當您在繁忙車陣中動彈不得時，或許會思考，是否有更好的方式能穿越人口稠密地區。如果交通不再局限於地面，而是在三維空間中進行短距離移動，將可能帶來全新的運輸模式。
雖然聽起來像是科幻情節，但相關概念已逐漸成形。電動垂直起降(electric Vertical Take-off and Landingaircraft, eVTOL)載具便是一例。eVTOL是一種無需跑道即可起降的小型飛行器，可望在空間受限的郊區與都市地區運作。
eVTOL也被視為先進空中交通(Advanced Air Mobility, AAM)的重要角色之一。AAM旨在透過新型、高效率且具永續性的載人與無人運輸方式，拓展航空產業的應用面向。AAM的服務範圍廣泛，從緊急服務到大眾運輸皆能受惠。
然而，eVTOL將如何促成AAM的發展？創新者又會面臨哪些挑戰與機會？@3:AAM與eVTOL發展概況
雖然AAM的確切發展時程仍有不同看法，但美國航太學會(American Institute of Aeronautics and Astronautics, AIAA)航空部資深總監Jim Sherman指出，AAM的起源可追溯至2009年的NASA Puffin專案，該專案被視為早期eVTOL的概念。2010年，Joby Aviation開始布局商用eVTOL。隨後數年間，電動飛行與垂直起降市場快速成長，歸功於Archer、Vertical Aerospace、Lilium與Volocopter等公司推動了相關的研發動能。
Sherman表示，AAM的核心技術雖發展多年，但直到約2020年，NASA才正式提出「先進空中交通」一詞，以更明確界定相關研究方向。此後，AAM逐步括展至多個子領域，包括用於郊區航空運輸的區域空中交通(Regional Air Mobility, RAM)，以及利用中小型無人機在都市低空進行航空運輸的城市空中交通(Urban Air Mobility, UAM)。
雖然早期投入AAM與eVTOL領域的熱潮已趨平緩，但Archer、Joby Aviation與Vertical Aerospace等企業已逐漸建立市場地位。其中，Joby Aviation與Archer預計在未來幾年內完成飛機相關認證。另一家公司OneSky則致力於開發低空交通管理系統，以整合無人機交通管理(Unmanned Traffic Management, UTM)與AAM航線運行。
eVTOL本身則屬於AAM的一部分，並可應用於多種情境。Sherman表示，如貨運領域即具備了相對成熟的商業可行性，例如短程運輸或器官遞送等具時間敏感性的任務。
至於以載客服務為主的空中計程車模式，Sherman認為其發展時程將更為漫長。若相關挑戰得以解決，eVTOL便可應用於高密度地區的短程移動，並可能擴大至支援RAM，如觀光或機場接駁等用途。
在技術脈絡上，電力驅動技術在汽車產業已累積多年經驗，因此Evtol在某種程度上延續了既有發展。「其技術演進可追溯至Prius誕生之初，並一路推展至今。」Sherman表示。然而，儘管eVTOL逐漸成為AAM的重要組成部分，開發者仍需面對多項挑戰。
eVTOL開發主要挑戰
雖然eVTOL是AAM的重要元素，但距離大規模部署仍有一定距離。根據Sherman與Ansys(現已與Synopsys合而為一)傑出工程師Prem Andrade的說法，工程師在設計與開發eVTOL時將面臨以下主要挑戰：
- 確保安全
所有產品都必須符合現行及即將制定的安全標準，例如美國聯邦航空總署(Federal Aviation Administration, FAA)與歐洲聯盟航空安全局(European Union Aviation Safety Agency, EASA)的規範。
- 提升效率和永續性
eVTOL相較直升機具備一定效率，並隨著技術演進而進一步提升，這牽涉到更高效率的電力系統與電池設計。
- 降低噪音
雖然eVTOL的噪音已遠低於直升機，但如何持續減少對環境的噪音影響仍是重要課題。
- 建置基礎設施
需規劃可因應飛行器下方強烈下洗氣流與周圍外流氣流的垂直起降場，並建立適合快速充電的相關設施。
- 在城市環境中部署
城市運作需考量建築物繞飛、風況力變化，以及合適的降落與充電場所等挑戰。
這些挑戰會隨時間變化，因此eVTOL開發者在設計與規劃上必須具備彈性與調適能力。例如，EASA已表示希望eVTOL達到與商用客機相等的安全標準。這將增加成本與測試規模，以滿足備援性與可靠性需求。
又如過去10年間，聯邦航空法規(Federal Aviation Regulations, FAR)第23部分多次修訂，由強制規範逐步轉向驗證導向。雖然目前尚無企業完全通過新的流程，但eVTOL開發商如Joby Aviation 與Archer等，將在取得認證時面臨相關挑戰。
為使eVTOL能在未來的AAM體系中運作，工程師必須在設計最佳化、技術挑戰、基礎設施建置與法規調適間取得平衡。
推進AAM發展的策略
上述挑戰對推動發展至關重要，但在實際執行上極為不易。為提升開發效率，越來越多企業導入模擬工具，以實現最佳化設計與驗證安全性，以提升整體AAM系統的可靠性。
eVTOL設計模擬應用
透過使用多物理模擬工具，工程師能更全面地分析eVTOL設計，有助於縮開發週期，加速AAM相關應用的推進。
例如，在降低噪音方面，可透過流體模擬軟體，建立壓力波與聲學模型，以分析、比較不同設計版本在聲學上的差異。
聲學建模只是模擬軟體協助設計最佳化的其中一項應用，其他使用情境涵蓋了電磁、光學、熱能、結構與空氣動力分析，並可應用於設計最佳化、結構分析、電池熱管理、推進系統最佳化、電光/紅外線(Electro-Optical Infrared, EO/IR)感應器分析等領域。
以模擬提升安全性與合規效率
eVTOL設計者與製造商可運用模擬技術，更有效率地達成安全性驗證、法規符合性與認證需求。主要應用包括：
- 建立用於安全監控的數位分身(Digital Twin)，例如預測性健康管理與維護
- 使用人工智慧與機器學習(AI/ML)協助執行輕量化驗證測試
- 針對自動化系統進行安全驗證
- 採用虛擬驗證、驗證與分析認證(CbA)的方法，以符合現行標準，例如美國SAE International制定的《民用航空器與系統開發指南》(ARP4754B)，以及美國國防部軍規MIL-STD-882E《系統安全》
Sherman表示，能在短時間內執行大量測試並進行模擬，是加速產品安全驗證的關鍵。模擬工具有助於確認安全關鍵元件的安全性、可靠性、法規符合性與整體可信度，而這些因素對AAM的落地與普及極為重要。
AAM與eVTOL的未來展望
AAM與eVTOL擁有重塑未來交通模式的潛力，尤其是在城市與郊區間的短程移動、貨物運輸與緊急醫療支援等領域。Andrade指出：「全球eVTOL市場規模預計在2030年達到234億美元。」
推動eVTOL與AAM持續發展的幾項關鍵技術包括：
自動化
自動化系統的採用在民用航太領域仍需一段時間，但在國防應用中已屬重要技術。
數位分身
數位分身可透過模型驅動方法支援預測性健康管理與資產的狀態監控，其優勢可分為兩大類：
- 在設計與開發階段，以虛擬方式研究並優化進設計
- 在進入運作後，協助評估異常狀況、執行預防性分析等
OTA更新
隨著飛行器設計日益複雜且多屬於關鍵任務型系統，要維持定期更新與符合法規極為困難。如透過OTA更新，工程師可直接在執行現場為載具部署軟體更新，有助於提升整體運作效率。
展望未來，Sherman表示：「我希望eVTOL與AAM能發展成為一個真正成熟的產業。」。
他所描繪的遠景，是一個人人都能負擔得起eVTOL服務的世界。這些飛行器將具備高效率、可持續演進，且最重要的是能在日常中發揮實際價值。
(本文作者為Ansys(已與Synopsys合而為一)企業溝通經理)
