là các chân chống nhẹ bằng sợi carbon do Blue Force Technologies phát triển, cung cấp các điểm lắp cho bốn cặp cánh quạt quay ngược chiều, mỗi cặp được dẫn động bởi một cặp động cơ nam châm vĩnh cửu 124 mã lực (92 kW).  Máy bay được cung cấp năng lượng bởi hai bộ pin lithium-ion — một cho lớp trên cùng và một cho lớp động cơ dưới cùng — tổng công suất là 166 mã lực-h (124 kW-h).

Vì nhóm Beta tin rằng máy bay eVTOL hoàn toàn tự động vẫn còn nhiều năm nữa mới được chứng nhận, nên Ava đã được phát triển thành máy bay có người lái, với hệ thống điều khiển chuyến bay kết hợp.  Trong tay trái của phi công là một đòn bẩy tập thể giống như một tập hợp máy bay trực thăng;  điều này điều chỉnh tốc độ của chân vịt và do đó, lực đẩy.

Bằng tay phải, phi công điều khiển một cần phụ có bộ ba cảm biến dự phòng được kết hợp với cả bề mặt điều khiển chuyến bay cơ học và bộ điều khiển fly-by-wire để tạo lực đẩy phân tán.  Ngón tay cái bên phải điều khiển một công tắc gập làm nghiêng các nan, cho phép phi công điều chỉnh góc như một hàm của tốc độ chìm.  Bàn đạp chân truyền thống điều khiển bánh lái và vi sai theo chiều kim đồng hồ/ngược chiều kim đồng hồ của các rôto khi bay lơ lửng và cho phép phanh vi sai khi ở trên mặt đất. 

Theo Clark, Ava đã đạt được tốc độ lên tới 72 kt (133 km/h) và độ cao tối đa là 100 ft (30 m), và bay trong điều kiện gió lên tới 25 kt (46 km/h).  Clark cũng đã trình diễn các chế độ hỏng hóc khác nhau trong chuyến bay, bao gồm hỏng hóc của từng động cơ và bộ pin cũng như hỏng hóc của đơn vị đo lường quán tính (IMU).  Thiết bị thử nghiệm cao, đàn hồi của máy bay đã được thiết kế đặc biệt để đáp ứng các thử nghiệm như vậy với mức độ hư hại tối thiểu đối với khung máy bay.

Ở dạng hiện tại, Ava có tầm bay tối đa ước tính là 130 nm (240 km), vẫn còn rất hạn chế so với máy bay VTOL thông thường.  Tuy nhiên, Clark có kế hoạch tiết lộ phiên bản kế nhiệm của Ava vào đầu năm nay, được cho là sẽ trông khác nhiều và có khả năng bay xa tới 250 hải lý (465 km). 

Một tương lai tự chủ

United Therapeutics cũng quan tâm đến các dự án eVTOL khác.  Vào năm 2017, nó đã ủy quyền cho Zenith Altitude của Bromont, Québec, nghiên cứu khái niệm cánh nghiêng bán tự trị có tên là EOPA (dành cho “Máy bay nâng có động cơ được điều khiển tùy chọn chạy bằng điện”).  Các tổ chức khác của Canada — bao gồm NGC Aerospace, Optis Engineering, Brio Innovation và Trung tâm Công nghệ Tiên tiến tại Đại học Sherbrooke ở Québec — đã hợp tác với Zenith để phát triển loại máy bay này, với phạm vi hoạt động tương tự như loại được hình dung cho người kế nhiệm Ava.  Được biết, nhóm đã chứng minh tính khả thi của việc điều khiển máy bay trong quá trình chuyển đổi cánh nghiêng.

Năm ngoái, tờ báo La Tribune có trụ sở tại Sherbrooke đã đưa tin rằng một nhánh của Công nghệ sinh học phổi có tên là Unither Bioelectronics - “Unither” là từ viết tắt chung của United Therapeutics và các công ty con của nó - đã khởi công xây dựng một trung tâm nghiên cứu và phát triển mới ở Bromont.  Công ty cũng đã mua một địa điểm để xây dựng một nhà máy sản xuất máy bay điện, có thể bắt đầu trong khung thời gian 2024-2025, theo báo cáo.

Trong khi đó, vào tháng 5 năm 2016, Công nghệ sinh học phổi đã công bố hợp tác với nhà sản xuất máy bay không người lái EHang của Trung Quốc — công ty đã tiết lộ máy bay trực thăng chạy điện một chỗ ngồi, EHang 184, vào đầu năm đó — để phát triển một phiên bản cải tiến của 184 có tên là Máy bay trực thăng vận chuyển nội tạng được sản xuất  (MẸ).  Thỏa thuận có các công ty làm việc cùng nhau trong 15 năm tới để cung cấp tới 1.000 đơn vị MOTH cho việc vận chuyển nội tạng tự động. 

Trong một thông cáo báo chí tại thời điểm công bố, Rothblatt cho biết: “Các địa điểm nổi tiếng của các bệnh viện cấy ghép và các cơ sở sản xuất nội tạng trong tương lai khiến công nghệ EHang trở nên lý tưởng cho [quy tắc bay của thiết bị] trên đường cao tốc và ở tầm thấp.  Các chương trình định tuyến IFR.  Chúng tôi dự đoán sẽ cung cấp hàng trăm nội tạng mỗi ngày, điều đó có nghĩa là hệ thống MOTH sẽ giúp cứu không chỉ hàng chục nghìn mạng sống mà còn hàng triệu gallon xăng vận chuyển hàng không hàng năm.”

Placing Multiple Bets

Tầm nhìn của Rothblatt về vận chuyển và cấy ghép nội tạng theo yêu cầu bằng điện dường như đủ nghiêm túc để cô ấy tài trợ cho nhiều công ty để khám phá các cách tiếp cận khác nhau;  các công ty khác cũng có thể được đưa ra ánh sáng. 

Đương nhiên, một dự án như vậy liên quan đến nhiều tình huống.  Đầu tiên, United Therapeutics và các công ty con của nó phải phát triển thành công các công nghệ cần thiết để sản xuất các cơ quan ở quy mô mà họ hình dung, sau đó đảm bảo sự chấp thuận kịp thời của Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ, điều khó được đảm bảo.  Đồng thời, FAA phải phát triển và triển khai các nguyên tắc chứng nhận và cơ sở hạ tầng để đáp ứng các chuyến bay eVTOL hoàn toàn tự động trong không phận đô thị - cũng không phải là điều chắc chắn.

Tuy nhiên, mặc dù tầm nhìn về một đội máy bay không người lái chở nội tạng khổng lồ này có vẻ rất khó xảy ra khi được xem xét riêng lẻ, nhưng nó có ý nghĩa hơn rất nhiều khi là đỉnh cao của quá trình nghiên cứu và phát triển có chủ ý, trên cả lĩnh vực hàng không và y tế.  Rothblatt đã hoàn thành nhiều điều mà mọi người nói với cô ấy là không thể làm được.  Nếu cô ấy thực hiện được tham vọng to lớn này, tất cả chúng ta sẽ tốt hơn cho nó.