具有可持续结构和智能电池系统的自主货运无人机

ALBACOPTER——介于多旋翼和滑翔机之间的交叉

城市空中交通（UAM）不仅仅在运输货物方面开辟了新的潜力：如果一些城市交通通过空中运输，这也将为可持续交通解决方案提供全新的方法。在Fraunhofer ALBACPTER灯塔项目中，六个Fraunhoffer研究所正在解决与UAM相关的技术和社会问题。

由弗劳恩霍夫运输和基础设施系统研究所(Fraunhofer Institute for Transportation and Infrastructure Systems IVI)领导的研究人员从信天翁那里获得灵感，开发出了一种滑翔效率特别高的飞机。该设备和其他亮点将于2023年9月5日至8日在慕尼黑IAA MOBILITY贸易展的弗劳恩霍夫联合展位(D11, B1馆)展出。

UAM受到飞机和系统技术的严格要求，包括安全，安静的垂直起降系统，在悬停时也可以提供非常强大的推进性能。

城市航空运输的挑战

电动多旋翼直升机提供垂直起降灵活性的好处，同时也满足安全和环境标准;然而，由于它们的低效率和低能量存储密度，它们的射程和有效载荷能力极其有限。更大的机翼可以显著改善飞行器的能量平衡，使它们能够长时间滑翔。

另一方面，这些机翼会阻碍飞机在城市地区的起飞和降落。此外，为了使UAM在经济上可行，将需要自主飞行的垂直起降飞机;然而，这涉及到基于人工智能的控制系统，这带来了进一步的安全风险。

出于这个原因，可以假设，在未来，UAM将通过多种途径建立起来，所涉及的航空航天技术将与它们在物流无人机、空中出租车、救援和监视无人机以及农业工程等领域的用例一样多种多样。

弗劳恩霍夫ALBACOPTER灯塔项目

这些因素促使弗劳恩霍夫灯塔项目于2021年启动，其目标是建立一个飞行平台，可以将多架直升机的敏捷性与滑翔机的效率结合起来。Fraunhofer IVI项目经理兼主任Matthias Klingner教授解释说:“通过ALBACOPTER，我们的目标是开发一种实验飞机，将多架直升机的机动性与信天翁的长距离滑翔能力结合起来，以最少的能量使用。”

Klingner教授继续说道:“这款实验性垂直起降滑翔机的一些特殊功能包括由可持续材料制成的无人机机身和货物集装箱、高性能同轴推进系统、用于感知环境和监测功能的强大多传感器系统，以及包括基于人工智能的自动驾驶仪在内的故障安全机载电子系统。”该联盟通过汇集参与机构的专业知识，解决了这种无人机设计的复杂性。

数字孪生——基于模型的开发和验证的虚拟平台

可回收设计满足创新推进解决方案

Fraunhofer结构耐久性和系统可靠性研究所LBF设计了ALBACPTER的结构和空气动力学部件。对于该结构，Fraunhofer化学技术ICT研究所开发了拉挤型材，即拉挤纤维增强热塑性塑料，将其集成到空间框架机身结构中。

与由生物聚合物硬泡沫制成的运输容器一样，这些系统组件可以很容易地回收。Fraunhofer ICT主管Frank Henning教授解释道：“与目前通常配备直接驱动的eVTOL系统相比，ALBACPTER中使用的高效推进设计是基于具有多级传动和高功率密度的高速同步电机。”

该研究所不仅提供了新的推进技术，而且还提供了一个特殊的推进试验台，以便在实际条件下测试功率级别高达450千瓦的具有轴向能力的eVTOL推进系统。

“ALBACOPTER中的电池存储系统设计基于抗循环的二次电池，保证了高度可逆的充放电过程。我们对电池的降解和可能的失效机制进行了详细的调查，在特定性能要求的飞行阶段发生气流的情况下，”弗劳恩霍夫LBF主任Tobias Melz教授解释说。

尖端传感器和人工智能的安全第一

坚固、轻便、高性能的多传感器系统与Fraunhofer微电子电路和系统研究所IMS创建的敏感单光子激光雷达探测器相结合，实现360度环境监测。

Fraunhofer IVI高度自动化飞行小组经理Henri Meeß解释道：“然后，基于可靠的人工智能系统对环境进行语义三维重建。当与智能轨迹规划相结合时，这将实现自主（紧急）着陆等创新功能，这是ALBACPTER最重要的安全功能之一。”

当这些功能与故障安全RISC-V机载电气系统架构、连续监控、稳定的5G通信和冗余自动驾驶系统相结合时，其结果是整个系统能够满足无人机的所有高可靠性要求。

自动驾驶系统由Fraunhofer机电系统设计研究所IEM设计的基于模型的飞行姿态控制系统提供支持。这使飞机保持稳定，特别是在悬停和滑翔之间的关键过渡阶段。

从一开始就是自主的

ALBACPTER旨在作为Fraunhofer技术的示范，预计在未来五到八年内，快速增长的航空航天和物流行业对该技术的需求将增加。以可变后掠翼飞机和具有可伸缩机翼和枢转旋翼的多翼飞机为形式的混合式直升机滑翔机目前正成为直升机、多翼飞机和传统固定翼飞机之间的中间地带。作为一种垂直起降滑翔机，ALBACPTER将可用于测试所有这些不同的垂直起降技术。

研究人员正在使用合适的飞行模型、风洞实验、铁鸟试验台结构和对Fraunhofer光电子、系统技术和图像利用IOSB研究所开发的数字双胞胎的XiL系统模拟，分多个阶段验证他们的设计。翼展7米、有效载荷约25公斤的无人机将于2023年秋季发射