Bell enthüllt vollständiges Design für Nexus-Lufttaxi

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Bell hat für sein Lufttaxi-Fahrzeug, das Bell Nexus genannt wird, ein hybrides elektrisches Antriebssystem mit sechs kippbaren Impellern vorgestellt.

Der Nexus wurde in Form eines vollwertigen Modells auf der CES 2019 in Las Vegas, Nevada, vorgestellt, wo am Bell-Stand ein „zukünftiges Flugsteuerungserlebnis“ hinzukam, das das Unternehmen eingeführt hat, um das Design zu beeinflussen die Pilotenschnittstelle des Flugzeugs.

Scott Drennan, Vizepräsident für Innovation bei Bell, sagte, die Entwicklung der Technologien hinter dem Nexus läutete „eine neue Ära des Fliegens“ ein und glaubt, dass Mitte der 2020er Jahre ein tragfähiger kommerzieller Betrieb für diesen Typ möglich sein wird. Der Erstflug eines vollautonomen Technologiedemonstrators ist für Anfang der 2020er Jahre geplant.

„Das Konzept des Lufttaxi ist für uns eigentlich nichts Neues – wir befördern schon seit langem Menschen über städtische Hindernisse“, sagte Scott Drennan, Vizepräsident für Innovation bei Bell. „Was neu ist, ist die Entstehung und Entwicklung von Technologien, die einen sicheren, leisen, effizienten und vielleicht am wichtigsten erschwinglichen städtischen Luftmobilitätsbetrieb in großem Maßstab ermöglichen, indem kleine, stark automatisierte elektrische und hybridelektrische Vertikalflugzeuge eingesetzt werden.“

Laut Bell verdankt Nexus seinen Namen der Verbindung von Transport und Technologie sowie von Komfort und Bequemlichkeit. Und während der Nexus in Zusammenarbeit mit Uber entwickelt wird, betonte Drennan, dass Bell das Flugzeug nicht ausschließlich für das Mitfahr-Technologieunternehmen baut.

Es ist das zweite Jahr in Folge, dass Bell auf der CES auftritt – einem Mekka für die Präsentation der neuesten technologischen Entwicklungen und Innovationen aus der ganzen Welt – und folgt auf die Enthüllung des Modells des Nexus-Rumpfes auf der Veranstaltung vor 12 Monaten.

Die Veranstaltung wurde von Bell sorgfältig als perfektes Testgelände für die Technologie ausgewählt, da die „Early Adopter“-Teilnehmer genau die Art von Menschen sind, die wahrscheinlich die ersten Nutzer dieses neuen urbanen Luftmobilitätsprojekts sein werden. Und angesichts des Versprechens von Lufttaxis, den vertikalen Auftriebstransport einer breiten Masse zugänglich zu machen, ist eine frühzeitige Rückmeldung von Personen außerhalb der traditionellen Luftfahrtkreise von entscheidender Bedeutung.

„Es war der Wunsch, die „Zugänglichkeit“ des Flugzeugs zu verbessern, der bei der Wahl der Kanalventilatoren für den Nexus mitgeholfen hat, sagte Drennan.

„Wir glauben, dass [Menschen], die zum ersten Mal an ein Luftfahrzeug wie dieses herankommen, den verdeckten oder introvertierten Charakter unserer Rotorblätter hier zu schätzen wissen werden“, sagte er.

Das Flugzeug verfügt über drei vierblättrige Kanalventilatoren mit einem Durchmesser von jeweils etwa acht Fuß, die über der Türhöhe auf jeder Seite des Rumpfes angebracht sind. Die vorderen und hinteren Kanäle befinden sich nahe am Rumpf, während die mittleren Kanäle am Ende der kurzen „Flügel“ herausragen und dem Flugzeug eine scheibenförmige Grundfläche verleihen, die der Community für vertikale Starts und Landungen (VTOL) sehr vertraut ist.

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Drei Lüfter drehen sich im Uhrzeigersinn und drei gegen den Uhrzeigersinn, um das vom Flugzeug erzeugte Drehmoment auszugleichen. Die Drehzahlregelung erfolgt separat vom Motor, sodass dieser auch dann weiterläuft, wenn die Rotorblätter angehalten sind. Laut Bell können die Flügel des Ventilators extrem schnell starten und stoppen – was sich beim effizienten Be- und Entladen von Passagieren als äußerst hilfreich erweisen würde.

Die Rotoren und Kanäle des Flugzeugs sorgen nicht nur für den Schub, sondern dienen auch zur Steuerung der Nick-, Roll- und Gierbewegung des Flugzeugs.

Aufgrund der schieren Größe des Flugzeugs passt der Nexus in eine 40 Fuß mal 40 Fuß große Kiste. „Das ist kein Spielzeug“, sagte Drennan. „Ich denke, dass unsere ernsthaften Konkurrenten durchweg Fahrzeuge ähnlicher Größe zeigen werden.“

Bell glaubt, dass diese Fahrzeuggröße – mit einem Bruttogewicht von „ungefähr 6.000 Pfund“ und der Möglichkeit, vier Passagiere und einen Piloten zu befördern – den optimalen Punkt des potenziellen Lufttaxi-Marktes erreichen wird.

Die Kanäle des Flugzeugs spielen eine entscheidende Rolle dabei, dass es die Leistung erbringen kann, die es für den Transport solcher Lasten benötigt, und steigern so die vom Hybrid-Elektroantriebssystem des Nexus erzeugte Leistung. (Die Kanäle werden auch den Lärm, den der Nexus verursacht, auf ein Minimum reduzieren – ein entscheidender Faktor für die öffentliche Akzeptanz von Flotten solcher Flugzeuge in unserem städtischen Himmel.)

Ein neuer Ansatz zum Antrieb

Bei dem im Nexus verwendeten „Seriell-Hybrid-Elektroantriebssystem“ wird ein Turbinentriebwerk, ähnlich dem in einem herkömmlichen Hubschrauber verwendeten, dazu verwendet, einen elektrischen Generator anzutreiben und so Gleichstrom zu erzeugen. Dieser Strom wird dann über ein redundantes Stromsteuerungssystem an die sechs Ventilatoren des Flugzeugs verteilt.

Jeder Lüfter verfügt über einen Direktantriebselektromotor, wodurch ein Getriebe überflüssig wird und die Verbindungswellen eines herkömmlichen Hubschraubers durch Kabel ersetzt werden.

Der Nexus verfügt außerdem über eine Hochleistungsbatterie, die dem Flugzeug bei Bedarf zusätzliche Energie liefert (z. B. beim Start oder zum Schweben) und als redundante Energiequelle für das Gesamtsystem dient, wenn das Triebwerk ausfällt, sodass das Flugzeug dies tun kann aus eigener Kraft sicher landen.

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Dies sei ein wichtiges Sicherheitsmerkmal des Flugzeugs, sagte Drennan.

„Sie werden sehen, dass einige unserer Konkurrenten Fallschirme usw. verwenden [im Falle eines Triebwerksausfalls], und Bell wird das in der städtischen Umgebung, über die wir sprechen, nicht tun“, sagte er. „Wir glauben an den kontrollierten Abstieg zum Boden unter Strom.“

Laut Kyle Heironimus, Antriebsmanager beim Nexus, ist Einfachheit der Kern des Systems.

„Mit dieser Einfachheit gehen natürlich Zuverlässigkeit, geringere Wartungskosten und ein niedrigerer Anschaffungspreis einher“, sagte er.

Heironimus sagte, Bell habe sich für ein hybrides elektrisches Antriebssystem für das Flugzeug (anstelle eines vollelektrischen Systems) entschieden, nachdem er sich mit verschiedenen Interessengruppen beraten und die angestrebten Leistungskennzahlen für das Flugzeug ermittelt hatte

„Wir haben erkannt, dass mit der aktuell verfügbaren Technologie – und sogar der Technologie von morgen – eine Hybrid-Elektrolösung die beste Option ist, um diese Bandbreite an [betrieblicher] Flexibilität zu erfüllen“, sagte er.

Der Motor ist hinten im Fahrzeugdach integriert.

Obwohl Heironimus betonte, dass Bell den Einsatz vollelektrischer oder anderer Antriebsquellen in der Zukunft nicht ausgeschlossen hat, ist ein solcher Wechsel eindeutig nicht in den kurzfristigen Überlegungen des Unternehmens enthalten.

Er sagte, Safran, einer von Bells Partnern im Nexus-Programm, sei eines der wenigen Unternehmen auf der Welt, das alle Fähigkeiten unter einem Dach habe, um ein hybrides elektrisches Antriebssystem „für die Luft- und Raumfahrt“ zu entwickeln.

„Dazu gehören Turbinentriebwerke, Hochleistungselektromaschinen, Hochspannungsverteilung, und von entscheidender Bedeutung ist natürlich die Integration und Steuerung all dessen“, sagte er.

Im Juli 2018 schloss Safran seinen ersten Bodentest eines hybridelektrischen verteilten Antriebssystems auf einer speziell dafür gebauten Anlage in seinem Werk in der Nähe des Flughafens Pau-Pyrénées in Frankreich ab. „Dieser Test stellt einen großen Schritt nach vorne dar und zeigt unsere Fähigkeit, Hybridantriebslösungen für die Flugzeuge von morgen anzubieten“, sagte Jean-Baptiste Jarin, Vizepräsident des Hybridantriebssystemprogramms von Safran Helicopter Engines, in einer damals veröffentlichten Pressemitteilung.

Das System auf dem Prüfstand von Safran sei „eine sehr ähnliche Konfiguration“ wie das im Nexus verwendete System, sagte Heironimus.

Die von Electrical Power Systems hergestellte Batterie im Nexus besteht aus Zellen auf Lithium-Ionen-Basis, die in einem Paket mit Batteriemanagementsystem enthalten sind. Dies überwacht die Zellen und kann sie herunterfahren, wenn sie nicht sicher funktionieren, sagte Heironimus. Die chemische Zusammensetzung der Zellen könne sich bis zur Markteinführung des Flugzeugs Mitte der 2020er Jahre ändern, fügte er hinzu.

Der Nexus ist zunächst als bemanntes Flugzeug konzipiert, um eine größere Kundenakzeptanz zu erreichen. Für den großflächigen Einsatz des Flugzeugs strebt Bell jedoch einen vollständig autonomen Flug an. „Wir müssen zum autonomen Flug übergehen, damit das Business Case [für den Nexus] wirklich überzeugend und sinnvoll ist“, sagte Drennan.

Flugkontrolle neu denken

Jeff Epp, Leiter der Flugsteuerungssysteme für den Nexus, sagte, das System sei „anders als alles in der Vergangenheit“, mit einem verteilten Flugsteuerungssystem mit vollelektrischen Aktuatoren – also ohne Hydraulik.

Der Fly-by-Wire-Charakter des Systems ermöglicht die Flexibilität pilotierter oder autonomer Operationen und bietet die Möglichkeit für „unkonventionelle“ Steuerungen im Cockpit, sagte Epp. Bell arbeitet mit der Flugkontrollsystemgruppe von Thales mit Sitz in Montreal, Quebec, an den Steuerungen für den Nexus, während Moog Partner bei den Betätigungssystemen des Flugzeugs ist.

Das Gehirn des Nexus ist der Fahrzeugverwaltungscomputer (VMC), der die Flugzeugsysteme verwalten oder steuern kann. Dies wird in Zusammenarbeit mit Garmin entwickelt.

„Das Ziel des VMC besteht darin, der ultimative Pilotenassistent zu sein, der die Arbeitsbelastung des Piloten reduziert, das Situationsbewusstsein verbessert und die Sicherheit erhöht“, sagte Frankie Mazzei, Leiter der Avionik beim Nexus. Bell möchte, dass das VMC über Kommunikations- und Navigationsfunktionen verfügt, als Flugdirektor für das Flugsteuerungssystem fungiert und die Fähigkeit hat, Flugmanagement durchzuführen – das Hochladen und Speichern von Flugplänen zur Verwendung in dem Luftraum, in dem es tätig ist. Schließlich wird es mit vorhandenen Flugzeugsensoren und zukünftiger Sensortechnologie verbunden sein.

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Die genaue Art der Pilotenschnittstelle – die Bedienelemente, die der Pilot zum tatsächlichen Fliegen des Flugzeugs verwenden wird – wird noch ermittelt.

„Bisher hatten wir beim Bau von Fahrzeugen jeglicher Art immer eine genaue Vorstellung davon, was der Betreiber sein würde. Das tun wir jetzt nicht“, sagte Jim Gibson, ein experimenteller Testpilot bei Bell. „Die Industrie wirbt damit, dass Luftmobilität für die Massen sein wird, und Bell hofft sicherlich, dass es für die Massen sein wird, aber die Designherausforderung besteht darin, dass wir jetzt die Steuerungen und die Flugzeuge für die Massen entwerfen müssen.“

Um dies zu erreichen, fängt Bell bei Null an und untersucht, wie ein nicht fliegendes Mitglied der Öffentlichkeit mit der Flugsteuerung interagieren würde. Das Unternehmen hat „Future Flight Controls“-Simulatoren entwickelt, um die Daten zu sammeln, die es von potenziellen Betreibern benötigt, um zu verstehen, welche Designs für diejenigen am intuitivsten sind, die keine Erfahrung in der Luftfahrt haben, aber möglicherweise Lufttaxi-Flugzeuge wie den Nexus fliegen könnten .

Man hofft, dass die Simulatoren mit fester Basis – die sowohl Einzel- als auch Doppelsteuerungen sowie herkömmliche Hubschraubersteuerungen umfassen – zeigen werden, welche Aktionen und Schnittstellen für Nichtpiloten am einfachsten zur Steuerung eines Vertikalauftriebsflugzeugs zu verwenden sind. Eine kurze von den Teilnehmern vor jedem Flug ausgefüllte Umfrage zeigt, welche früheren Erfahrungen und Fähigkeiten (falls vorhanden) zu den Aktionen jedes Teilnehmers beigetragen haben.

Die Simulatoren werden zur CES und Heli-Expo sowie zu anderen Veranstaltungen mitgenommen, und Bell plant sogar, sie zu Schulen und Hochschulen zu bringen, um die zukünftige Zielgruppe potenzieller „Piloten“ anzusprechen.

Aufbau einer eVTOL-Strategie

Die eVTOL-Strategie von Bell basiert auf vier integrierten Frameworks: Betrieb, Regulierung, Fertigung und Technologie.

Der operative Rahmen des Unternehmens hilft ihm dabei, die Anforderungen für ein On-Demand-Netzwerk für urbane Luftmobilität zu definieren – von gesellschaftlichem Engagement über Infrastrukturentwicklung, Sicherheits- und Akustikaspekte bis hin zur entscheidenden Notwendigkeit, ein Endprodukt zu entwickeln, das tatsächlich erschwinglich ist.

Der regulatorische Teil des Puzzles umfasst laufende Gespräche mit der Federal Aviation Administration (FAA), der Europäischen Agentur für Flugsicherheit (EASA) und anderen Regulierungsakteuren, um einen integrierten Ansatz für Fahrzeug-, Betriebs- und Flugverkehrsanforderungen zu etablieren.

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„Wir sind fest davon überzeugt, dass die aktuellen Erwartungen an die Flugsicherheit von diesen neuen Fahrzeugen [und] von ihren Betriebsmodellen erfüllt und sogar übertroffen werden sollten, und dass die Betriebsinfrastruktur selbst dabei auch Risiken mindern muss“, sagte Drennan. „Ein ganzheitlicher Regulierungsansatz wird dazu beitragen, einen klaren Übergang zur Einhaltung und Betriebserlaubnis für urbane Luftmobilitätskonzepte zu schaffen.“

Der Fertigungsrahmen spiegelt die Bedeutung eines „zuverlässigen und wiederholbaren“ Fertigungs- und Montageprozesses für Nexus wider.

„Qualität und Sicherheit sind für uns alle grundlegende Erwartungen, daher konzentrieren sich die Bemühungen hier vor allem auf Kosten, Gewicht und Umweltauswirkungen“, sagte Drennan.

Schließlich wird das Technologie-Framework durch die Anforderungen der anderen drei Frameworks beeinflusst. Bell glaubt, dass damit durch die vom Unternehmen und seinen Partnern entwickelten Technologien die Grundlage für eine „neue Ära des Fliegens“ geschaffen wird.

Drennan glaubt, dass die Entwicklung der Technologie vielleicht der einfachste Aspekt ist, Flugzeuge wie den Nexus auf den Markt zu bringen.

„Es ist so einfach für alle, über die Technologie zu reden – sie begeistert alle und ist so etwas wie das, was die Ingenieure im Team sowieso tun“, sagte er. „Aber wir glauben, dass das Betriebsmodell, dieser erste Rahmen, eine Herausforderung sein wird. Wie wird der Luftraum verwaltet? Wie kommunizieren die Fahrzeuge nicht nur miteinander, sondern auch mit der Infrastruktur, mit der sie interagieren müssen, und dann auch zurück zum Hauptflugsicherungssystem? Ich denke also, dass das eine ziemlich gute Herausforderung sein wird.“

Die Öffentlichkeit kann den Nexus in voller Größe auf der CES und anschließend auf der Helicopter Association International (HAI) Heli-Expo 2019 in Atlanta, Georgia, sehen, die vom 5. bis 7. März stattfindet.

Bell brachte letztes Jahr ein Modell des Nexus-Rumpfes zur CES und zur Heli-Expo, wobei Ersteres als Gelegenheit diente, das Konzept der urbanen Luftmobilität einem neuen Kundenkreis vorzustellen. In diesem Jahr wird das Modell in Originalgröße (in einer Eins-zwei-zwei-Passagierkonfiguration) durch die zukünftigen Flugsteuerungssimulatoren und den APT-Multikopter ergänzt, den das Unternehmen entwickelt.

„Die Herausforderungen, vor denen unsere Bevölkerungszentren stehen, werden nicht verschwinden und können nicht mit herkömmlichen Mitteln gelöst werden“, sagte Drennan. „Es gibt noch viel zu tun, um ein tragfähiges städtisches Luftmobilitätsnetzwerk zu schaffen, aber wir glauben, dass die Zukunft real und möglich ist und in eine Stadt in Ihrer Nähe kommt.“