上週剛落幕的「台北國際航太暨國防工業展」，展示了從國防到民用的多項創新空中技術；同時，俄烏戰爭中無人機的戰術應用，也再次凸顯先進空中機動性（AAM）的重要性。隨著電動垂直起降（eVTOL）與自主導航飛行器的快速發展，航空設計正面臨前所未有的挑戰。本文將帶您深入探討如何透過 Ansys STK 數位任務工程軟體，協助工程師在未知的任務環境中打造下一代航空解決方案。

作者：Robert Etter | Product Manager, Ansys, part of Synopsys

先進空中機動性：一場設計革命

先進空中機動性（AAM）是航空航太業的一個分支，融合了對下一代技術的支持，有可能徹底改變交通運輸方式。然而，這只有在飛機設計上也發生類似的革命才能實現。

空對空飛彈需要一種全新的飛行器：這種飛行器需要電力驅動，具備垂直起降 (VTOL) 能力，具備不同程度的自主性，並且能夠在飛機間隔以英尺而非英里為單位的情況下成功導航。設計融合如此多新技術的飛行器本身就已十分困難，但除了這些技術挑戰之外，空對空飛彈飛行剖面和任務的複雜性和不確定性也至關重要。這意味著對空對空飛彈飛行器的性能要求仍將不斷變化。

與AAM不同，傳統飛行器設計是基於現有設計和任務的演變。首先，傳統飛行器設計始於對需求的考量。設計概念必須根據類似設計的歷史資料進行評估，以確定其可行性和重量是否符合要求，並不斷進行調整和修訂，從而改進技術。從最初的概念和基準重量開始，設計逐步解決氣動、推進、有效載荷和結構等子組件問題。設計師還必須做出某些權衡，以滿足重量限制和任務要求。

 Ansys Systems Tool Kit (STK) 數位任務工程 (DME) 軟體可用於定義連接到車輛的基本發射器，並分析飛行期間在城市環境中的發射器性能。 

揭示 AAM 設計中的挑戰

由於技術相對較新且不成熟、飛行模式複雜以及專有性能數據有限， eVTOL 飛機的設計是一項艱鉅的任務。首先，用於建造 AAM 的電動垂直起降 (eVTOL) 飛行器是一項新技術，缺乏歷史數據。這意味著很難為飛機尺寸制定初始基準。此外，這些技術的快速發展意味著缺乏一個穩定的基準來定義基本的設計參數。

此外，飛機設計往往是相互關聯的。例如，增加載重可能需要更大的發動機或機翼，這進一步增加了飛機的總重量。如果沒有歷史數據來幫助確定合理的設計點和要求，設計師可能會設計出要麼過於激進、難以實現，要麼過於保守、缺乏競爭力的設計。

在未知領域創新

應對多種新技術的難度因未知的營運模式而加劇。飛行器在巡航、爬升、速度和飛行距離方面的性能通常基於歷史操作模型，這些性能用於確定需求並構成飛機設計的基礎。然而，AAM 對定義商業模式和獲利營運提出了全新的挑戰。我們在《先進空中機動性：利用測距測量 (DME) 理解複雜任務挑戰》中探討了其中一些挑戰，包括空域管理、噪音水平、高效航跡、可用著陸區和通訊覆蓋範圍。

更複雜的是，仍在開發中的技術的可行性會影響其中一些作戰決策。與傳統的飛機研發不同，我們對空對空飛彈的空域結構和獲利運作模式只能進行推測。因此，我們面臨著理想營運方案和設計可能性之間相互耦合的不確定性悖論。

AAM 飛行器設計的挑戰在眾多方案中顯而易見。商用飛機設計自萊特兄弟首次飛行以來，經過三十多年的發展最終確定了最佳佈局。在機場，客機設計中唯一明顯的差異（除了整體尺寸）在於兩台引擎是位於尾部還是機翼下方。如下圖所示，AAM 設計種類繁多：多旋翼、傾轉旋翼、傾轉翼以及升力+巡航等構型均由多家公司開發。

除了飛行器設計（例如結構、翼型和推進系統）之外，我們還必須考慮任務系統的設計。任務系統並非飛行的必需品，但它們使飛機能夠安全地完成飛行任務。這些系統包括通訊、導航、監視 (CNS) 系統和航空電子設備。與飛行器一樣，空對空飛彈 (AAM) 飛機也面臨許多挑戰。例如，為了支援NASA在一個大都會區域同時執行數百次任務的願景，空對飛彈飛機需要比現有飛機更複雜的 CNS 和資料管理系統，以確保即使在電磁 (EM) 環境複雜的城市地區也能安全飛行並保持態勢感知。

透過模擬連接設計與營運

Ansys Systems Tool Kit (STK) 數位任務工程 (DME) 軟體提供了一種新方法，有助於應對這些挑戰。如前所述， STK 軟體可以數位化地呈現空對空飛彈 (AAM) 任務環境中的許多複雜性。建構完整的數位任務模型使工程師能夠輕鬆評估一系列操作假設，並量化這些條件下的效能參數。面對任務不確定性和技術變革，STK 軟體提供了一種全新、敏捷的飛機設計方法。

STK 軟體可在 eVTOL 和 AAM 的開放系統和任務設計環境中增強飛機設計。 Ansys 研究了三種代表 eVTOL 潛在設計範圍的概念飛機：多旋翼機、傾轉旋翼機和升力+巡航 概念飛機。

對於這些設計，僅考慮了一組簡化的任務變數：

1. 射程，長（80 公里）或短（20 公里）

2. 100 英尺非擁塞區域或 500 英尺擁塞區域所需的垂直爬升

此外，還評估了基於預期噪音產生的最低飛行高度方面的噪音要求。 STK 軟體的任務環境用於快速評估不同任務和設計假設下每個概念的能耗。在這種情況下，每種設計都有其理想的應用場景：長距離無擁塞、短距離無擁塞或短距離擁塞。

此範例展示如何量化不同新技術的任務和業務相關效能，並了解這些技術在何種任務假設下最有效。您可以輕鬆地將簡單的任務參數擴展為更大、更複雜的因素。 STK 軟體現有的 Python 應用程式介面 (API)，以及其他 Ansys 工具，例如Ansys ModelCenter 基於模型的系統工程 (MBSE)軟體和Ansys optiSLang 流程整合與設計最佳化軟體，有助於針對多種操作假設對不同設計參數進行權衡研究和敏感度分析。這使飛機設計師能夠做出明智的設計和技術投資決策。它還能幫助潛在運營商確定其飛行器在各種操作和設計變數下的設計要求。

使用 DME 軟體解決挑戰

任務系統面臨挑戰，因為預期這些系統的需求會越來越高，而且由於缺乏關於 CNS 要求的既定指南，設計也需要靈活性。 DME 軟體可以透過串聯建模城市電磁環境和不同的 CNS 子系統設計，幫助製造商、監管機構和營運商確定這些要求。在下圖中，STK 軟體可用於定義連接到車輛的基本發射器，以分析飛行過程中發射器在城市環境中的表現。

定義發射機並追蹤電磁性能提高單架或多架飛機沿航線的信噪比 (SnR) 將有利於基礎設施、飛機和規則設計，從而避免飛行進入中樞神經系統 (CNS) 盲區。隨著天空變得越來越擁擠，這也將確保所有空對空飛彈 (AAM) 參與者擁有充足的通訊和態勢感知能力。

跟上 eVTOL 設計和 AAM 營運的步伐面臨諸多挑戰，但這也為革新航空運輸和航空設計的新開發方法提供了機會。 DME軟體是敏捷數位化設計流程的關鍵組成部分，它將使 eVTOL 的各個方面都能夠圍繞安全、有效且盈利的 AAM 營運進行設計。

資料來源：Ansys Blog