如何评估和管理电动飞机的航程？

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电池性能和相关的飞机航程能力仍然是新兴电动飞机行业关注的主要领域。 通用航空制造商协会 (GAMA) 最近发布了一份针对该问题的白皮书论文——Managing Range and Endurance of Battery-Electric Aircraft（《电池电动飞机的航程和续航时间管理》）。 该篇综合性论文由GAMA的电力推进创新委员会（EPIC）完成，参与方包括 Beta、Joby、Overair、Volocopter、Vertical 和空客等。

该论文主要由4部分内容组成：

1.电池能量系统与传统燃油能量系统的差异比较

2.电池电动飞机的剩余能量性能建模与建立人因能量指示系统的必要性

3.能量储备方法：基于时间的能量储备介绍/基于性能的能量储备方法设计

4.基于性能的能量储备方法设计的飞行任务示例

论文主要关注点包括3点：

1.与传统燃料推进系统相比，电池能量系统具有的新颖能量特性

2.建立需要为支持指示系统设计而构建电池性能模型和人因工程学的需求

3.呼吁基于性能的能量储备，直接针对可能影响飞行风险和安全着陆的情况

这三个基石为电动飞机提供了一个以性能为导向的框架，它满足了规范的时间限制的安全目标，并清楚地描述了每个任务配置文件的危险和风险。

本文将简要介绍该白皮书上述的前三部分的内容，论文原稿可通过公众号对话框发送——gama——获得。

电池能量系统与传统燃油能量系统的差异

无论是电动飞机（eVTOL/eCTOL），还是传统燃油飞机，都依赖于其自身的能量存储系统来运行。飞机的能量存储及输出系统决定了飞机的航程和飞行性能，对应来说就是能提供多少能量和能输出多大功率。

在传统的燃油系统中，油箱负责能量储存，飞机燃油泵或燃油管道的最大流量决定了其功率能力（忽略压力高度的影响）。但电池电动飞机的高压储能系统中，能量储存和功率能力内在地与电池本身相关联，电池的功率能力是由许多因素决定的，如电池功率输出能力随电池电量多少而波动。

相比之下，燃油飞机的功率输出可以认为跟油箱的燃料多寡没有关系。在恒定压力高度上，基于燃料的系统可以提供持续的不变功率输出直到可用燃料耗尽。因此机组人员可以很容易建立油箱 剩余燃料量与续航里程之间的直接关系， 相对容易确定飞机还能飞多久。 虽然内燃机也受到多种 推进性能因素的影响，但关键因素及其关系是相当稳定的。

相比之下，电池放电的能力随着从系统中移除的能量的减少而减弱，也就是最大输出功率会变小。就像手电筒在电池耗尽时变暗一样，电动飞机的功率性能也会随着其SOC的降低而下降。除此之外，电池的能量和功率的输出能力还受电池健康状态和温度的影响，均是动态值，这使剩余能量性能的评估更为复杂。

对于全电动飞机来说，燃油耗尽的等效情况是当飞机的电池系统开路电压降低到维持飞行所需的最小电压，也称为最小母线电压。最小母线电压是指电力推进系统能够正常工作并通过电机提供扭矩所需的最低电压。

对于eVTOL飞机来说，最低的母线电压需求可能取决于飞机是在机翼载荷，还是在拉力载荷下飞行。纯拉力载荷相比机翼载荷，对功率需求要高得多，因此这一影响在eVTOL飞机（但并不局限于）中表现得尤为明显。eVTOL在电池低SOC状态下进行高功率升力着陆时，就会面临一个关键问题：由于开路电压低且能量损失大，可能无法实现安全升力飞行所需的最低母线电压。这是与燃油系统输出非常不同的特性。

剩余能量性能建模与建立人因能量指示系统的必要性

电动飞机的安全飞行取决于全面的飞行前计划，就像使用传统燃料的飞机一样。这种规划应包括遵守监管要求，对起飞、目的地和备降机场的天气、空中交通和机场状况进行全面评估，并考虑飞机的机械状况。

飞行员利用他们在飞行前计划中获得的信息来确定飞行所需的燃油量或充电状态。在飞机飞向目的地的过程中，飞行员有责任监控飞机的状态，并确保有足够的航程和续航能力以安全完成飞行。

对于使用传统燃料的飞机来说，剩余燃料量和燃烧速率的测量通常可以支持对剩余航程和续航时间的合理估计。对于依赖电池的电动飞机，必须从电压、电流和温度等输入中推断出飞机的剩余性能能力。

为了支持这种计算解决方案，所有电动飞机都需要准确的电池性能模型。这个基本模型在提供有意义的输出以支持航程和续航时间管理方面发挥着关键作用。

为了开发准确的电池性能模型，广泛的测试至关重要，并且需要进行飞机型号认证。在这些测试中，单个电芯或模块会在各种充电和放电循环下承受相关的环境应力。多次重复同一样本有助于了解电池老化效应的建模，这可能会因放电周期的功率轮廓和其他因素而有所不同。对测试期间可测量参数的分析为开发能够准确预测电池在实际应用中行为的性能模型提供了基础。

尽管飞机系统可以处理基本的性能计算，但飞行员仍需要信息来做出适当的能量管理决策。飞机提供的信息必须足够让飞行员计划并执行一个任务，并在紧急情况下提供适当的选择，例如由于电池故障导致性能下降，飞行员应能够向空中交通管制员报告剩余续航能力。

飞机制造商可以采取各种方法防止电动飞机意外耗尽可用能源，并为飞行员提供足够的环境意识以管理航程和续航能力。这些方法从简单到复杂不等，但所有方法都应涉及有效的任务规划和飞行中的指示。全面的人因工程过程对于设计满足监管要求的有效显示和指示系统至关重要。

飞机运行能量储备

即使有适当的飞行前计划和航线范围及续航能力的管理，机组人员也可能遇到——不可预见的空中交通、机场关闭、飞机路线、风速和天气状况——导致比预期消耗更多的燃料或能量。

储备的目的是在发生意外情况时，允许继续运行，储备提供了额外的安全余地。所有航班都应规划为飞行员可以完好无损地降落。只有在尝试了所有其他替代方案后，才应使用储备来完成飞行。虽然使用储备不会使完成飞行变得不安全，但飞行员应该准备好决定何时，以及在什么情况下这是合适的。

基于时间的运行储备

现有基于时间的储备要求的目的是为意外情况提供能源应急，例如延误、能量监测精度问题、高于预期的能量消耗、风向修正、导航错误、人为因素、航线更改、返航、徘徊以及性能下降。

要求储备的规定已经存在了几十年，最早可以追溯到1946年：“除非飞机携带了足够的燃料和润滑油，并考虑了预报的风和其他天气条件，以飞往下一个预定着陆点并在此后至少30分钟内以正常巡航消耗量飞行，否则不得开始飞行。”

当制定这项规定时，燃料监控很粗糙，天气预报能力有限。航海常常使用自导式航行，大多数操作都是用纸笔计算出来的。对于机组人员来说，对每种紧急情况单独评估以适应特定任务的储备需求并不现实。为此，时间储备制度增加了相当大的余量来覆盖各种紧急情况，这使得规划更加容易。

尽管基于时间的储备对许多操作仍然足够，但技术先进的飞行规划工具使这一数十年来一直有效的规则集有了显著改善。电子飞行包（EFB）软件被广泛使用，燃油/能量测量更加准确，天气预报更加精细，而新型航空电子设备使得精确轨迹规划成为可能。今天，飞行员能够快速预测返航、意外改变飞行速度以及由于性能下降导致的航程限制所需的能量，但并没有专门针对这些情况来评估所需的运行储备，而仍然是作为一个笼统的时间储备来覆盖。

基于性能的运行储备

想象一下，一架飞机可以从起点一直飞到终点，经过连续的跑道。如果是这样的话，如果出现问题或预计的能源储备低于预期水平，飞机总是可以降落。现在假设不是连续的跑道，而是路线上的多个着陆点。只要有足够的能源储备安全到达每个备降机场，任务就可以按计划继续进行。这是能源评估的基本前提。评估和监控为飞行员提供了在整个航线上都有足够的能源来应对非危险情况的信心。

基于性能的能源储备评估建立在现有的能源应急评估规则之上。通过规划备降机场、监测飞行中的能源消耗以及评估飞机特定性能能力，这种方法确保了如果任务按计划进行，能够以预期的储备完好无损地到达目的地。它还确定了紧急机动，这是时间储备方法所没有做到的。此外，在整个任务过程中还会对偏离正常状态的飞机性能因素进行评估。

尽管基于时间的储备是一般规则，已被纳入运营计划，但基于性能的概念则以航空管理当局可接受的特定任务能量消耗评估为基础。这种评估包括对性能降低条件、环境因素和备降机场的评估，以及飞机特性的评估。这最终建立了一种结构化的方法来处理整个飞行过程中不足余量的风险。

作者们在文中强调，这不是在提供一个明确的替代规则集。相反，这是提供了关于基于性能的运行储备策略进一步讨论的基础。所提议的方法适用于各种飞机类型，包括飞机、直升机、有动力VTOL装置的飞行器和其他飞行器。 虽然讨论可能与使用燃料的飞机有关，但能量估计主要针对具有电池系统的电动飞机。

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