本文内容来自TE Connectivity航空航天工程研究员Matt McAlonis的公开分享。
eVTOL飞机开发连接和电气系统的主要技术挑战是什么？
安全是最重要的因素。第二个主要挑战是重量。与传统的航空航天系统不同，在传统航空航天系统中，燃料燃烧，飞机在飞行时会变得更轻、更高效，电池则在飞行结束时和开始时一样重。你不能在电池耗尽时就将其扔掉。那么，设计组件网络需要如何考虑eVTOL的形状、尺寸、重量和功率要求呢？从充电开始。在汽车领域，可以插入并给车载电池充电。这需要从充电器入口到电池的额外电缆；所以热管理在这里很重要，因为想快速充电就意味着更多的热量。如果电池变热，它们还安全吗？电气火灾与化石燃料火灾有很大不同；它们燃烧得很快，也很难熄灭。那么，如果正在给eVTOL电池充电，需要什么类型的热管理？有些公司正在考虑使用液冷系统的主动冷却充电器，但会很重。那么，应该采用更换电池的方案吗？在这种情况下，将需要一个电池互连系统。然后是配电系统。推进系统可能需要大约800到1000伏的电压，这相对于普通飞机来说是非常高的电压。在汽车中，有一个12伏的电池系统，而今天大多数飞机的系统工作电压在200伏左右。所以现在看到的是这个电压的五倍。这是否意味着需要隔离不同的电力系统？如果不想让机械师分割1000伏的电缆，就需要非常仔细地检查布线，确保每条电缆都有正确的标识，并用金属屏蔽进行保护。那么，如何让它变得轻便呢？大多数飞机电缆的设计工作高度为30000英尺以上，因此可以开始考虑更薄的绝缘材料，因为eVTOL整机将在较低的高度运行；这些电缆的横截面大多是圆形的，但现在可以开始考虑使用不同的优化几何形状。更紧凑的空间意味着可以把电缆铺平。在传统航空中，发动机是一种静态机械装置，发电系统通过直线电缆连接到飞机上。铰接是一种新现象，电缆在飞行过程中不断弯曲。在TE的医疗部门，设计了具有高弯曲寿命的超声波电缆，但这是对航空电源电缆的新要求，必须为数千个弯曲设计这些电缆，这些弯曲将受到新的检查和维护程序的约束。TE在许多不同的市场运营，可以利用这种多样化的经验来制造更好的eVTOL系统。多年来，TE一直在与电动汽车和其他电动地面整机和数据中心合作，自动驾驶汽车本质上通常是一个飞行数据中心。因此，在设计高速连接系统方面拥有丰富的经验，并了解坚固的可靠性、高速数据性能、电源开关产品。如何看待这项技术在未来几年的发展？
NASA已经制定了一个概念性路线图，表明像eVTOL这样的小型飞机可能需要1000伏直流电池供电，但随着飞机尺寸的增加，所需的功率将发生数量级的变化。从系统架构的角度来看待这个问题。当与客户交谈时，需要将已知与未知区分开来。已知的问题是，如何充电？这是一个什么样的系统？使用什么样的插头，插座是什么样子的？是否在利用现有的标准？需要为航空航天重新发明吗？航空航天产品必须在高空运行，而大多数充电标准都是基于地面车辆的。然后必须看电池类型：电池、棱柱形电池和袋式电池。它们之间的联系是什么？如今，许多客户设计自己的电池，电动飞机制造商将为他们的飞机提供不同的功率和形状尺寸。一些将电池放在机翼上，而另一些则放在机身上。然后是配电中心和电池互连系统，需要不同类型的电缆。一些电缆需要不同的灵活性，而另一些电缆则需要为狭小的空间设计。是否制定了所有的标准和规定？
这些标准正在开发中。SAE International成立了一系列电推进小组，分为几个小组委员会进行研究，如电气布线互连系统和能源充电储能转换工作组。这个问题关系到安全水平。如果紧急降落或螺旋桨被鸟撞到，导致发动机熄火，那么一切都会承受更大的压力。在传统飞机上，可能需要比飞行所需多30%的燃料，但对于eVTOL，这些要求仍在定义中。电池带来了不同的冗余挑战。当电池充满电时，当电量处于刻度的底位时，电量和能量会有很大不同。温度可以产生影响。中东的环境可能非常恶劣：非常炎热、尘土飞扬。在这样的环境中，需要保持干净，所以必须为此进行设计。海拔高度是影响电压要求的另一个因素。因此，就维护挑战而言，每年可能都需要更换电缆，以考虑弯曲、应变和机械疲劳。这类似于更换汽车中的火花塞和相应的电气系统。![]()
设计这些新系统的挑战如何影响供应商和OEM之间的关系？
TE不会让一根线自己存在；每个产品都旨在在特定的平台上工作，在这个行业中，从TE制造它的地方到如何测试它，以及客户如何使用它，一切都会得到认证。因此，客户可以确保产品是为预期的功能而设计的：飞行剖面、发动机、对产品的要求，如温度、载流、电压和潜在的热暴露。如果在机舱内，必须经过火焰、烟雾和毒性测试。这就是为什么合作伙伴如此重要——需要与客户密切合作，准确了解产品的使用方式和地点。许多eVTOL制造商希望使用为汽车行业开发的电气系统设计。但如何确保其中哪些适合航空航天领域？在机械配置中，测试组件如何承受冲击、振动和碰撞。TE着眼于生命终结的挑战。当系统和结构在高温下运行时，塑料开始降解，弹簧应力松弛，连接器的电阻增加。
电气故障的最大挑战是热失控。随着时间的推移会失去效率，电力系统也会变得非常热。连接器可能会熔化、短路并引发火灾。所以需要减轻这种影响。TE在这些系统中添加了一个额外的功能，称为高压联锁——一个单独的电路，这样连接器就具有一定程度的智能，以防断开带电电路。产品更换的维护要求就像普通飞机一样。在飞行了这么多小时后，对发动机的完整性进行评估，电气系统也应如此。eVTOL为新系统设计带来了哪些机遇？
航空航天业喜欢利用经过验证的技术。人们倾向于使用传统材料镀导体——电缆、连接器触点或电源开关中的其他材料。TE研究材料的优化时，认为可以创新而不仅仅是依赖50年前的技术。许多MIL规格的卷曲已经存在了几十年，虽然是足够的，但并没有得到优化。因此，在压接这些电缆时，正在通过使用铝导体来减轻重量，铝导体并不新鲜，但可以以新的方式使用。高性能聚合物有时具有铝的强度，但重量更轻，尽管尚未获得航空航天认证。希望利用人工智能来研究如何使用这些新材料，甚至更深奥的材料，如石墨烯，一种可以形成三维结构的二维结构，如碳纳米管。
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