相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求于2014年8月29日提交的題為“systemandmethodsforimplementingregionalairtransitnetworkusinghybrid-electricaircraft”的美國臨時申請?zhí)?2/043990的權(quán)益，所述申請的全部內(nèi)容(包括附錄)出于所有目的通過引用并入本文。

背景技術(shù)：

運輸裝置和運輸系統(tǒng)是用于實現(xiàn)各地點之間貿(mào)易和人員流動的基礎(chǔ)設(shè)施的重要部分。因此，它們是經(jīng)濟(jì)增長、社會發(fā)展和區(qū)域有效治理所必要的服務(wù)。運輸裝置和系統(tǒng)用于在分配點之間移動商品，實現(xiàn)面對面的會議和討論，并且總體上促進(jìn)關(guān)系的發(fā)展。此外，由于已經(jīng)開發(fā)出新的運輸模式，行程時間和貨物運載能力得到了巨大改變，從而實現(xiàn)新的且通常更快的通信及商品和服務(wù)遞送方法。就這一點而言，多年來，已開發(fā)出數(shù)種主要類型的運輸系統(tǒng)；然而，每種類型與其他運輸模式相比通常具有其自己的焦點、優(yōu)點和缺點。

例如，在第一次動力飛行之后100多年的當(dāng)今美國，絕大多數(shù)(>97％)的區(qū)域性長途旅行(即50至500英里)是通過個人汽車完成的。雖然擁有廣泛鐵路系統(tǒng)的國家可將10-15％的旅行轉(zhuǎn)向鐵路，但這仍然將超過80％的旅行留給汽車來完成。因為這轉(zhuǎn)換成差的流動性(相對長的門對門時間)、造成污染并且給現(xiàn)有公路基礎(chǔ)設(shè)施帶來壓力，所以它是低效率的并且也可能不符合整個社會的最佳利益。然而，在這個范圍內(nèi)的當(dāng)前商務(wù)空中服務(wù)通常相對昂貴且不便。這種低效率的一個原因在于：較短的飛行距離意味著總行程時間的相當(dāng)大的部分(>70％)花費在地面上(其中此“地面”時間包括周轉(zhuǎn)機(jī)場、遍歷航站樓、在登機(jī)口處或者在停機(jī)坪上滑行)。因此，在這類情況下，空中運輸通常不是期望的運輸方式，并且目前用于不到1％的這種區(qū)域性旅行。

人員和貨物的航空運輸服務(wù)大約每15年增加一倍，從而實現(xiàn)前所未有的全球流動性和貨物分配。相比之下，區(qū)域性航程內(nèi)的空中旅行的相對較差的價值定位(并且因此其使用)可能被認(rèn)為是驚人的失??；在幾乎所有(94％)長途旅行都是區(qū)域性旅行的情況下更是如此。在這種意義上，顯然需要期望形式的區(qū)域性距離空中運輸，但缺乏滿足這種需要的期望系統(tǒng)。

這種未能開發(fā)出有效且高效的區(qū)域性空中運輸形式已導(dǎo)致門對門旅行時間的遲鈍，并且?guī)资陙硪殉蔀橄拗泼绹鲃有愿倪M(jìn)的重要因素。這是非常不希望的，因為受限的流動性影響商務(wù)和娛樂旅行、職業(yè)發(fā)展和機(jī)會、教育選擇以及有利于社會的發(fā)展和繁榮的其他因素。在某些方面，實際上，自20世紀(jì)60年代以來，區(qū)域性空中運輸?shù)目尚行砸呀?jīng)持續(xù)下降，因為航空公司已轉(zhuǎn)向更大的飛機(jī)和更長的航程來應(yīng)對競爭壓力并且降低每乘客每英里運輸費用。因此，目前的經(jīng)濟(jì)實力正在造成提供空中運輸?shù)漠?dāng)前方法持續(xù)遠(yuǎn)離本文所描述的系統(tǒng)和方法的類型。

如將要描述的，為區(qū)域性旅行提供空中運輸服務(wù)的常規(guī)途徑對于鼓勵潛在客戶廣泛使用的目的而言不夠方便或有效。本發(fā)明的實施方案涉及單獨地和共同地解決這些和其他問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

如本文所使用的術(shù)語“發(fā)明”、“所述發(fā)明”、“此發(fā)明”和“本發(fā)明”旨在廣泛地指代在本文檔和權(quán)利要求書中描述的所有主題。包含這些術(shù)語的陳述不應(yīng)理解為限制本文所描述的主題或者限制權(quán)利要求書的意義或范圍。本專利所涵蓋的本發(fā)明的實施方案由權(quán)利要求書而非本概述來限定。本概述是本發(fā)明的各個方面的高級綜述，并且介紹在下面的具體描述部分中進(jìn)一步描述的一些概念。本概述不旨在標(biāo)識出所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵、必需或必要特征，也不旨在單獨用于確定所要求保護(hù)的主題的范圍。應(yīng)通過參考本專利的整個說明書的適當(dāng)部分、任何或所有附圖以及每條權(quán)利要求來理解所述主題。

如發(fā)明人所認(rèn)識到的，現(xiàn)代航空服務(wù)未能解決區(qū)域性空中運輸?shù)男枰鞘褂贸Ｒ?guī)飛機(jī)技術(shù)的直接后果。

本領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知的是，對常規(guī)飛機(jī)的區(qū)域性操作進(jìn)行優(yōu)化導(dǎo)致設(shè)計和性能折衷，這不利地影響效率。例如，燃?xì)鉁u輪機(jī)(噴氣式發(fā)動機(jī)和渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī))在較低海拔高度和較慢速度下效率顯著降低，并且當(dāng)按比例縮放到較小大小時，效率進(jìn)一步損失。此外，短跑道操作對大小大于對于高效巡航性能最優(yōu)的大小的機(jī)翼和/或發(fā)動機(jī)強(qiáng)加負(fù)擔(dān)。因此，長程上的大型飛機(jī)提供最低的每乘客每英里操作成本，而距離<500英里以及飛機(jī)座位數(shù)少于100名乘客(或等效的25,000磅的貨物重量)的飛行成本快速地增加。應(yīng)注意，考慮到在地面上或在爬升模式中相對較差的效率，按比例縮小的燃?xì)鉁u輪機(jī)在短航程內(nèi)操作相對于在較長程內(nèi)操作的成本更大(其中對于較短航程，地面或爬升時間可表示總行程時間的顯著且相對較大的百分比)。

這種低效成本關(guān)系體現(xiàn)出當(dāng)今航空服務(wù)的許多方面。競爭壓力已驅(qū)使航空公司轉(zhuǎn)移到更大的飛機(jī)和更長的飛行。這已導(dǎo)致來自可產(chǎn)生足以支撐較大飛機(jī)的乘客量的較小數(shù)量的樞紐機(jī)場的飛行較少。例如，美國有大約13,500個機(jī)場；然而，70％的空中交通集中在29個樞紐并且96％集中在138個樞紐。來自小數(shù)量的越來越擁擠的樞紐的較少飛行加上長的地面運送時間進(jìn)而已導(dǎo)致空中運輸用于區(qū)域行旅行目的的相當(dāng)?shù)偷膶嵱眯浴４送?，因為航空公司試圖將需求集中到甚至更少的樞紐，航空公司近來對“運力紀(jì)律”的較重的重視已加劇了這個問題。

本發(fā)明的實施方案涉及用于通過提供更具成本效益且方便的區(qū)域性空中運輸系統(tǒng)來克服可用于區(qū)域性旅行的當(dāng)前空中運輸系統(tǒng)的缺點的系統(tǒng)、設(shè)備和方法。在一些實施方案中，本發(fā)明的空中運輸系統(tǒng)、操作方法和相關(guān)聯(lián)的飛機(jī)包括以下元件、功能或特征中的一個或多個：

1.高效的插入式串聯(lián)混合電動動力系統(tǒng)，其針對在區(qū)域性航程內(nèi)操作的飛機(jī)被專門優(yōu)化；

2.可前向兼容的航程優(yōu)化飛機(jī)設(shè)計，其使得隨著整體運輸系統(tǒng)和相關(guān)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展能夠更早地影響基于電動的空中旅行服務(wù)；以及

3.用于動力系統(tǒng)的半自動優(yōu)化和控制以及用于確定用于區(qū)域性距離混合電動飛機(jī)飛行的飛行路徑的半自動優(yōu)化的平臺。

在一個實施方案中，本發(fā)明涉及一種混合電動飛機(jī)，其中所述飛機(jī)包括：

能量源，所述能量源包括所存儲電能的源和由發(fā)電機(jī)提供的所產(chǎn)生能量的源；

動力系統(tǒng)，所述動力系統(tǒng)可操作來從能量源接收能量作為輸入并且作為響應(yīng)來操作一個或多個電動電機(jī)；

一個或多個推進(jìn)器，其中每個推進(jìn)器聯(lián)接到一個或多個電動電機(jī)中的至少一個；

編程有第一組指令的電子處理器，所述指令在被執(zhí)行時提供用于管理飛機(jī)的操作的一個或多個功能或過程，其中這些功能或過程包括用于以下各項的功能或過程：

確定飛機(jī)目前可用的所存儲電能和發(fā)電機(jī)燃料的量的狀態(tài)；

確定使飛機(jī)能夠到達(dá)其預(yù)期目的地所需的所存儲電能和發(fā)電機(jī)燃料的量；

確定可由飛機(jī)目前可用的所產(chǎn)生能量的源產(chǎn)生的能量的量；

確定如何最優(yōu)地從所存儲電能的源和所產(chǎn)生能量的源汲取能量；以及

在動力系統(tǒng)的部件失效或操作異常的情況下，確定動力系統(tǒng)的重新配置和用于繼續(xù)飛行的修訂的控制策略；

編程有第二組指令的電子處理器，所述指令在被執(zhí)行時提供用于為飛機(jī)計劃飛行的一個或多個功能或過程，其中這些功能或過程包括用于以下各項的功能或過程：

訪問關(guān)于飛機(jī)目前可用的所存儲電能和發(fā)電機(jī)燃料的總量的數(shù)據(jù)；

確定飛機(jī)目前可用的所存儲電能和發(fā)電機(jī)燃料的量是否足以使飛機(jī)能夠到達(dá)其預(yù)期目的地，其中這包括考慮其中排他地使用所存儲電能的第一飛機(jī)操作模式以及考慮其中使用所存儲電能和所產(chǎn)生能量的組合的第二飛機(jī)操作模式；

如果飛機(jī)目前可用的所存儲電能和發(fā)電機(jī)燃料的量足以使飛機(jī)能夠到達(dá)其預(yù)期目的地，那么計劃到達(dá)預(yù)期目的地的路線；

如果飛機(jī)目前可用的所存儲電能和發(fā)電機(jī)燃料的量足以使飛機(jī)能夠到達(dá)其預(yù)期目的地，那么計劃如何在到達(dá)預(yù)期目的地的所計劃路線上最優(yōu)地從所存儲電能的源和所產(chǎn)生能量的源汲取能量；

如果飛機(jī)目前可用的所存儲電能和發(fā)電機(jī)燃料的量不足以使飛機(jī)能夠到達(dá)其預(yù)期目的地，那么計劃到達(dá)中間目的地的路線，其中計劃到達(dá)中間目的地的路線還包括：

確定一個或多個可能的能量和/或燃料提供商；

確定可用的所存儲能量和發(fā)電機(jī)燃料是否足以到達(dá)所述提供商中的至少一個；

生成到達(dá)所述至少一個提供商的路線；以及

計劃如何在路線上最優(yōu)地汲取能量；以及

一個或多個通信元件，其可操作來使得能夠?qū)碜燥w機(jī)的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理平臺或操作者，并且可操作來從遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理平臺或操作者接收數(shù)據(jù)，以用于交換關(guān)于路線計劃或者再充電和再加油源中的一個或多個的數(shù)據(jù)。

在另一個實施方案中，本發(fā)明涉及一種區(qū)域性空中運輸系統(tǒng)，其包括：多個本發(fā)明混合電動飛機(jī)；多個飛機(jī)起飛點或著陸點，其中每個起飛點或著陸點包括再充電和再加油平臺，所述再充電和再加油平臺可操作來為所存儲電能的源提供再充電服務(wù)并且為所產(chǎn)生能量的源提供燃料；以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)或平臺，其中所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)或平臺可操作來向多個混合電動動力飛機(jī)中的一個或多個提供路線計劃數(shù)據(jù)。

在又一個實施方案中，本發(fā)明涉及一種非暫時性計算機(jī)可讀介質(zhì)，其上包含一組指令，其中所述一組指令在由編程電子處理元件執(zhí)行時致使包含電子處理元件的設(shè)備：

確定混合電動動力飛機(jī)目前可用的所存儲電能和發(fā)電機(jī)燃料的量的狀態(tài)；

確定使混合電動動力飛機(jī)能夠到達(dá)其預(yù)期目的地所需的所存儲電能和發(fā)電機(jī)燃料的量；

確定可由混合電動動力飛機(jī)目前可用的所產(chǎn)生能量的源產(chǎn)生的能量的量；

確定如何最優(yōu)地從所存儲電能的源和所產(chǎn)生能量的源汲取能量；并且

在動力系統(tǒng)中的部件失效或操作異常的情況下，確定動力系統(tǒng)的重新配置和用于繼續(xù)飛行的修訂的控制策略。

通過閱讀本發(fā)明的詳細(xì)描述和所包括的附圖，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將明白本發(fā)明的其他目標(biāo)和優(yōu)點。

附圖說明

將參考附圖描述根據(jù)本公開的本發(fā)明的各實施方案，其中：

圖1是示出可存在于本發(fā)明運輸系統(tǒng)100的實施方案的實現(xiàn)方式中的某些主要部件、元件和過程的圖；

圖2是示出可存在于本發(fā)明運輸系統(tǒng)200的實施方案的實現(xiàn)方式中的某些主要部件、元件、數(shù)據(jù)流和過程的圖；

圖3是進(jìn)一步示出可存在于本發(fā)明運輸系統(tǒng)300的實施方案的實現(xiàn)方式中的某些主要部件、元件和過程的圖；

圖3(a)是示出用于確定在目的地機(jī)場處所需的再充電和再加油服務(wù)并且可在本發(fā)明系統(tǒng)和方法的實施方案的實現(xiàn)方式中使用的過程、方法、操作或功能的流程圖或流程圖解；圖3(b)是示出用于確定在到達(dá)目的地機(jī)場的路線中的再充電和再加油服務(wù)并且可在本發(fā)明系統(tǒng)和方法的實施方案的實現(xiàn)方式中使用的過程、方法、操作或功能的流程圖或流程圖解；

圖4是進(jìn)一步示出可存在于本發(fā)明運輸系統(tǒng)400的實施方案的實現(xiàn)方式中的某些主要部件、元件和過程的圖；

圖5是示出可在本發(fā)明區(qū)域性空中運輸系統(tǒng)的實現(xiàn)方式中使用的本發(fā)明航程優(yōu)化混合電動飛機(jī)500的實例的圖；

圖6是示出可在作為本發(fā)明空中運輸系統(tǒng)的一部分的電動混合飛機(jī)的實施方案中使用的整合變距電涵道風(fēng)扇的推進(jìn)系統(tǒng)600的圖；

圖7是示出可在用作本發(fā)明空中運輸系統(tǒng)的一部分的電動混合飛機(jī)的實施方案中使用的動力系統(tǒng)700及其相關(guān)聯(lián)元件的圖；

圖8是用于可在實現(xiàn)本發(fā)明運輸系統(tǒng)的實施方案中使用的代表性飛機(jī)的串聯(lián)混合驅(qū)動配置800的示意圖；

圖9是示出用于由本發(fā)明飛機(jī)的實施方案的飛行員使用的示例性用戶接口900的圖；

圖10是示出可在可用作本發(fā)明空中運輸系統(tǒng)的一部分的電動混合飛機(jī)的實施方案中使用的動力系統(tǒng)優(yōu)化和控制系統(tǒng)(pocs)的主要功能元件或模塊的圖；

圖11是示出本發(fā)明空中運輸系統(tǒng)的實施方案中的可被訪問并用于控制或修改飛機(jī)上過程的pocs的主要功能元件或模塊的圖；

圖12示出用于示例性動力系統(tǒng)1200的接口配置，所述示例性動力系統(tǒng)1200由若干接口/連接器1202聯(lián)接到機(jī)載pocs，以用于感測性能參數(shù)并向動力系統(tǒng)或其控制系統(tǒng)的部件返回控制信號的目的；

圖13是示出本發(fā)明區(qū)域性空中運輸系統(tǒng)的實施方案中的飛機(jī)的示例性飛行路徑優(yōu)化的圖，所述示例性飛行路徑優(yōu)化可由飛行路徑優(yōu)化平臺(fpop)生成并且至少部分地用于控制飛機(jī)的操作；

圖14是示出飛行路徑優(yōu)化平臺(fpop)的某些輸入、功能和輸出的流程圖或流程圖解，所述飛行路徑優(yōu)化平臺可用于確定或修訂可用作本發(fā)明空中運輸系統(tǒng)的一部分的電動混合飛機(jī)的飛行路徑；

圖15是示出可用于實現(xiàn)本發(fā)明空中運輸系統(tǒng)的實施方案的混合電動飛機(jī)設(shè)計過程的流程圖或流程圖解；

圖16是根據(jù)本文所描述的原理和過程設(shè)計的混合電動飛機(jī)的實例的圖；

圖17是示出某種飛機(jī)和推進(jìn)器配置的隨飛行高度和所需功率變化的效率的圖；

圖18是示出可用作實現(xiàn)本發(fā)明區(qū)域性空中運輸系統(tǒng)的實施方案的一部分的若干區(qū)域性地區(qū)和相關(guān)聯(lián)的機(jī)場或著陸區(qū)的圖；并且

圖19是示出可存在于被配置來實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的實施方案的方法、過程、功能或操作的計算機(jī)裝置或系統(tǒng)1900中的元件或部件的圖。

應(yīng)注意，貫穿本公開和附圖使用相同數(shù)字指代相似部件和特征。

具體實施方式

本文中具體描述本發(fā)明的實施方案的主題以滿足法定要求，但是此描述不一定旨在限制權(quán)利要求書的范圍。所要求保護(hù)的主題可以其他方式體現(xiàn)，可包括不同的元件或步驟，并且可與其他現(xiàn)有或未來技術(shù)結(jié)合使用。此描述不應(yīng)被解釋為暗示各個步驟或元件之中或之間的任何特定順序或布置，除非明確描述單獨步驟的順序或元件布置的時候。

下文將參照附圖更全面地描述本發(fā)明的實施方案，附圖形成本發(fā)明的一部分并且通過圖示的方式示出可供實施本發(fā)明的示例性實施方案。然而，本發(fā)明可以按許多不同的形式來體現(xiàn)并且不應(yīng)被理解為限制于本文所陳述的實施方案；相反，提供這些實施方案，使得本公開將滿足法定要求并將本發(fā)明的范圍傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。

除其他事項之外，本發(fā)明可整體或部分地體現(xiàn)為系統(tǒng)、一種或多種方法、飛機(jī)或運輸系統(tǒng)的一個或多個元件、飛機(jī)(飛行)控制系統(tǒng)或區(qū)域性飛機(jī)運輸系統(tǒng)控制系統(tǒng)的一個或多個元件或功能模塊、或者一個或多個裝置。本發(fā)明的實施方案可采取硬件實現(xiàn)的實施方案、軟件實現(xiàn)的實施方案或組合軟件和硬件方面的實施方案的形式。例如，在一些實施方案中，本文描述的用于在飛機(jī)或運輸系統(tǒng)的飛行控制(或其他形式的控制)中使用的操作、功能、過程或方法中的一個或多個可由一個或多個合適的處理元件(例如處理器、微處理器、cpu、控制器等)來實現(xiàn)，所述一個或多個合適的處理元件是客戶端裝置、服務(wù)器或其他形式的計算或數(shù)據(jù)處理裝置/平臺的一部分并且編程有一組可執(zhí)行指令(例如，軟件指令)，其中所述指令可存儲在合適的數(shù)據(jù)存儲元件中。在一些實施方案中，本文所描述的操作、功能、過程或方法中的一個或多個可由專用形式的硬件(諸如可編程門陣列、專用集成電路(asic)等)來實現(xiàn)。因此，以下詳細(xì)描述不以限制性意義來理解。

在描述本發(fā)明飛機(jī)和相關(guān)聯(lián)的區(qū)域性空中運輸網(wǎng)絡(luò)的多個實施方案之前，應(yīng)注意，本文中可使用以下縮略語或術(shù)語，并且這些縮略語或術(shù)語意味著具有至少關(guān)于概念、過程或元件所指示的含義：

●ads-b：廣播式自動相關(guān)監(jiān)測—允許nextgen空中交通管制的空對空和空對地通信和數(shù)據(jù)。

●atc：空中交通管制—是指控制器和分配給飛機(jī)的飛行路徑兩者。

●bpf：涵道風(fēng)扇的葉片通過頻率，以hz為單位。被計算為旋轉(zhuǎn)頻率(hz)除以葉片數(shù)。

●常規(guī)飛機(jī)發(fā)動機(jī)：目前用于提供飛機(jī)推進(jìn)力的燃機(jī)，包括但不限于往復(fù)式或旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)、渦輪噴氣發(fā)動機(jī)、渦輪風(fēng)扇和沖壓式噴氣發(fā)動機(jī)。

●cot：時間成本—在此上下文中是指乘客或有效載荷的時間成本。例如，商務(wù)噴氣機(jī)為它們的乘客分配非常高的時間成本，而貨物具有低得多的cot。是特定乘客、一件貨物等的時間量的“價值”(并且因此是定價因素)的量度。

●doc：直接操作成本，被計算為能量(燃料和/或電力)、能量存儲單元攤銷以及機(jī)架和增程發(fā)電機(jī)或發(fā)動機(jī)的維護(hù)儲備的總和。

●涵道風(fēng)扇：位于軸流涵道中的多葉片空氣動力推進(jìn)器。涵道被成形來使風(fēng)扇的效率最大化。

●fms：飛行管理系統(tǒng)，即通過自動駕駛和自動油門接口控制飛機(jī)的集成計算機(jī)系統(tǒng)。fms通常在起飛之前進(jìn)行編程，并且可在去往目的地的大部分或全部路途上在沒有飛行員干預(yù)的情況下使飛機(jī)飛行。

●i：以每小時為基礎(chǔ)的間接操作成本，包括機(jī)架折舊、機(jī)組成本、保險等。

●馬赫數(shù)：交通工具正在移動的聲速的分?jǐn)?shù)。

●增程發(fā)電機(jī)：可由內(nèi)燃機(jī)組成，每個內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動一個或多個電動發(fā)電機(jī)；可替代地，可由將所存儲化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電力的單元(例如，氫燃料電池)組成。

●可再充電能量存儲單元：由蓄電池包、超級電容器或用于存儲電能的其他介質(zhì)(或其組合)組成，它們與管理這些包的操作和安全的電池管理系統(tǒng)聯(lián)接。每個包可包括多個可單獨移除的蓄電池模塊，并且在這些模塊中的一些或全部就位的情況下操作。也稱為“能量存儲單元”。

●密實度：葉片所占據(jù)的螺旋槳盤的面積的量度。被定義為在給定半徑處的總?cè)~片弦與風(fēng)扇盤在此半徑處的圓周的比。

●stol：短距起落—不是硬性定義，但暗示與相似大小、不具備stol的飛機(jī)相比顯著更短的跑道長度和顯著更陡的進(jìn)場角。

●tdi：渦輪增壓柴油噴射—具有升壓進(jìn)氣歧管壓力的壓縮點火發(fā)動機(jī)。

在一些實施方案中，本發(fā)明運輸網(wǎng)絡(luò)可由機(jī)場(和相關(guān)聯(lián)的地面運輸選項)、飛機(jī)和針對區(qū)域性電動空中運輸服務(wù)優(yōu)化的供需機(jī)制來限定。技術(shù)、過程、裝置和控制方法的這種組合可用于向用戶提供多種益處。與其他旅行模式：高速公路、高速鐵路和常規(guī)空中運輸相比，區(qū)域性電動空中運輸提供顯著更短的門對門旅行時間和顯著更低的每英里成本。因此，本發(fā)明系統(tǒng)將驅(qū)動并支持四種大規(guī)模應(yīng)用：

a.計劃商務(wù)應(yīng)用：區(qū)域性電動空中運輸將能夠以大約一半的費用提供常規(guī)空中運輸兩倍的門對門速度，伴隨著方便和舒適。與當(dāng)今的、長程飛行到一組正在減少的高容量樞紐的大型飛機(jī)的高度集中的空中網(wǎng)絡(luò)不同，本發(fā)明區(qū)域性電動空中網(wǎng)絡(luò)將得到(多得多)更多的分布。飛行更低的較小飛機(jī)將服務(wù)大數(shù)量的社區(qū)機(jī)場。更多的時間表和目的地選擇連同交通量低的路線將導(dǎo)致與從當(dāng)今的空中旅行獲得相比多更多的個性化旅行體驗。區(qū)域性電力空中運輸將服務(wù)兩個主要的需求池：點對點和支線(feeder)。點對點飛行將服務(wù)區(qū)域內(nèi)的通常繞過常規(guī)的飛機(jī)和樞紐機(jī)場的目的地對。支線飛行將乘客從其本地區(qū)域性機(jī)場運輸?shù)礁b遠(yuǎn)的常規(guī)樞紐，以連接到所述區(qū)域之外的長途飛行。反過來，支線將把坐長途飛行抵達(dá)的乘客運輸?shù)剿麄兊谋镜貐^(qū)域性機(jī)場。通過繞過擁擠的樞紐并且通過減少地面航段，以上兩者都將顯著地減少區(qū)域性旅行以及長途旅行的門對門旅行時間；

b.商務(wù)和按需應(yīng)用：區(qū)域性電動空中運輸系統(tǒng)對于商務(wù)和按需旅行的價值定位也是強(qiáng)有力的。電動飛機(jī)以比商務(wù)噴氣機(jī)低80％至90％的成本在區(qū)域性航程內(nèi)提供舒適旅行。此外，無音stol(短距起落)能力將開啟對大量較小機(jī)場的全天候訪問，從而提供可與更快的商務(wù)噴氣機(jī)相比較的門對門時間，商務(wù)噴氣機(jī)需要更長的跑道并且產(chǎn)生噪音污染和其他問題。此外，電動空中運輸?shù)某壍偷某杀緦U(kuò)大對這種形式的旅行的需求，而共享技術(shù)將使使用選項倍增。除了當(dāng)今可用的空中巴士、包機(jī)和部分所有權(quán)模式之外，還可在共享或按需的基礎(chǔ)上提供運力。例如，在共享飛行上，現(xiàn)有飛行上的開放座位將通常以降低的票價提供給其他乘客。另一方面，按需飛行將基于乘客運輸量來進(jìn)行調(diào)度。這些飛行將包括按需市場，所述按需市場將接受乘客對飛行的請求，使得能夠基于請求與歷史需求型式的組合來調(diào)度飛行；

c.貨物應(yīng)用：正當(dāng)區(qū)域性運輸基礎(chǔ)設(shè)施在過去幾十年間已停滯不前時，受在線商務(wù)的快速增長的驅(qū)使，快速遞送商品的需求也得到倍增。電動空中運輸將提供顛覆性替代方案，從而與地面運輸相比以可比較的或更低的成本提供快4到5倍的門對門速度。這將通過從區(qū)域性物流樞紐處或附近的機(jī)場到當(dāng)?shù)貍}庫處或附近的機(jī)場的貨運飛行(載人的、遠(yuǎn)程駕駛的或自主的)來實現(xiàn)。例如，將通過區(qū)域性配送中心與當(dāng)?shù)匮a(bǔ)給倉庫之間的電動空中運輸貨運飛行來實現(xiàn)商品到住宅或商務(wù)區(qū)的快速遞送。電動飛機(jī)將在配送中心處裝載運送到一個或多個當(dāng)?shù)匮a(bǔ)給倉庫的包裹。一旦裝載，飛機(jī)就將從鄰近或附近的簡易機(jī)場起飛，以便區(qū)域性飛行到鄰近或靠近貨物所寄到的每個當(dāng)?shù)匮a(bǔ)給倉庫的簡易機(jī)場。從當(dāng)?shù)貍}庫到最終目的地的遞送可使用現(xiàn)有模式，例如，送貨卡車或若干新興平臺中的一種，例如自主交通工具、送貨無人機(jī)。作為另一個實例，將通過來自對應(yīng)生產(chǎn)點(例如，制造設(shè)施、農(nóng)場)或物流樞紐(例如，貨棧、運輸終端站)的電動空中運輸飛行來實現(xiàn)商品到使用點的快速遞送。電動飛機(jī)將在生產(chǎn)點或物流樞紐處進(jìn)行裝載，從附近的簡易機(jī)場起飛以便快速飛行到使用點附近的簡易機(jī)場；

d.軍事應(yīng)用：盡管在過去幾十年間軍事技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，但是在區(qū)域性距離上運輸部隊或貨物的平臺的發(fā)展已大大停滯，并且依然大部分地局限于地面車隊或成本效益低得多的常規(guī)飛機(jī)或旋翼飛機(jī)。以和對于貨物來說大致相同的方式，電動飛機(jī)可通過使得能夠?qū)⒁恍〔糠盅a(bǔ)給車隊從地面轉(zhuǎn)移到電動飛機(jī)來轉(zhuǎn)變區(qū)域性軍事物流。這樣做將減少對敵方行動的暴露，在可與地面運輸成本相比較的或更低的成本下使供應(yīng)鏈速度增加顯著倍數(shù)(估計為5倍或更大)。例如，前方基地的快速供應(yīng)可通過來自戰(zhàn)場物流樞紐的電動空中運輸飛行來實現(xiàn)。電動飛機(jī)可在物流樞紐處裝載運送到一個或多個前方基地的部隊和貨物。一旦裝載，飛機(jī)就將從附近的簡易機(jī)場起飛，以便區(qū)域性飛行到所寄到的每個前方基地附近的簡易機(jī)場。通過使用降落傘或其他機(jī)構(gòu)將貨物安全地引導(dǎo)到前方基地，也可在前方基地處在不接地的情況下進(jìn)行遞送。其他機(jī)會包括替換執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)運輸任務(wù)的常規(guī)飛機(jī)或旋翼飛機(jī)，以便加快行程、增強(qiáng)隱蔽性并且大大降低成本；以及

e.載人和無人應(yīng)用：考慮到自主交通工具和遙控駕駛無人機(jī)的快速和持續(xù)發(fā)展，上述區(qū)域性電動空中運輸服務(wù)的四種應(yīng)用可包括常規(guī)駕駛飛機(jī)以及被設(shè)計成具有增加的自主程度的飛機(jī)。這些飛機(jī)將包括配備用于由遠(yuǎn)程飛行員進(jìn)行后備控制的有人駕駛的飛機(jī)、由遠(yuǎn)程飛行員控制的無人飛機(jī)以及配備用于由遠(yuǎn)程飛行員進(jìn)行后備控制的半自主飛機(jī)。

在一個實施方案中，本發(fā)明區(qū)域性空中運輸網(wǎng)絡(luò)可包括4類機(jī)場，它們大多數(shù)具有>1,500ft的跑道(或用于vtol飛機(jī)的起降坪)并且基于它們在區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)中的相應(yīng)作用和它們被配備來支持高頻混合電動飛行的程度進(jìn)行區(qū)分：

●區(qū)域性i級、ii級和iii級機(jī)場。這些機(jī)場是區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)的主要節(jié)點。i級機(jī)場最好地配備用于高頻電動飛行，并且提供快速再充電和交換站以及用于全天候和夜間操作的能力。一些i級機(jī)場也可由常規(guī)飛機(jī)的定期飛行來服務(wù)。ii級機(jī)場包括快速再充電和交換站，而iii級機(jī)場具有在停機(jī)坪上進(jìn)行基本再充電的能力?？紤]到相對較低的交通量和較小的飛機(jī)，不同于常規(guī)樞紐，區(qū)域性機(jī)場將提供較少或較低程度的地面服務(wù)(例如，行李、安全)。這將實現(xiàn)遍及機(jī)場的快速運送，從而進(jìn)一步減少門對門旅行時間；

●區(qū)域內(nèi)干線大型樞紐。位于區(qū)域內(nèi)的支持小型到中型混合電動飛機(jī)的飛行的大型商務(wù)樞紐的子集。這些子集可包括專用短跑道、無干擾飛行走廊、相對快速的再充電和交換站、從區(qū)域性電動飛行到常規(guī)空中飛行(且反之亦然)的快速乘客換乘。考慮到區(qū)域性電動飛行的顯著一部分將是“非無菌的”，樞紐還可包括用于訪問機(jī)場的無菌區(qū)域的此客流量的措施，例如對抵達(dá)的區(qū)域性乘客進(jìn)行“消毒”的行李和安全服務(wù)；

●區(qū)域性服務(wù)樞紐。區(qū)域內(nèi)被配備來服務(wù)并容納電動飛機(jī)的機(jī)場。這些機(jī)場通常是在區(qū)域性i級或ii級機(jī)場的子集，并且通常將包括停車場、維護(hù)設(shè)施和操作中心；以及

●貨運機(jī)場。實現(xiàn)商品在網(wǎng)絡(luò)樞紐或配送中心與當(dāng)?shù)剡f送倉庫之間的區(qū)域性運輸?shù)臋C(jī)場。就像上述i級、ii級和iii級機(jī)場一樣，這些機(jī)場被配備用于高頻電動飛行，并且可包括共享的貨物和乘客設(shè)施。這些貨運機(jī)場通常位于商品的原產(chǎn)地點(例如，網(wǎng)絡(luò)樞紐、配送中心)或者商品的遞送點(例如，當(dāng)?shù)剡f送倉庫)附近。

在一些實施方案中，本發(fā)明混合電動航程優(yōu)化飛機(jī)和相關(guān)聯(lián)的區(qū)域性空中運輸網(wǎng)絡(luò)可提供相對更無音、更具成本有效、更節(jié)能且更方便的交通模式，同時還提供多種相關(guān)的社會和經(jīng)濟(jì)益處。這類益處包括對依賴于汽車進(jìn)行區(qū)域性運輸?shù)男枰慕档?，這將預(yù)期使得污染和交通擁擠減輕。本發(fā)明飛機(jī)和系統(tǒng)還可節(jié)省乘客時間，導(dǎo)致生產(chǎn)率提高，鼓勵更多的當(dāng)?shù)匕l(fā)展和住宅建設(shè)，支持分散式生活和工作安排，并且創(chuàng)造用于連接運輸服務(wù)的新市場。

為了允許實現(xiàn)更有效且高效的區(qū)域性空中運輸系統(tǒng)所提供的機(jī)會，本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到對若干使能裝置、系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理方法和技術(shù)的需要。這些包括但不限于用于在社區(qū)和城市中心的“近距離”處進(jìn)行區(qū)域性操作的高效且具有無音短程起飛能力的混合電動飛機(jī)，以及相關(guān)聯(lián)的且適當(dāng)優(yōu)化的技術(shù)。此外，存在對由這種飛機(jī)、支持機(jī)場和適當(dāng)?shù)墓┬杵ヅ錂C(jī)制組成的區(qū)域性運輸網(wǎng)絡(luò)的需要。本發(fā)明的實施方案的元素被設(shè)計來解決這些和其他需要。具體地，本發(fā)明系統(tǒng)和方法的實施方案可包括以下各項中的一項或多項：

●高效的插入式串聯(lián)混合電動動力系統(tǒng)，其針對區(qū)域性航程被優(yōu)化。動力系統(tǒng)可被設(shè)計來通過將動力系統(tǒng)的大小設(shè)定成用于在表示大多數(shù)飛行的航程的規(guī)定部分內(nèi)快速巡航、針對較長程較緩慢地巡航來使所需能量最小化。這允許所具有的功率輸出小于標(biāo)準(zhǔn)巡航所需的功率輸出的向下適化發(fā)電機(jī)，使得在飛行過程中持續(xù)使用能量存儲單元并且將其完全耗盡(減去faa所要求的儲備)。這還實現(xiàn)在飛機(jī)的總重量12-20％范圍內(nèi)的相對高的能量存儲質(zhì)量分?jǐn)?shù)。相對于常規(guī)混合設(shè)計來說這種更高的電存儲與所產(chǎn)生功率的比(并且發(fā)電通常針對巡航模式的到優(yōu)化)是本發(fā)明設(shè)計所給予的(與常規(guī)飛機(jī)相比)低65-80％的doc的一個關(guān)鍵。通過推進(jìn)器的再生制動和所有電動地面操作實現(xiàn)進(jìn)一步降低；

●航程優(yōu)化飛機(jī)設(shè)計，其實現(xiàn)對電動空中運輸?shù)脑缙谟绊?。到目前為止對設(shè)計商務(wù)電動飛機(jī)的努力集中在可與常規(guī)飛機(jī)相比較的大小、速度和航程能力上?？紤]到飛行所需能量的航程乘以速度平方的縮放，這導(dǎo)致“輕微電動”的并且僅在機(jī)上存儲能量的一小部分的設(shè)計，或者更加電動的但需要先進(jìn)的電動技術(shù)的設(shè)計。這已導(dǎo)致以下觀點：電動空中運輸在近期提供有限的節(jié)約，并且關(guān)鍵技術(shù)將需要10年或更長時間來成熟。相比之下，通過針對區(qū)域性航程和更低的速度、高度、大小定制本發(fā)明飛機(jī)，本發(fā)明“航程優(yōu)化”設(shè)計可基于將在顯著較短的時間內(nèi)可獲得的技術(shù)提供顯著較低的doc。這使得市場準(zhǔn)入能夠提前許多年。

●固有“未來預(yù)見性(futureproofing)”(諸如防止相對快速的技術(shù)或業(yè)務(wù)相關(guān)的過時)的程度，所述“未來預(yù)見性”通過與可前向兼容的機(jī)架聯(lián)接的模塊化的可前向兼容的動力系統(tǒng)-推進(jìn)裝置實現(xiàn)。如同正在迅速提高的電動交通工具技術(shù)一樣，早期對電動飛機(jī)的采用的關(guān)鍵障礙是由技術(shù)演進(jìn)所驅(qū)動的過時。動力系統(tǒng)、推進(jìn)裝置和機(jī)架的模塊化的可前向兼容的設(shè)計反擊這種可能的對采用電動飛機(jī)和相關(guān)聯(lián)的運輸系統(tǒng)的抑制因素，使得能夠通過簡單的模塊交換來進(jìn)行技術(shù)升級。這實現(xiàn)混合電動飛機(jī)的提早準(zhǔn)入，所述混合電動飛機(jī)通過升級以保持與能量存儲技術(shù)和/或操作效率的提高并進(jìn)來持續(xù)地提供改進(jìn)的doc。另一個重要的推動因素是本發(fā)明混合電動飛機(jī)動力系統(tǒng)優(yōu)化和控制系統(tǒng)(本文稱為“pocs”)。這個平臺基于機(jī)載能量存儲單元和發(fā)電機(jī)的特性調(diào)整模塊化動力系統(tǒng)的操作，以遞送最優(yōu)性能。因此，很容易適應(yīng)技術(shù)升級：對飛行目標(biāo)(即速度、效率、噪聲、有效載荷)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以便以最好地利用機(jī)載模塊的方式控制動力系統(tǒng)，而不需要大量的操作者或飛行員干預(yù)；

●無音操作與具有短距起落(stol)能力，其用以實現(xiàn)“近距離”飛行和更大的社區(qū)接受度。無音stol能力顯著提高飛機(jī)在社區(qū)和人口中心的“近距離”處飛行的能力，從而使門對門旅行時間巨變地減少。stol實現(xiàn)到更小的社區(qū)機(jī)場(在美國，>13,000)的操作，從而繞開擁擠的樞紐。無音操作轉(zhuǎn)換成更大的社區(qū)接受度，這通常是這類飛行的限制因素。本發(fā)明系統(tǒng)和飛機(jī)利用無音電涵道變距風(fēng)扇(本文稱為“efan”)進(jìn)行推進(jìn)以減少跑道要求并降低噪聲水平，從而使得能夠在大多數(shù)現(xiàn)有機(jī)場處進(jìn)行操作。所提出的本發(fā)明風(fēng)扇設(shè)計具有針對航程優(yōu)化飛機(jī)的中間速度和高度優(yōu)化的空氣動力學(xué)和聲學(xué)。這包括：使用低壓力比變距風(fēng)扇，使得能夠針對飛行模式對螺旋槳葉片槳距進(jìn)行調(diào)節(jié)以獲得更高的效率；以及使用再生制動來代替通常有噪聲的擾流器。風(fēng)扇由位于涵道中心處并且直接地或通過任選的橢圓減速傳動器連接到風(fēng)扇的一個或多個高密度電動機(jī)提供動力。在電動機(jī)的低rpm下的高扭矩加上涵道風(fēng)扇的高靜態(tài)推力導(dǎo)致良好的stol性能。低風(fēng)扇尖端速度、風(fēng)扇-定子和涵道聲學(xué)設(shè)計以及涵道聲學(xué)處理的組合遞送顯著更低的噪聲特征(noisesignature)。作為附加的益處，涵道風(fēng)扇的提高的安全性和“噴射器樣”外觀預(yù)期轉(zhuǎn)換成相對于通常用于區(qū)域性操作的開放式螺旋槳飛機(jī)的強(qiáng)烈的消費者吸引力。飛機(jī)和動力系統(tǒng)還包括旨在降低客艙和環(huán)境噪聲的其他特征；

●用于乘客和貨物的分布式區(qū)域性混合電動空中運輸網(wǎng)絡(luò)，其用以實現(xiàn)本發(fā)明電動飛機(jī)的有效大規(guī)模操作。當(dāng)今的航空服務(wù)要求乘客(或貨物運輸商)使他們的旅行吻合大的具有成本競爭力的飛機(jī)的飛行型式。相比之下，并且如本發(fā)明人所認(rèn)識到的，混合電動技術(shù)實現(xiàn)相反面，即使飛機(jī)和飛行型式吻合乘客旅行需要。這通過分布式區(qū)域性電動空中運輸網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，所述網(wǎng)絡(luò)在相對大量的鄰域和社區(qū)機(jī)場外操作并且操作針對單獨路線優(yōu)化的較小電動飛機(jī)。這種網(wǎng)絡(luò)的形式將與常規(guī)長途空中運輸網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)顯著不同，從而導(dǎo)致對用于實現(xiàn)和操作網(wǎng)絡(luò)的組成元件和過程的相異要求。這些要求在本文中有所描述并且包括對機(jī)場(包括地面運輸選項)和飛機(jī)到供需匹配機(jī)制的要求。關(guān)于機(jī)場，在一個實施方案中，這包括全都具有大于1,500ft的跑道(或vtol起降坪)并且基于在區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)中的作用以及它們被配備來實現(xiàn)高頻電動飛行的程度進(jìn)行區(qū)分的4類機(jī)場。就飛機(jī)而言，在一個實施方案中，這包括設(shè)計用于在飛行中和在低服務(wù)社區(qū)機(jī)場處的地面上進(jìn)行“貧油(lean)”操作的混合電動飛機(jī)。這些要素相協(xié)調(diào)并且它們的使用通過使用下一代區(qū)域性運力管理來優(yōu)化，以提高飛機(jī)載荷系數(shù)和利用率；

●用于航空級安全的飛機(jī)動力系統(tǒng)的容錯設(shè)計的開發(fā)和使用，這是混合電動動力系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵要求。在一個實施方案中，這通過以下方式來解決：設(shè)計動力系統(tǒng)并支持優(yōu)化和控制系統(tǒng)(“pocs”系統(tǒng))以獲得相對高的冗余度，從而確保在出現(xiàn)故障時繼續(xù)安全操作。除了其他元件或過程之外，這可包括在功率源、轉(zhuǎn)換器、傳感器或電機(jī)發(fā)生故障的情況下提供冗余的特征。其他安全特征可包括用于在碰撞之前準(zhǔn)備好動力系統(tǒng)以確保平臺和模塊以最小化對飛機(jī)乘員的風(fēng)險的方式響應(yīng)沖擊的那些安全特征；

●對設(shè)計用于半自動優(yōu)化和控制的動力系統(tǒng)的使用，這是對于飛行員接受度至關(guān)重要的因素并且用于以最優(yōu)效率實現(xiàn)高頻操作?；旌想妱语w機(jī)的飛行員接受度的關(guān)鍵是具有模擬常規(guī)飛機(jī)操作的簡單飛行員接口的控制平臺。此平臺(其實例在圖9中示出并且在本文中有進(jìn)一步描述)應(yīng)跨整合動力系統(tǒng)(例如，飛行進(jìn)程內(nèi)的發(fā)電機(jī)操作)并且針對每個模塊(例如，最大效率下的電機(jī)rpm和扭矩)優(yōu)化動力系統(tǒng)模塊的操作以滿足飛行員的飛行目標(biāo)。。此外，控制平臺(即，pocs)應(yīng)通過適當(dāng)?shù)墓收细綦x和恢復(fù)機(jī)制來支持動力系統(tǒng)的安全操作?？刂破脚_的其他特征可包括飛行前的流線型動力系統(tǒng)準(zhǔn)備和檢查、飛行后的輔助診斷和維護(hù)以及電源模塊交換之后的簡單校準(zhǔn)。這些中的許多特征或要求通過用作動力系統(tǒng)及其模塊的單一控制平臺的所指出的動力系統(tǒng)優(yōu)化和控制系統(tǒng)(pocs)來實現(xiàn)；以及

●用于生成區(qū)域性混合電動飛行的飛行路徑并對飛行路徑進(jìn)行校正的自動優(yōu)化方法。應(yīng)注意，不同于常規(guī)噴氣式飛機(jī)所進(jìn)行的具有明確定義的最優(yōu)高度和速度的長途飛行，為一次或多次區(qū)域性混合電動飛行(通常在<30,000ft的高度飛行)確定最優(yōu)路徑更加復(fù)雜。例如，各種功率源的不同操作特性導(dǎo)致在飛行期間基于需要發(fā)電機(jī)的程度而改變最優(yōu)飛行高度。因此，需要考慮功率源的操作特性連同飛行期間的物理條件(例如，地形、天氣和飛行距離)以及針對飛行的飛行員偏好(例如，高速或經(jīng)濟(jì))以確定最優(yōu)路徑。在一些實施方案中，這通過飛行路徑優(yōu)化平臺(在本文中稱為“fpop”并且參考圖13和14進(jìn)行描述)實現(xiàn)，所述飛行路徑優(yōu)化平臺與飛行管理系統(tǒng)(fms)和pocs接合以限定最優(yōu)飛行路徑并且隨著條件沿著飛行演化而對這些最優(yōu)飛行路徑進(jìn)行改進(jìn)。

圖1是示出可存在于本發(fā)明運輸系統(tǒng)的實施方案的實現(xiàn)方式中的某些主要部件、元件和過程的圖。如本文所述，本發(fā)明運輸系統(tǒng)和相關(guān)聯(lián)的設(shè)備和過程可包括用于基于小型到中型(6-90個座位)混合和電動飛機(jī)(具有v/stol能力)來進(jìn)行區(qū)域性運輸?shù)姆植际娇罩羞\輸網(wǎng)絡(luò)。這些用于補(bǔ)充集中在小數(shù)目樞紐機(jī)場的目前的常規(guī)長途空中運輸系統(tǒng)。

空中運送網(wǎng)絡(luò)被定制用于電動飛機(jī)到目前未得到常規(guī)空中系統(tǒng)的充分服務(wù)的大數(shù)量區(qū)域性機(jī)場的高頻操作以及到主要樞紐中的低影響操作。這使得航空公司、運輸局、空中巴士、包機(jī)和貨運經(jīng)營者能夠在整個地區(qū)以可與長途競爭的成本結(jié)構(gòu)來提供有利可圖的固定或可變的定期飛行和按需飛行。與替代的區(qū)域性旅行模式：高速公路、鐵路或高速鐵路、常規(guī)空中運輸相比，本發(fā)明運輸網(wǎng)絡(luò)提供顯著更短的門對門旅行時間和顯著更低的每英里總成本。在一些實施方案中，這通過使用本發(fā)明無音航程優(yōu)化混合電動飛機(jī)便利地、高頻地“近距離”飛行到社區(qū)和人口中心附近的大數(shù)量區(qū)域性機(jī)場來實現(xiàn)。

如圖所示，本發(fā)明運輸網(wǎng)絡(luò)100的實施方案可包括一個或多個區(qū)域性子網(wǎng)絡(luò)102。每個子網(wǎng)絡(luò)102可附屬于國家、州或其他地理區(qū)的區(qū)域。每個子網(wǎng)絡(luò)102通常將包括多個城市以及從其操作一個或多個本發(fā)明飛機(jī)106的一個或多個區(qū)域性或樞紐機(jī)場104。每個區(qū)域性空中或樞紐機(jī)場104可包括支持飛機(jī)的調(diào)度和“加油”的元件和服務(wù)，其中在本文中燃料是指能量存儲單元的再充電或交換以及為增程發(fā)電機(jī)添加油(如由圖中的“再充電和再加油服務(wù)”108所表明)。對調(diào)度、再加油以及其他服務(wù)(諸如記錄保存)的管理可由一個或多個服務(wù)平臺110執(zhí)行。這類平臺可包括用于訪問和處理關(guān)于飛行的診斷信息、操作加油站和調(diào)度再加油操作的那些平臺。在一些實施方案中，服務(wù)平臺110可包括能夠執(zhí)行供需匹配以便調(diào)度飛行的處理，以有效的方式使部分可用的處理，或者與網(wǎng)絡(luò)及其組成元件的管理相關(guān)的其他期望的匹配或優(yōu)化處理。

圖2是示出可存在于本發(fā)明運輸系統(tǒng)的實施方案的實現(xiàn)方式中的某些主要部件、元件、數(shù)據(jù)流和過程的圖。如圖所示，這種系統(tǒng)200可包括本發(fā)明混合電動區(qū)域性飛機(jī)202的實現(xiàn)方式。飛機(jī)202包括本文所描述的混合動力系統(tǒng)203、動力系統(tǒng)優(yōu)化和控制系統(tǒng)(pocs)204、飛行路徑優(yōu)化平臺(fpop)205、飛行管理系統(tǒng)(fms)206以及通信能力207的實施方案，通信能力207用于將消息和數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)200的其他部件或過程。區(qū)域性空中運輸操作者210可包括用于在飛行計劃以及與一個或多個機(jī)場及其相關(guān)聯(lián)飛機(jī)的操作相關(guān)的其他調(diào)度或管理任務(wù)中使用的一組過程。通信能力207可用于將與飛機(jī)有效載荷、飛行路徑和能量狀態(tài)(以及其他參數(shù))相關(guān)的數(shù)據(jù)傳送到區(qū)域性空中運輸操作者210。從飛機(jī)202和運輸操作者210中的一個或多個獲得和/或由其處理的數(shù)據(jù)可以用于協(xié)助通過區(qū)域性運力管理平臺或過程212進(jìn)行飛行調(diào)度，協(xié)助通過再充電再加油平臺214管理和調(diào)度“再加油”過程，或者協(xié)助通過pocs在線過程或平臺216在飛行期間和飛行后(出于飛行員日志和診斷任何問題的目的)監(jiān)測飛機(jī)的操作。

如圖所表明，對區(qū)域性空中運輸服務(wù)的需求可能受到各種類型的預(yù)訂以及飛機(jī)、零件和飛行員的可用性所驅(qū)動。這種信息218通常將由區(qū)域性運力管理平臺或過程212用來確定可供客戶使用的飛行的適當(dāng)數(shù)量和類型。類似地，燃料/能量/電力服務(wù)提供商可使用與飛行調(diào)度、燃料需求、可用燃料(諸如充電模塊)和銷售/支付220相關(guān)的信息來調(diào)度再加油操作并且通過再充電再加油平臺214接受對這些操作的支付。飛機(jī)制造商222通常將關(guān)于飛機(jī)及其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和操作的信息提供給pocs在線過程或平臺216，以用于協(xié)助飛行員或過程操作飛機(jī)并且用于診斷問題。

圖3是進(jìn)一步示出可存在于本發(fā)明運輸系統(tǒng)300的實施方案的實現(xiàn)方式中的某些主要部件、元件和過程的圖。如圖所表明，飛機(jī)和飛行員318可以利用一個或多個系統(tǒng)、平臺、模塊或過程(如由“fms”、“fpop”、“pocs”、“現(xiàn)場rrp”所表明)作為調(diào)度或操作飛機(jī)的一部分?，F(xiàn)場再充電再加油平臺314(“現(xiàn)場rrp”)通過利用一個或多個系統(tǒng)、平臺、模塊或過程(如由“再充電和再加油助理”、“服務(wù)提供商數(shù)據(jù)庫”、“偏好”所表明)來協(xié)助飛行員確定在途中或在目的地處所需的最優(yōu)再沖電和再加油服務(wù)。可替代地，再充電和再加油決定可由區(qū)域性空中運輸操作者302基于由飛機(jī)和飛行員318提供給它的信息來做出。如圖所示，現(xiàn)場再充電再加油平臺314類似地協(xié)助這些操作。在線再充電再加油平臺316與飛機(jī)和飛行員318或區(qū)域性空中運輸操作者302之間可通過適當(dāng)?shù)慕涌?08來交換有關(guān)飛行員或操作者所請求的再充電和再加油服務(wù)的信息以及服務(wù)提供商所提議的調(diào)度。在線再充電再加油平臺316可利用一個或多個系統(tǒng)、平臺、模塊或過程(如由“服務(wù)調(diào)度”、“服務(wù)日歷和日志”、“提供商數(shù)據(jù)庫”、“支付平臺、“映射平臺”等所表明)作為提供再充電和再加油調(diào)度、處理對這類服務(wù)的支付等的一部分。類似地，在線再充電再加油平臺316與機(jī)場燃料服務(wù)提供商306之間可交換數(shù)據(jù)。

如所指出的，由本發(fā)明區(qū)域性電動空中運輸系統(tǒng)服務(wù)的機(jī)場/飛機(jī)場可提供各種水平的快速交換和再充電基礎(chǔ)設(shè)施以實現(xiàn)高頻電動飛行。再充電站將操作來實現(xiàn)在原位對飛機(jī)能量存儲單元進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)和快速充電，而交換站將操作來交換放電或部分放電的能量存儲單元并用充電的能量存儲單元對其進(jìn)行替換。本發(fā)明飛機(jī)包括用于容納標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展的能量存儲單元的隔艙，并且這些隔艙各自可以是模塊化的，以使得能夠移除包括標(biāo)準(zhǔn)或擴(kuò)展包的離散模塊。因此，交換可包括基于操作者要求(諸如下一次飛行的速度、航程、有效載荷和成本)來用更小或更大數(shù)量的模塊更換現(xiàn)有模塊。

應(yīng)注意，飛機(jī)的速度、航程、有效載荷和操作成本在很大程度上由機(jī)載能量存儲容量來確定。因此，添加或移除能量供應(yīng)模塊的能力使得能夠根據(jù)特定飛行的需要對性能進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，在有效載荷低于設(shè)計有效載荷的飛行中，操作者能夠通過添加重量高達(dá)設(shè)計有效載荷減去實際有效載荷的能量存儲單元來降低操作成本和/或增加電動航程，使所需減少的燃料變少。相反，操作者能夠通過移除重量大于有效載荷超量加上飛行所需的另外燃料的能量存儲單元來適應(yīng)高于設(shè)計的有效載荷。這種能力使得操作者能夠降低在飛機(jī)的載荷小于容量的航段上的成本，并且適應(yīng)超載飛行。此外，為了實現(xiàn)有效的模塊交換和再充電，運輸網(wǎng)絡(luò)可由軟件和通信平臺312支持，所述軟件和通信平臺312使得飛行員或區(qū)域性空中運輸操作員能夠確定能量需求并且將這些能量需求傳達(dá)給目的地機(jī)場處或者在到達(dá)目的地的路上的機(jī)場處的燃料服務(wù)提供商。

如所指出的，圖3中示出再充電再加油平臺304的實施方案的方框圖。圖3(a)示出再充電再加油平臺304的操作的方面，圖3(a)是用于確定在目的地處所需的再充電或再加油服務(wù)的示例性過程的流程圖或流程圖解，并且圖3(b)中示出用于確定在到達(dá)目的地的路上所需的此類服務(wù)的示例性過程的流程圖或流程圖解。這些過程或操作由平臺304的現(xiàn)場方面314的“再充電和再加油助理”模塊或過程基于飛行員或操作者請求執(zhí)行。

圖3(a)和3(b)中所示的過程或過程流程取決于多種因素；這些因素包括路線航段的有效載荷和能量要求、剩余的機(jī)載能量存儲容量和電量、確定交換的周轉(zhuǎn)時間和成本以及再充電要求。這些參數(shù)和數(shù)據(jù)通常與飛行詳情、eta和周轉(zhuǎn)時間一起傳達(dá)給機(jī)場燃料服務(wù)提供商306，使得提供商306可調(diào)度服務(wù)并做好準(zhǔn)備，這樣就迅速且正確地執(zhí)行交換或再充電。為了關(guān)于在目的地機(jī)場處進(jìn)行再充電和再加油協(xié)助飛行員，平臺304確定下一次飛行(諸如飛行節(jié)段)所需的另外能量，并且基于機(jī)場處的優(yōu)選服務(wù)提供商的能力來生成可行選項。

這類選項可包括以下各項中的一項或多項：根據(jù)有效載荷定制所存儲能量容量、載荷在低有效載荷飛行上添加所存儲能量單元以獲得提高的能量效率、或者在需要另外有效載荷的飛行上移除單元。選項還可包括基于成本、周轉(zhuǎn)時間或?qū)δ芰看鎯卧牟僮鲏勖挠绊懼械囊粋€或多個對能量存儲單元進(jìn)行的交換或再充電。選項連同所需的成本和時間一起被呈現(xiàn)給飛行員，并且飛行員對期望選項的選擇被傳輸給提供商306以調(diào)度服務(wù)。類似地，為了關(guān)于在去往目的地的途中的服務(wù)協(xié)助飛行員，在給出剩余的機(jī)載能量以及下一航段所需的另外能量的情況下，平臺304確定飛機(jī)的航程。這可完成以便基于在飛機(jī)航程內(nèi)的服務(wù)提供商生成可行的飛行員選項，連同每項選擇的成本和時間影響。應(yīng)注意，平臺304可用于支持單次飛行、按順序的多次飛行或具有多個航段的飛行的再充電和再加油計劃。多步旅行的服務(wù)順序由飛行員基于來自平臺的指導(dǎo)來選擇并傳輸?shù)椒?wù)提供商。在旅行的進(jìn)程中，再充電和再加油需求以及時間表基于飛行的進(jìn)度周期性地刷新，并且每當(dāng)它們顯著地改變或滿足特定規(guī)則或條件時，它們就被傳輸給服務(wù)提供商。

再充電再加油平臺304還提供對計費、支付和帳戶管理的支持，使得這類交易有效地進(jìn)行并且使用標(biāo)準(zhǔn)的交易認(rèn)證、授權(quán)和處理技術(shù)進(jìn)行。能量存儲單元可由飛機(jī)的操作者擁有，在這種情況下，交換單元將基于飛行型式來預(yù)先定位，非常像當(dāng)今的備件。能量存儲包也可由服務(wù)提供商或第三方擁有，并作為服務(wù)借給飛機(jī)操作者。服務(wù)提供商存儲后備包并給其再充電，并根據(jù)需要將它們與放電的包進(jìn)行交換。

再充電再加油平臺304包括一組現(xiàn)場功能模塊314和一組在線功能模塊316，所述一組現(xiàn)場功能模塊314在飛機(jī)上實現(xiàn)或者在區(qū)域性空中運輸操作者駐地處實現(xiàn)，所述一組在線功能模塊316可通過互聯(lián)網(wǎng)或其他合適的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問。應(yīng)注意，雖然由這種平臺的操作者所提供的服務(wù)在本文將稱為再充電/再加油，但是它們還可以括能量源的交換，并且交換可能必須根據(jù)操作需求添加更多蓄電池包或者減少蓄電池包的總數(shù)。再充電再加油平臺連接混合電動飛機(jī)、區(qū)域性空中運輸操作者和機(jī)場燃料服務(wù)提供商并允許它們之間的通信，以實現(xiàn)高效加油操作。平臺的元件可包括以下各項中的一項或多項：

●在線服務(wù)提供商數(shù)據(jù)庫320和現(xiàn)場服務(wù)提供商數(shù)據(jù)庫321是機(jī)場、每個機(jī)場處的燃料服務(wù)提供商、每個提供商的服務(wù)能力、服務(wù)計劃表、定價和其他物流細(xì)節(jié)(例如，附屬機(jī)構(gòu)、所支持的支付方法等)的周期性更新的目錄。通常，在線平臺316內(nèi)維持這個數(shù)據(jù)庫的最新且最綜合的版本。數(shù)據(jù)庫的簡縮(例如，本地/區(qū)域性定制)版本作為平臺304的現(xiàn)場方面314的一部分來部署，使得現(xiàn)場再充電和再加油輔助模塊/過程322可在不依賴于或不連接到在線平臺316的情況下起作用。然而，應(yīng)注意，作為后備，一個或多個分布式站點也可維持?jǐn)?shù)據(jù)庫的綜合版本的副本；這種冗余可有助于在中央數(shù)據(jù)存儲庫所提供的服務(wù)中斷的情況下向飛行員和區(qū)域性設(shè)施提供再充電和再加油數(shù)據(jù)，或者為顯著偏離航線的飛行員提供幫助。當(dāng)適當(dāng)?shù)匕踩脑L問可用并且可執(zhí)行更新而不對操作具有不期望的影響時，可從在線數(shù)據(jù)庫周期性地更新簡縮版本；

●偏好數(shù)據(jù)(元件、過程或模塊324和325)是飛機(jī)或操作者的定制設(shè)置的記錄。這些可包括默認(rèn)的單位、貨幣和時區(qū)，優(yōu)選的燃料服務(wù)提供商和自定義定價、通信和交易過程，以及特定路線的標(biāo)準(zhǔn)加油協(xié)議。這些存儲在現(xiàn)場324，以及在線平臺325內(nèi)；

●再充電和再加油助理322使得飛行員或操作者能夠確定支持一次或多次飛行所需的最優(yōu)燃料加注并且在機(jī)場處或飛機(jī)的航程內(nèi)的可用提供商之間進(jìn)行選擇。功能或過程利用再充電再加油平臺304的現(xiàn)場提供商數(shù)據(jù)庫321和偏好數(shù)據(jù)324，以及可飛機(jī)上訪問或可供操作者訪問的一組模塊或功能，諸如pocs和fpop(其功能或操作在本文中有更詳細(xì)的描述)；

●服務(wù)調(diào)度模塊326接收特定燃料服務(wù)請求并嘗試為它們調(diào)度所請求的提供商。如果所請求的時間空檔可用，那么模塊返回確認(rèn)并為飛機(jī)將預(yù)訂記錄在服務(wù)日歷328上。如果時間不可用，那么模塊返回替代開口。提供商可將對它們調(diào)度表的控制權(quán)給予再充電再加油平臺，和/或自己管理調(diào)度表。在平臺具有控制權(quán)的情況下，模塊326將服務(wù)調(diào)度在提供商的日歷上并向提供商發(fā)送通知。在提供商具有控制權(quán)的情況下，模塊326通知提供商服務(wù)請求并等待確認(rèn)或關(guān)于替代開口的細(xì)節(jié)；

●服務(wù)日歷和日志模塊328維持由飛機(jī)和提供商調(diào)度的所有服務(wù)的記錄。對于每個以往服務(wù)，模塊可追蹤處置、服務(wù)是否被執(zhí)行、所執(zhí)行服務(wù)的發(fā)票、關(guān)于已完成支付的細(xì)節(jié)、來自客戶的突出反饋等。模塊328使得服務(wù)提供商能夠定義在將來可用的服務(wù)空檔、允許平臺代表它們預(yù)定或保留控制權(quán)，更新它們的日歷以反映出在平臺之外做出的預(yù)定等；以及

●賬戶模塊330是記錄保持和交易模塊，其使得提供商能夠開具發(fā)票并且使得客戶能夠進(jìn)行支付。所述模塊利用飛行員和操作者目前所使用的標(biāo)準(zhǔn)支付平臺332，例如edi、信用卡、eft。

本發(fā)明系統(tǒng)300的另一個方面是機(jī)場燃料服務(wù)提供商306。提供商306代表是本發(fā)明運輸系統(tǒng)的一部分的機(jī)場或飛機(jī)場的操作者和管理者。這種操作者或管理者可提供一組服務(wù)，以使得飛機(jī)能夠有效地再充電或交換能量存儲單元、承擔(dān)用于增程發(fā)電機(jī)的另外燃料、處理對這些服務(wù)的支付等。區(qū)域性機(jī)場或飛機(jī)場服務(wù)的提供商306可通過合適的接口310與再充電再加油平臺304交互并傳輸數(shù)據(jù)。

返回圖3(a)，它是用于確定在目的地處所需的再充電或再加油服務(wù)的示例性過程的流程圖或流程圖解，在一個實施方案中，使用pocs(參考圖11和12更詳細(xì)地描述)來確定飛機(jī)的可用能量/燃料、估計的抵達(dá)時間以及抵達(dá)后的能量/燃料狀態(tài)(步驟或階段350)。接下來，基于來自飛行員或飛行調(diào)度過程的輸入，可接收關(guān)于飛行的下一航段或節(jié)段的信息或數(shù)據(jù)(步驟或階段352)。使用fpop過程(參考圖14更詳細(xì)地描述)來確定下一航段或節(jié)段所需的總能量(步驟或階段354)。接下來，確定用于下一航段或節(jié)段的最大可用所存儲能量容量(步驟或階段356)。

隨后考慮偏好數(shù)據(jù)(如參考圖3所描述)以確定下一航段或節(jié)段所需的總能量在所存儲能量(例如，蓄電池)與所產(chǎn)生能量(例如，基于燃料的使用)之間的分配。如果存在這類偏好(如步驟或階段358的“是”分支所表明)，那么使用這類偏好或條件/約束來確定再充電和/或再加油要求(階段或步驟360)。如果這類偏好不存在(或者由于某種原因而不適用，如階段或步驟358的“否”分支所表明)，那么可基于可用性、定價等來確定再充電和/或再加油選項(步驟或階段362)。如圖所表明，此確定可涉及考慮機(jī)場服務(wù)提供商數(shù)據(jù)庫中所包含的數(shù)據(jù)?？蓪⑺_定的再充電和/或再加油選項呈現(xiàn)給飛行員，并且接收飛行員的決定(階段或步驟364)。

基于偏好和/或飛行員的決定，將再充電和/或再加油要求傳達(dá)給適當(dāng)?shù)姆?wù)提供商367(階段或步驟366)。這可包括關(guān)于飛行、飛機(jī)、可用和需要的能量、能量源的配置等的信息。在接收和處理之后，服務(wù)提供商367可向飛行員提供對再充電和/或再加油訂單的確認(rèn)以及任何相關(guān)聯(lián)的信息(階段或步驟368)。

返回圖3(b)，它是用于確定在到目的地的途中的再充電或再加油服務(wù)的示例性過程的流程圖或流程圖解，在一個實施方案中，使用pocs(參考圖11和12更詳細(xì)地描述)來確定飛機(jī)的可用能量/燃料、估計的抵達(dá)時間以及抵達(dá)后的能量/燃料狀態(tài)(步驟或階段380)。接下來，使用fpop過程(參考圖14更詳細(xì)地描述)來估計飛機(jī)的剩余航程并確定下一航段或節(jié)段所需的總能量(步驟或階段382)。機(jī)場服務(wù)提供商數(shù)據(jù)庫可用作關(guān)于具有合適的再充電和/或再加油設(shè)施的機(jī)場的信息和數(shù)據(jù)的源(階段或步驟384)。

隨后考慮偏好數(shù)據(jù)(如參考圖3所描述)以確定下一航段或節(jié)段所需的總能量在所存儲能量(例如，蓄電池)與所產(chǎn)生能量(例如，基于燃料的使用)之間的分配。如果存在這類偏好(如步驟或階段386的“是”分支所表明)，那么使用這類偏好或條件/約束來確定再充電和/或再加油要求(階段或步驟388)。如果這類偏好不存在(或者由于某種原因而不適用，如階段或步驟386的“否”分支所表明)，那么可基于考慮一個或多個再充電/再加油服務(wù)選項對飛行的影響來確定再充電和/或加油選項(如階段或步驟390所表明)。這可涉及考慮所需的周轉(zhuǎn)時間和飛行的任何預(yù)期延遲、成本、飛機(jī)場費用等?；谒_定的選項和任何相關(guān)規(guī)則、條件或約束的應(yīng)用，可確定可能選項的子集并將其呈現(xiàn)給飛行員(如階段或步驟392和394所表明)，并且接收飛行員的決定。

使用fpop模塊或過程，可確定飛機(jī)的估計抵達(dá)時間、所存儲能量和可用燃料(階段或步驟396)?；谄煤?或飛行員的決定，將再充電和/或再加油要求傳達(dá)給適當(dāng)?shù)姆?wù)提供商397(階段或步驟398)。這可包括關(guān)于飛行、飛機(jī)、可用和需要的能量、能量源的配置等的信息。在接收和處理之后，服務(wù)提供商397可向飛行員提供對再充電和/或再加油訂單的確認(rèn)以及任何相關(guān)聯(lián)的信息(階段或步驟399)。

圖4是進(jìn)一步示出可存在于本發(fā)明運輸系統(tǒng)400的實施方案的實現(xiàn)方式中的某些主要部件、元件和過程的圖。參考圖4，在一些實施方案中，本發(fā)明運輸系統(tǒng)包括混合電動區(qū)域性飛機(jī)402、區(qū)域性i級或ii級機(jī)場404、區(qū)域性空中運輸操作者406、機(jī)場燃料服務(wù)提供商408和再充電再加油平臺410。

如圖所表明，本發(fā)明飛機(jī)402的實施方案可配備有數(shù)個模塊化能量存儲單元：標(biāo)準(zhǔn)單元412，其被設(shè)定大小用于在具有設(shè)計有效載荷的飛行上使用；以及擴(kuò)展單元413，其用于有效載荷小于設(shè)計有效載荷的飛行的增加的電動航程。這些包可定位在諸如機(jī)翼的位置中、在懸掛于機(jī)翼的吊艙中、在機(jī)身下方，以便當(dāng)在地面上時易于使用快速釋放機(jī)構(gòu)414交換。飛機(jī)402控件包括動力系統(tǒng)優(yōu)化和控制系統(tǒng)(“pocs”，本文更詳細(xì)描述)416、飛行管理系統(tǒng)(fms)417和安全數(shù)據(jù)鏈路418。pocs416和fms417可以由電子處理元件、cpu、狀態(tài)機(jī)等執(zhí)行的一組計算機(jī)/軟件指令的形式來實現(xiàn)。除其他功能之外，pocs416追蹤機(jī)載能量存儲容量和剩余能量，fms417估計到達(dá)目的地機(jī)場的時間，并且數(shù)據(jù)鏈路用于與操作者和燃料服務(wù)提供商通信。

區(qū)域性i級或ii級機(jī)場404配備有交換、再加油和再充電站420，以實現(xiàn)混合電動飛行的快速周轉(zhuǎn)。這包括用于自動或半自動地移除和更換能量存儲單元的設(shè)備、從和向存儲裝置運輸包的設(shè)備以及用于能量存儲單元的存儲和再充電設(shè)施。機(jī)場404可包括用于現(xiàn)場發(fā)電的太陽能發(fā)電場422和連接到電網(wǎng)426的現(xiàn)場電網(wǎng)存儲裝置424。根據(jù)需求、成本、可用性等，可以最優(yōu)方式跨太陽能發(fā)電場、電網(wǎng)存儲裝置和電網(wǎng)汲取給能量存儲單元再充電的功率。

再充電再加油平臺410可跨空中網(wǎng)絡(luò)連接實體，以幫助精心安排有效的再充電和交換。平臺由飛行員或空中運輸操作者接合以基于操作需要來識別/選擇提供商和服務(wù)。這些請求被轉(zhuǎn)發(fā)給確認(rèn)和調(diào)度服務(wù)的提供商，并確保站已準(zhǔn)備好用于飛機(jī)的到達(dá)。本文已參照圖2和圖3描述可由平臺410執(zhí)行的某些操作或功能。區(qū)域性空中運輸操作者406可操作來調(diào)度和管理對于乘客、飛行員和飛機(jī)的服務(wù)。本文已參照圖2和圖3描述可由平臺406執(zhí)行的某些操作或功能。機(jī)場燃料服務(wù)提供商408可操作來調(diào)度和管理對能量存儲單元(諸如圖中的元件412和413)進(jìn)行再充電和交換操作的裝備或者為飛機(jī)上的增程發(fā)電機(jī)添加油的裝備。本文已參照圖2和圖3描述可由平臺406執(zhí)行的某些操作或功能。

圖5是示出可在本發(fā)明區(qū)域性空中運輸系統(tǒng)的實現(xiàn)方式中使用的本發(fā)明航程優(yōu)化混合電動飛機(jī)500的實例的圖。在一些實施方案中，這種飛機(jī)和/或空中運輸系統(tǒng)可具有以下特性或品質(zhì)中的一個或多個，其中區(qū)域性混合電動飛機(jī)被設(shè)計用于在通常高達(dá)500與1000英里之間的區(qū)域性航程上的最優(yōu)乘客或貨物運輸：

●飛機(jī)被設(shè)計用于利用本文所描述的一個或多個元件或過程在飛行中和在地面上進(jìn)行“貧油”操作，以實現(xiàn)到小型的服務(wù)有限的機(jī)場的空中操作；

飛行中的這種“貧油”操作通過飛機(jī)的以下特征中的一個或多個來實現(xiàn)：

-較低能量和成本：飛機(jī)和動力系統(tǒng)針對區(qū)域性飛行(例如與長途班機(jī)相比更低的速度、航程和上升限度)進(jìn)行優(yōu)化。動力系統(tǒng)優(yōu)化和控制(pocs或類似)平臺用于優(yōu)化飛行期間跨一個或多個能量/功率源的能量使用；

-較低atc載荷：機(jī)載ads-b，包括到空中交通管制的任選的數(shù)據(jù)鏈路；

-較少飛行員：電傳飛行能力，包括(如果需要的話)自動著陸。利用操作者上傳的綜合fms。高度自動化，包括用于遠(yuǎn)程駕駛或全自主飛行的設(shè)施；

-全天候操作：對中等高度飛行(例如25,000ft)的增壓，用以實現(xiàn)天氣和地形回避；以及

-最小跑道需要。<5,000ft的起飛平衡場。軟表面著陸能力；

此外，“貧油”地面操作通過飛機(jī)上以及機(jī)場處的以下特征來實現(xiàn)：

-快速再加油和修理：空中側(cè)對機(jī)載能量存儲單元(例如，蓄電池)的快速再充電或交換能力。在著陸前通過數(shù)據(jù)鏈路對再加油、再充電和維護(hù)要求進(jìn)行的自動或手動傳輸；

-快速登記和裝載：客艙在門附近設(shè)計有存儲架，以允許乘客帶著航空公司標(biāo)準(zhǔn)隨身行李登機(jī)，從而彌補(bǔ)小型到中型飛機(jī)所特有的低頭頂空間。同時，可重新配置的隔板可用于將乘客與用于存儲超大大小和托運行李的安全固持件分離。簡單的飛機(jī)側(cè)登記平臺(例如，智能手機(jī)、平板電腦、pc)可實現(xiàn)快速身份和票據(jù)檢查以及費用收取。通過乘客和貨物清單的預(yù)先下載以及延遲直到下一次由網(wǎng)絡(luò)覆蓋為止的支付的執(zhí)行，設(shè)計即使在沒有網(wǎng)絡(luò)訪問的離線模式下也將支持操作；

-飛行準(zhǔn)備：利用任選的操作者上傳的綜合fms。由pocs或其他系統(tǒng)執(zhí)行的自動系統(tǒng)檢查。具有數(shù)據(jù)鏈路的機(jī)載飛機(jī)監(jiān)測平臺；以及

●區(qū)域性空中運輸網(wǎng)絡(luò)可由下一代運力管理能力支持，以幫助最大化飛機(jī)載荷因數(shù)和利用率，諸如：

-更高的載荷因數(shù)：區(qū)域性預(yù)訂平臺，包括到用于常規(guī)空運的gds的鏈路。預(yù)訂平臺操作來使實時客戶需求與可用飛行匹配，包括用于固定調(diào)度和基于需求的調(diào)度(包括近實時能力)、按需和包機(jī)操作的措施。操作者通過其私有ars(較大操作者)或通過各種托管的、私有的標(biāo)記ars提供物(通常由較小操作者使用)與平臺接合；以及更高的飛機(jī)利用率：可創(chuàng)建電動飛機(jī)的虛擬“池”，從而使得所有者和操作者能夠提供和租賃飛機(jī)持續(xù)短的時間段(數(shù)小時)或中等時間段(數(shù)天-數(shù)周)。平臺使得能夠列出池化飛機(jī)，包括可用性和租賃條款。平臺包括用于基于要求定位可用飛機(jī)、用于協(xié)商條款和簽合同、支付處理和轉(zhuǎn)移支付以及用以接收或返回飛機(jī)的流線型過程。備件和飛行員/機(jī)組的類似虛擬池實現(xiàn)快速周轉(zhuǎn)、調(diào)度靈活性。

返回圖5，下表提供對圖中所示的飛機(jī)的主要元件的描述，并且還指出本發(fā)明飛機(jī)與常規(guī)飛機(jī)之間的構(gòu)造、材料和要求的差異。

應(yīng)注意，關(guān)于圖5所示的本發(fā)明飛機(jī)的實施方案，此實施方案是航程優(yōu)化區(qū)域性客機(jī)的概念性設(shè)計。用于推進(jìn)發(fā)動機(jī)522的電力由航程優(yōu)化串聯(lián)混合電動動力系統(tǒng)(本文參照圖7和圖8進(jìn)一步描述)提供，所述動力系統(tǒng)包括能量存儲單元510和增程發(fā)電機(jī)526-527(僅示出左側(cè))：

●能量存儲單元(在這種情況下是蓄電池包)位于機(jī)翼中，包括標(biāo)準(zhǔn)包510和用于在有效載荷小于設(shè)計有效載荷的飛行時使用的擴(kuò)展包511。在其他實施方案中，能量存儲單元可定位在翼下吊艙512中以及機(jī)身內(nèi)的各個位置處。所示實施方案具有定位在前機(jī)身中的客艙下方的蓄電池包513。用于增程發(fā)電機(jī)的燃料存儲在翼身整流罩箱519中；

●在此實施方案中，推進(jìn)電機(jī)522嵌入在用于高靜態(tài)推力的涵道風(fēng)扇523中，以實現(xiàn)短距起落、高爬升率和無音操作。另外的降噪通過將風(fēng)扇定位在v形尾翼531之間和機(jī)身上方以將地面與機(jī)首隔開來實現(xiàn)。發(fā)電機(jī)527整合在隔絕噪聲的空氣動力短艙521內(nèi)；

●到推進(jìn)電機(jī)的功率由配電系統(tǒng)525遞送，所述配電系統(tǒng)525從能量存儲單元510、511、512、513和增程發(fā)電機(jī)526、527的任何組合獲得能量。從存儲單元和發(fā)電機(jī)最優(yōu)地獲得能量由動力系統(tǒng)優(yōu)化和控制系統(tǒng)534(pocs，本文參考圖9和10進(jìn)一步描述)管理；

●飛機(jī)是“插入式”混合電動的，被設(shè)計來借助于插入點528通過基于地面的充電站，或者通過用充電的存儲單元交換完全或部分放電的存儲單元，來對所存儲電能進(jìn)行再充電。飛機(jī)上包括連接到干線或快速充電站的充電機(jī)構(gòu)，從而實現(xiàn)低或高速率的原位再充電。存儲單元還配備有快速釋放機(jī)構(gòu)以實現(xiàn)存儲單元或其模塊的迅速交換。還實現(xiàn)了在飛行中或在地面上的低功率操作期間通過機(jī)載發(fā)電機(jī)對存儲單元進(jìn)行有限再充電；

●所有或大多數(shù)飛機(jī)子系統(tǒng)可以是電動的，并且由混合電動動力系統(tǒng)來驅(qū)動。這些子系統(tǒng)可包括飛行控制系統(tǒng)、起落架、環(huán)境控制系統(tǒng)、防冰、燃料泵、滑行電機(jī)和照明；并且

●飛機(jī)可裝備用于各種飛行模式，從常規(guī)駕駛、到具有遠(yuǎn)程協(xié)助的機(jī)上駕駛、到遠(yuǎn)程駕駛、到具有遠(yuǎn)程協(xié)助的全自主駕駛。因此，飛機(jī)533的駕駛艙可被配置用于零個、一個或兩個飛行員，并且可包括使得能夠由遠(yuǎn)程飛行員和自動駕駛儀單元來控制飛機(jī)的能力。

本發(fā)明航程優(yōu)化混合電動區(qū)域性運輸飛機(jī)500的實施方案表示針對區(qū)域性乘客或貨物操作優(yōu)化的、有人或無人的相對較無音的可前向兼容的混合電動飛機(jī)。在一些實施方案中，這種飛機(jī)使用由一個或多個電動機(jī)提供動力的推進(jìn)系統(tǒng)，從而通過螺旋槳或其他合適的機(jī)構(gòu)、例如涵道風(fēng)扇(諸如本發(fā)明“efan”，參照圖6更詳細(xì)地描述)來遞送推力。飛機(jī)被設(shè)計來在區(qū)域性操作中高效率地操作：距離<1,000英里，巡航速度和高度針對此航程被優(yōu)化(<m0.7，<30,000ft)，燃料燃燒通常比等效的常規(guī)飛機(jī)低60-80％。飛機(jī)可比常規(guī)噴氣機(jī)小(<100個座位)以匹配區(qū)域性路線上的較低乘客量，被設(shè)計用于較短跑道操作(<5,000ft)以開放通向大數(shù)量較小社區(qū)機(jī)場的通道，并且以低客艙和環(huán)境噪音(<70epndb邊線和客艙)操作以獲得更大的乘客和社區(qū)接受度。

圖6是示出可在作為本發(fā)明空中運輸系統(tǒng)的一部分的電動混合飛機(jī)的實施方案中使用的整合變距電涵道風(fēng)扇的推進(jìn)系統(tǒng)600的圖：

●推進(jìn)系統(tǒng)600利用本發(fā)明靜音電涵道風(fēng)扇推進(jìn)器(在本文中稱為“efan”)來實現(xiàn)關(guān)鍵的無音stol能力。無音stol顯著提高飛機(jī)在社區(qū)和人口中心的“近距離”處飛行的能力，從而使乘客或貨物的門對門旅行時間巨變地減少。stol實現(xiàn)到更小的社區(qū)機(jī)場(在美國，>13,000)的操作，從而繞開擁擠的樞紐并且節(jié)省乘客時間。無音、高效、反向推力可用于代替地面支持設(shè)備進(jìn)行地面操縱，從而減少對在較小機(jī)場處可能無法獲得的人員和基礎(chǔ)設(shè)施的需要。無音操作轉(zhuǎn)換成更大的社區(qū)接受度，這通常是這類飛行的限制因素；

●如本文所描述，本發(fā)明人提出一種新穎的航程優(yōu)化設(shè)計，其空氣動力學(xué)和聲學(xué)針對區(qū)域性混合電動飛機(jī)的中間速度和高度被優(yōu)化，從而凸顯stol的高巡航效率和高靜態(tài)推力。這通過使用低壓比(1.02至1.10)變距風(fēng)扇來實現(xiàn)，以使得能夠根據(jù)飛行模式調(diào)節(jié)螺旋槳葉片槳距，包括反推力、再生制動和順槳；

●efan由位于涵道中心處并且直接地或通過任選的減速傳動器連接到風(fēng)扇的一個或多個高功率密度電動機(jī)提供動力。電機(jī)的液體或空氣冷卻完全整合在涵道內(nèi)。變速器是容錯的，被設(shè)計用于在電機(jī)、傳感器或通信故障的情況下繼續(xù)安全操作，這保留或允許推力輸出的柔性降級；

●除了實現(xiàn)推力的柔性降級之外，變距電風(fēng)扇還實現(xiàn)通過常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)和方法不易獲得的另外的安全和效率益處?？捎玫母吲ぞ?、對推力變化的高響應(yīng)速率可應(yīng)用于補(bǔ)充飛行控制、提高效率，并且可增強(qiáng)或完全替換飛行控制(例如，在主控制故障的情況下)；

●在正常操作中，對推進(jìn)器的控制通過飛行員或自動駕駛儀命令％功率、％反向功率或％再生制動來進(jìn)行，這些由pocs系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)穆菪龢~片槳距角、電機(jī)rpm和扭矩(或再生rpm和扭矩)并且傳輸?shù)诫姍C(jī)和變距控制器。在后備模式下，pocs自動化被繞過，并且飛行員直接命令電機(jī)和變槳距控制器：

■pocs系統(tǒng)基于功率計劃、％功率、飛行模式、高度和速度將％全功率轉(zhuǎn)化為rpm、扭矩和螺旋槳葉片槳距角。對于多個推進(jìn)器，可以使命令同步，這樣所有聯(lián)接的推進(jìn)器都以相同的設(shè)置進(jìn)行操作；

■類似地，pocs系統(tǒng)將％再生制動或％反向功率轉(zhuǎn)換為與設(shè)定到適當(dāng)?shù)脑偕鷕pm和扭矩水平的電機(jī)匹配的螺旋槳葉片槳距角；并且

■在緊急停機(jī)的情況下，pocs系統(tǒng)(或飛行員通過后備模式直接地)命令螺旋槳葉片到達(dá)順槳位置并且停止電機(jī)運動。

●在電動機(jī)的低rpm下的高扭矩加上涵道風(fēng)扇的高靜態(tài)推力導(dǎo)致良好的stol性能，而低風(fēng)扇尖端速度、風(fēng)扇定子以及涵道聲學(xué)設(shè)計和涵道聲學(xué)處理的組合遞送顯著更低的噪聲特征。作為附加的益處，涵道風(fēng)扇的提高的安全性和“噴射器樣”外觀預(yù)期轉(zhuǎn)換成相對于通常用于區(qū)域性操作的開放式螺旋槳飛機(jī)的強(qiáng)烈的消費者吸引力；

●推進(jìn)器針對將高出30％的速度帶內(nèi)的最優(yōu)效率定為目標(biāo)的前向兼容性來設(shè)計，其結(jié)構(gòu)被設(shè)計來適應(yīng)未來電機(jī)的更高扭矩和陀螺載荷；

●航程優(yōu)化設(shè)計被定制以便在區(qū)域性操作所特有的中等速度和高度(馬赫<0.7，高度<30,000ft)下獲得高巡航效率；

■通過在包括未來最大速度和高度的巡航范圍內(nèi)選擇質(zhì)量流量設(shè)計點來進(jìn)行前向兼容設(shè)計。馬赫數(shù)<0.7時，此范圍在當(dāng)量空速上從30mph延伸至250mph。相對于高速噴氣發(fā)動機(jī)，風(fēng)扇巡航壓力比要低得多(為1.02-1.10)以便獲得高的凈安裝效率，尤其是在爬升和低高度、低速度巡航操作中。進(jìn)氣和排氣區(qū)域被選擇來避免在此質(zhì)量流量條件范圍內(nèi)的分離和變形；以及

●變距風(fēng)扇盤和葉片601實現(xiàn)目標(biāo)速度范圍內(nèi)的高效率。

在一些實施方案中，efan設(shè)計包括：

-風(fēng)扇盤具有多個風(fēng)扇葉片(6-20個葉片)和超過60％的盤密實度；

-風(fēng)扇葉片被設(shè)計用于在低壓力比下獲得高效率并且在3000-4000rpm下操作。這引起隨著跨度以及弦的對應(yīng)增大而增大的空氣動力載荷；

-風(fēng)扇尖端可以是球形橫截面，以允許匹配的涵道壁輪廓內(nèi)的螺距變化，同時維持高效率所需的小尖端間隙；以及

-風(fēng)扇葉片被設(shè)計用于在擴(kuò)展到未來最大速度和高度的目標(biāo)巡航速度內(nèi)獲得最優(yōu)效率。包括用于通過變距能力實現(xiàn)靜推力、反推力和再生制動的設(shè)計；

-風(fēng)扇葉片在寬范圍的角度內(nèi)機(jī)械地傾斜。風(fēng)扇槳距角被測量成使得0°使葉片尖端弦平面與旋轉(zhuǎn)平面對準(zhǔn)；

-風(fēng)扇葉片是變距的，其角度變化的速度>100°/sec；

-在最小值時，變距機(jī)構(gòu)將適應(yīng)正常操作范圍、低rpm巡航，所述正常操作范圍在起飛時的小槳距的15°一直到在高速度時的50°之間；

-最大正角可高達(dá)對應(yīng)于葉片與進(jìn)入流對準(zhǔn)時的具有最小阻力的“順槳”位置的80°；并且

-最小角度可高達(dá)-40°以實現(xiàn)反向推力，同時維持電機(jī)和風(fēng)扇的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

如圖6所示，風(fēng)扇葉片601在根部611處附接到具有機(jī)構(gòu)610的機(jī)械輪轂，機(jī)構(gòu)610用于將葉片角度(槳距)從提供反向推力以便增強(qiáng)跑道制動的負(fù)角度機(jī)電地改變到對應(yīng)于在飛行中推進(jìn)器關(guān)閉的情況下的最小阻力的完全流線型角度。整個機(jī)構(gòu)隨風(fēng)扇盤和電驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。葉片槳距變化信號跨旋轉(zhuǎn)邊界傳遞。機(jī)構(gòu)通過機(jī)械聯(lián)動裝置同時驅(qū)動所有葉片。設(shè)計包括防逆轉(zhuǎn)定向制動器，以在沒有槳距變化的時段期間將反饋扭矩鎖在所述機(jī)構(gòu)之外。

efan可安裝在空氣動力學(xué)輪廓的流動涵道603中，以遞送無音stol操作所需的降噪和靜態(tài)推力。在一個實施方案中，涵道軸向長度為直徑的50-125％，其中風(fēng)扇位于涵道長度的40-60％處。涵道由位于風(fēng)扇盤后方的多個定子602支撐。涵道入口唇緣輪廓604具有連續(xù)可變半徑，其被設(shè)計用于獲得高巡航效率、在低速度和高功率下無分離、并且減弱正向風(fēng)扇音調(diào)的傳播。風(fēng)扇前方的涵道入口唇緣輪廓604促進(jìn)層流，同時使分離最小化。風(fēng)扇后方的涵道輪廓的漸變度足以避免正常操作包絡(luò)內(nèi)的流動分離。涵道出口區(qū)域通過擴(kuò)大風(fēng)扇后方的流、從而將流量降低到接近自由流水平來最小化噴氣噪聲。涵道外部輪廓603被設(shè)計來使自然層流最大化以獲得低阻力。涵道內(nèi)部橫截面可包括與風(fēng)扇對準(zhǔn)的徑向凹部或其他機(jī)構(gòu)，以實現(xiàn)高效率所需的小尖端間隙。

本發(fā)明efan600的特征可在于以下各項中的一項或多項：

●efan600被設(shè)計用于低噪聲操作，其噪聲比常規(guī)飛機(jī)低15-25epndb，如由以下特征中的一個或多個所實現(xiàn)：

■涵道風(fēng)扇中相對于等效推力打開式螺旋槳更小的葉片由于減小的尖端速度(目標(biāo)500-600fps，上限800fps)以及通過涵道和涵道絕緣對徑向噪聲分量的衰減而轉(zhuǎn)化為更無音的操作。此外，葉片被優(yōu)化以獲得低噪聲，包括前緣后掠角、后緣形狀、葉片尖端和根部形狀以及具有變化槳距的葉片尖端至涵道間隙的形狀；

■轉(zhuǎn)子-定子噪聲降低是通過用于低噪聲的定子設(shè)計和放置來實現(xiàn)

■定子的數(shù)量針對噪聲進(jìn)行優(yōu)化，并且由風(fēng)扇葉片數(shù)量和葉片rpm確定，以確保初級和次級bpf下降到低于2500hz。(bpf＝葉片通過頻率)；

■葉片后面的定子間距被優(yōu)化以用于降噪，在風(fēng)扇后方為1.5至2.5個葉片弦。定子扭轉(zhuǎn)和平臺被設(shè)計用于移除渦流以降低湍流渦噪聲；

■變距葉片的使用減小了尾流強(qiáng)度，它是轉(zhuǎn)子-定子噪聲的主要驅(qū)動因素，尤其是在起飛時；

■涵道被設(shè)計來衰減噪聲，包括風(fēng)扇在涵道中的優(yōu)化軸向位置，用以最小化風(fēng)扇音調(diào)的傳播的涵道橫向輪廓、入口唇緣輪廓和出口輪廓的設(shè)計，涵道入口、中心整流罩和出口的關(guān)鍵區(qū)域的聲學(xué)處理；以及

■涵道可用作可變阻力空氣制動器，從而代替常規(guī)擾流器，它們是機(jī)架噪聲的主要來源；

●涵道被設(shè)計用于通過再生制動進(jìn)行能量回收和飛機(jī)速度控制，以提高整體效率，并且消除對典型地有噪聲的空氣制動機(jī)構(gòu)的需要。再生并且因此空速控制是完全可變的，并且通過對變距螺旋槳的調(diào)整和施加到電機(jī)的電載荷來實現(xiàn)。飛行員可請求使用標(biāo)準(zhǔn)功率桿角度進(jìn)行％再生制動，移動進(jìn)入低于標(biāo)準(zhǔn)飛行慢車的防護(hù)范圍。pocs系統(tǒng)通過控制螺旋槳葉片槳距角和電機(jī)再生功率輸出來遞送％再生制動，以遞送通過電機(jī)功率輸出測量的目標(biāo)水平的空氣動力阻力；

●它被設(shè)計用于獲得反向推力以減小停止距離，尤其是在具有減小的制動作用的表面上，并且還用于需要反向力的地面操作(例如，標(biāo)準(zhǔn)門“推出”)，從而減少對機(jī)場操作基礎(chǔ)設(shè)施的需要。反向推力可通過具有傾斜到負(fù)角度的葉片的變距風(fēng)扇來實現(xiàn)，或者可通過使電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向反向來實現(xiàn)。反向旋轉(zhuǎn)是電風(fēng)扇獨有的能力，是利用無復(fù)雜齒輪的常規(guī)飛機(jī)發(fā)動機(jī)所無法獲得的；

●它被設(shè)計用于飛機(jī)補(bǔ)充控制或主控制。高恒定扭矩、毫秒迅速電機(jī)響應(yīng)以及高速風(fēng)扇槳距變化率響應(yīng)使得涵道風(fēng)扇能夠快速地改變推力輸出。這種差動或矢量推力圍繞飛機(jī)重心產(chǎn)生力矩，所述力矩可用于提供飛機(jī)主控制或補(bǔ)充控制。在主控制失效的情況下，控制系統(tǒng)可被重新配置來利用推力力矩來恢復(fù)一定程度的失去的控制權(quán)限：

-差動推力。在一種實現(xiàn)方式中，來自一個或多個推進(jìn)器的推力可變化以圍繞重心提供力矩。根據(jù)電機(jī)位置和推進(jìn)器數(shù)量，這可產(chǎn)生俯仰或偏航力矩；

-矢量推力。在更主動的實現(xiàn)方式中，來自一個或多個推進(jìn)器的推力可通過使用排氣百葉窗、推進(jìn)器萬向節(jié)或其他裝置來導(dǎo)向，以產(chǎn)生俯仰、偏航或橫滾力矩；

●涵道風(fēng)扇可被設(shè)計用于：直接地增升，其中來自一個或多個推進(jìn)器的推力通過百葉窗、萬向安裝件或其他裝置來導(dǎo)向，以便產(chǎn)生直接抵消飛機(jī)重量的推力矢量(即，升力)；或者通過在空氣動力學(xué)表面上引導(dǎo)排氣流以產(chǎn)生吸力(升力)和/或流動偏轉(zhuǎn)(例如，諸如“吹氣襟翼”的coanda表面)來間接地增升；

●它被設(shè)計用于整合冷卻。電動機(jī)和相關(guān)的控制器-逆變器電子器件產(chǎn)生顯著量的廢熱。非常希望的是，在所增加的重量和阻力最小的情況下完成排熱。這可以按以下方式直接實現(xiàn)到涵道風(fēng)扇設(shè)計中：

-熱交換器表面可并入定子和/或涵道的后部內(nèi)表面中。以這種方式，不存在另外的散熱器和用于阻力的另外表面區(qū)域，尤其重要的是，由于熱流直接隨著功率輸出而變化，并且在下降期間的飛行中可能下降到零，此時期望冷卻損失可忽略；

-電機(jī)熱量可被排放到短艙的前緣中的熱交換器，以防止當(dāng)在凍降水中飛行時積冰；與向電熱熱前緣提供功率相比，這是顯著更加能量有效的；

●應(yīng)注意，efan設(shè)計是容錯架構(gòu)，如以下特征所例示：

■組件被設(shè)計來確保在任何一個電機(jī)系統(tǒng)(包括電機(jī)逆變器、控制器、功率總線等)中發(fā)生故障的情況下通過推力的柔性降級來繼續(xù)安全操作，如由pocs(圖10的元件1042和/或圖11的元件1160)所實現(xiàn)。被設(shè)計用于支持柔性推力降級的硬件(包括多個電動機(jī))可驅(qū)動單個軸，電隔離確保一個電動機(jī)中的故障不影響其他電動機(jī)的安全操作，并且單獨電機(jī)可被設(shè)計用于獲得比連續(xù)高出60-80％的峰值性能、持續(xù)5-10分鐘的恢復(fù)期，以使得尚存的電機(jī)能夠上電以部分或完全適應(yīng)其他地方的故障。這可包括將電機(jī)設(shè)計用于更高功率額定值和引入用于積極冷卻過熱點的機(jī)構(gòu)，使得延長的峰值并不損壞電機(jī)。在由于電機(jī)故障而造成電機(jī)功率損失的情況下，pocs警告飛行員并且將功率重新分配給健康單元以保留推力、持續(xù)足以允許飛行員操縱到安全狀態(tài)的持續(xù)時間(圖11的元件1144)；

■在推進(jìn)器完全失效(包括由于物理損壞造成的失效)的情況下，葉片可自動地設(shè)定成“風(fēng)車”(葉片繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，但是不從流中提取能量以獲得最小阻力)，或者傾斜到完全流線型角度(“順槳”)，并且電機(jī)隨后被制動以防止任何旋轉(zhuǎn)。失效或潛在失效可通過監(jiān)測電機(jī)功率輸出與命令輸出并且通過監(jiān)測電機(jī)處的振動以檢測機(jī)械損壞/失效來檢測；以及

■在通信或傳感器失效的情況下的容錯可通過冗余系統(tǒng)來實現(xiàn)。電機(jī)和變距控制器與pocs的標(biāo)準(zhǔn)連接由后備配線補(bǔ)充，包括在沒有pocs干預(yù)的情況下直接訪問控制器的能力。類似地，電機(jī)和槳距傳感器由后備傳感器或無傳感器的控制能力補(bǔ)充。pocs內(nèi)的傳感器故障檢測能力可根據(jù)需要跨這些進(jìn)行切換。

返回圖6，下表提供對圖中所示的efan的主要元件的描述，并且還指出本發(fā)明efan與常規(guī)風(fēng)扇/推進(jìn)器之間的構(gòu)造、材料和要求的差異。

圖7是示出可在用作本發(fā)明空中運輸系統(tǒng)的一部分的電動混合飛機(jī)的實施方案中使用的動力系統(tǒng)700及其相關(guān)聯(lián)元件的圖。如圖所示，在一個實施方案中，動力系統(tǒng)700和相關(guān)聯(lián)的元件可包括或特征可在于以下特征、元件、過程或方面中的一個或多個：

●串聯(lián)混合電動動力系統(tǒng)，其通過一個或多個電動機(jī)遞送動力，使蓄電池(或用于存儲電能的其他方法)與基于化學(xué)燃料的發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)組合結(jié)合為任選的增程器。發(fā)動機(jī)可以是將所存儲化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電力的活塞、渦輪或其他形式的熱發(fā)動機(jī)。動力系統(tǒng)還向飛機(jī)的其他電子子系統(tǒng)遞送電力，所述電子子系統(tǒng)可包括具有電致動器的飛行控制系統(tǒng)、電致動起落架、環(huán)境控制系統(tǒng)、滑行電機(jī)、防冰、燃料泵和照明；

●動力系統(tǒng)包括通過包括電源和控制電路的動力系統(tǒng)平臺整合的一組模塊，例如蓄電池包、發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、功率逆變器dc/dc轉(zhuǎn)換器、燃料系統(tǒng)、電動機(jī)等。每個模塊通過控制電路連接到動力系統(tǒng)優(yōu)化和控制系統(tǒng)(pocs)。模塊控制器由pocs平臺查詢或指導(dǎo)，并且按需或連續(xù)地向pocs傳輸一系列狀態(tài)和性能信息。pocs到模塊控制器的通信由api實現(xiàn)，api定義pocs和模塊進(jìn)行通信所用的協(xié)議；

●動力系統(tǒng)的操作由pocs基于飛行員指導(dǎo)在半自動或全自動模式下進(jìn)行控制。為了實現(xiàn)這一點，單獨的動力系統(tǒng)模塊配備有通過api按需和/或周期性地跨模塊接口與pocs通信的控制器。傳達(dá)到pocs的關(guān)鍵指標(biāo)可包括以下各項：每個電機(jī)的開關(guān)、rpm、功率、狀態(tài)；每個蓄電池包的蓄電池容量、功率、狀態(tài)；燃料液位和流率；發(fā)動機(jī)開關(guān)、功率、狀態(tài)；以及每個轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)。從pocs接收的關(guān)鍵控制指示包括以下各項：每個電機(jī)的開關(guān)、rpm和扭矩；每個蓄電池包的功率；發(fā)動機(jī)的開關(guān)和功率；以及

●動力系統(tǒng)是“插入式”的，并且被設(shè)計來通過地面充電站給所存儲電能再充電。在飛行中進(jìn)行有限再充電也可在低功率操作期間由發(fā)動機(jī)實現(xiàn)；并且/或者在下降期間借助于自轉(zhuǎn)推進(jìn)器的再生制動以及在接地之后借助于起落架的再生制動來實現(xiàn)。如以上所指出，能量存儲單元可容納在多個模塊中，安裝在飛機(jī)內(nèi)部或外部(例如，在機(jī)翼中)，具有實現(xiàn)迅速交換或投棄的任選的快速釋放機(jī)構(gòu)。機(jī)上包括連接到干線或迅速充電站的充電和冷卻機(jī)構(gòu)，以用于低或高速率的原位再充電。

參考圖7，動力系統(tǒng)700包括一個或多個電動推進(jìn)器701、一根或多根配電總線730、一個或多個可再充電能量存儲單元710以及(如果需要的話)一個或多個任選的增程發(fā)電機(jī)720。動力系統(tǒng)700還可包括用以從外部源向配電總線730供電的元件731，用以從外部源向可再充電存儲單元710充電的元件713，以及用以向飛機(jī)的其他電氣系統(tǒng)分配電力的元件732。應(yīng)注意，元件713、731和732可采取任何合適的形式，諸如(但不限于)電氣接口、電纜、聯(lián)接器或控制器。無論元件732的形式如何，它通常都包括一個或多個dc到dc轉(zhuǎn)換器，以將功率轉(zhuǎn)換為其他電氣系統(tǒng)通常所需的較低電壓電平，所述其他電氣系統(tǒng)例如環(huán)境控制系統(tǒng)、燃料泵、防冰、照明以及用于維生系統(tǒng)(例如，飛行控制和航空電子設(shè)備)的后備/故障安全分配。

動力系統(tǒng)700是插入式串聯(lián)混合電動的，其被設(shè)計來利用最優(yōu)地從可再充電能量存儲裝置710和增程發(fā)電機(jī)720汲取的能量來為電動推進(jìn)器701供電?？紤]到來自可再充電能量存儲裝置710的能量的通常較低的總成本，僅當(dāng)所存儲能量不足以完成飛行或者操縱需要的功率超過可從可再充電存儲裝置710獲得的功率時，才從增程發(fā)電機(jī)720汲取功率。來自可再充電能量存儲單元的能量的總成本等于用于給單元充電的能量的成本、單元的充電和放電效率以及在單元可用壽命內(nèi)攤銷的單元成本，所述可用壽命被定義為在性能降級到低于閾值之前的充放電循環(huán)的次數(shù)。例如，具有成本效益的蓄電池包可使用來自電網(wǎng)的低成本電力進(jìn)行充電，并且提供非常高效率的充電和放電，其使用壽命>1,000次循環(huán)。

電動推進(jìn)器701是如圖所示的涵道風(fēng)扇(諸如參考圖6所描述的那些)或開放式螺旋槳。推進(jìn)器被設(shè)計用于通過所示的變距機(jī)構(gòu)703或通過其他裝置(諸如可調(diào)廢氣栓)來以多種模式操作。所實現(xiàn)的操作模式可包括例如起飛、巡航、再生制動、順槳、反向推力。風(fēng)扇702利用用于隔離單獨電機(jī)以使得能夠在機(jī)械或電動故障的情況下繼續(xù)操作的機(jī)構(gòu)或過程機(jī)械地聯(lián)接到一個或多個電動機(jī)704。在正常操作中，風(fēng)扇703由電動機(jī)704驅(qū)動，所述電動機(jī)704通過電機(jī)控制器和dc-ac逆變器-整流器705從配電總線730接收電能。另一方面，在再生制動中，風(fēng)扇703驅(qū)動電動機(jī)704以產(chǎn)生電能，所述電能通過dc-ac逆變器-整流器705遞送到配電總線730。

可再充電能量存儲單元710由所示蓄電池包711、超級電容器或用于存儲電能的其他介質(zhì)(或其組合)組成，它們與管理包的操作和安全的蓄電池管理系統(tǒng)712聯(lián)接。每個包可包括多個可單獨移除的蓄電池模塊，并且在這些模塊中的一些或全部就位的情況下操作。存儲單元711主要通過713由外部源充電，但也能夠在再生制動期間通過電動推進(jìn)器701或者在低功率飛行期間通過增程發(fā)電機(jī)720來在飛行中進(jìn)行有限充電?？稍俪潆姶鎯卧?10在放電時向配電總線730遞送電力，或者在再充電時從配電總線730或外部源713接收電力。

存儲單元711裝備用于通過外部源713進(jìn)行原位迅速充電，并且還裝備用于利用快速釋放機(jī)構(gòu)進(jìn)行迅速交換。這些使得能夠手動或自動地用定位在地面上的預(yù)充電替換物交換機(jī)載存儲單元。

任選的增程發(fā)電機(jī)720可包括內(nèi)燃機(jī)721，每個內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動一個或多個發(fā)電機(jī)723?？商娲兀@些可包括將所存儲化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電力的單元，例如氫燃料電池。內(nèi)燃機(jī)721可以是常規(guī)內(nèi)燃機(jī)，其使用一系列燃料(例如，柴油、汽油、jet-a)中的一種來在一個或多個燃燒室中引發(fā)并維持燃燒。燃料存儲在一個或多個燃料箱722中，并且根據(jù)需要泵送到發(fā)電機(jī)。發(fā)動機(jī)721通常利用用于隔離單獨發(fā)電機(jī)以防發(fā)生故障的機(jī)構(gòu)或過程機(jī)械地連接到發(fā)電機(jī)723。當(dāng)操作時，發(fā)動機(jī)721驅(qū)動發(fā)電機(jī)723以通過用作有源整流器724的ac-dc整流器或逆變器來將電能遞送到配電總線730。

圖8是用于可在實現(xiàn)本發(fā)明運輸系統(tǒng)的實施方案中使用的代表性飛機(jī)的串聯(lián)混合驅(qū)動配置800的示意圖。應(yīng)注意以下特征、元件、過程或方面：

-動力系統(tǒng)包括各自由兩個電動機(jī)802供電的兩個電動推進(jìn)器801、作為可再充電存儲單元的兩個蓄電池包803以及單個增程發(fā)電機(jī)。在此實例中，發(fā)電機(jī)聯(lián)接與兩個電動發(fā)電機(jī)805聯(lián)接的單個內(nèi)燃機(jī)804；

-在一些實施方案中，電動機(jī)802是效率>90％的無刷的、電子控制的軸向磁通驅(qū)動電機(jī)，在連續(xù)輸出功率下具有>5kw/kg的比功率密度，并且具有比連續(xù)輸出高出大于>50％的峰值功率輸出。此外，電機(jī)可被設(shè)計用于低rpm(例如<4,000)以實現(xiàn)直接驅(qū)動。電動發(fā)電機(jī)805具有與驅(qū)動電機(jī)相同的架構(gòu)，能夠在峰值下操作、持續(xù)例如蓄電池包的故障的恢復(fù)期。每個電機(jī)802和發(fā)電機(jī)805聯(lián)接到固態(tài)轉(zhuǎn)換器-控制器(諸如，整流器)，以在具有最小損耗的情況下提供精確電機(jī)控制并且保護(hù)電機(jī)免受電壓波動；

-在一個實施方案中，內(nèi)燃機(jī)804是渦輪柴油活塞式發(fā)動機(jī)，其被調(diào)諧來在固定rpm下以最大效率操作，所述固定rpm與電動機(jī)的設(shè)計rpm對準(zhǔn)以實現(xiàn)直接驅(qū)動。渦輪增壓允許發(fā)動機(jī)從海平面一直到10,000ft遞送相對一致的功率；

-到推進(jìn)器801中的每一個的功率由兩根主總線806中的一根遞送，所述兩根主總線806中的一根由兩個蓄電池包803中的一個和兩個電動發(fā)電機(jī)805中的一個供電。主總線806還通過降壓dc-dc轉(zhuǎn)換器807將功率分配給飛機(jī)的非推進(jìn)子系統(tǒng)810；

-第三維生總線808重新路由功率以適應(yīng)電動機(jī)、配電總線、蓄電池包或發(fā)電機(jī)中的任一者的失效。在電動機(jī)802失效的情況下，維生總線808將功率重新路由至尚存電機(jī)，從而使得飛行員能夠請求峰值推力以用于恢復(fù)操縱。在主總線806失效的情況下，維生總線808接合以完全替換損失的功能性。在蓄電池包803或發(fā)電機(jī)805失效的情況下，維生總線808從尚存源重新路由功率以維持來自電動機(jī)的平衡輸出；并且

-在主總線806或降壓dc-dc轉(zhuǎn)換器807中的一個失效的情況下，維生總線808還將功率重新路由到非推進(jìn)子系統(tǒng)810和航空電子設(shè)備812。

-所示810和812表示用于給飛機(jī)上的非推進(jìn)子系統(tǒng)和航空電子設(shè)備供電的標(biāo)準(zhǔn)電路。前者包括諸如防冰、燃料泵、增壓、冷卻、飛行控制的系統(tǒng)，并且在中間電壓(例如，270v)下操作。后者在低電壓(例如，28v)下操作，并且包括飛機(jī)上最關(guān)鍵的航空電子系統(tǒng)。如圖所示，這些電路通常包括用于在失效情況下的容錯的冗余路徑和另外功率源。

如參考圖5所描述的，本發(fā)明運輸系統(tǒng)包括針對在區(qū)域性航程內(nèi)的最大運輸效率而優(yōu)化的飛機(jī)設(shè)計，具體地是創(chuàng)新的航程優(yōu)化混合電動動力系統(tǒng)。在一些實施方案中，此設(shè)計目標(biāo)促成共同地實現(xiàn)在目標(biāo)區(qū)域性航程內(nèi)比常規(guī)飛機(jī)降低65-80％的doc的以下特征：

●動力系統(tǒng)被設(shè)定大小以用于在<1,000英里的區(qū)域性航程內(nèi)獲得最大運輸效率，這通過3等級或3級目標(biāo)來設(shè)計：

●(a)在純電動航程內(nèi)的最高效率(比常規(guī)飛機(jī)低80+％的doc)和最優(yōu)速度；

●(b)在較大混合航程內(nèi)的中等效率(比常規(guī)飛機(jī)低60-70％的doc)和最優(yōu)速度；以及

●(c)在超過由機(jī)載所存儲能量和燃料減去安全儲備確定的最大范圍內(nèi)的良好效率(比常規(guī)飛機(jī)低30-60％的doc)和較低速度；

●動力系統(tǒng)被設(shè)定大小以用于獲得對于區(qū)域性子航程(b)最優(yōu)的速度和高度(也可基于在區(qū)域性子航程(c)內(nèi)對比在航程(a)和(b)內(nèi)的相對旅行頻率針對在子航程(c)上的較低速度來優(yōu)化)，所述速度和高度通過最小化目標(biāo)函數(shù)(例如，在子航程內(nèi)的飛行的“doc+i+cot”)來確定。這導(dǎo)致用于比常規(guī)噴氣飛機(jī)更慢的速度、更低的高度和更短的航程的設(shè)計；

●可再充電能量存儲裝置和增程發(fā)電機(jī)組合，其基于速度和航程要求(a)、(b)和(c)來設(shè)定大小。所存儲能量第一的設(shè)計，借此針對航程(b)和(c)中的飛行，可再充電能量存儲裝置被完全耗盡，其中所需儲備被維持作為用于任選的增程發(fā)電機(jī)的燃料，或者如果機(jī)上沒有增程發(fā)電機(jī)則有較少所需儲備?？稍俪潆娔芰看鎯ρb置和增程發(fā)電機(jī)被設(shè)定大小以在混合航程(b)上實現(xiàn)最優(yōu)速度，并且可再充電能量存儲裝置被設(shè)定大小以在純電動航程(a)上實現(xiàn)最優(yōu)速度。增程發(fā)電機(jī)被設(shè)定大小以在航程(c)上實現(xiàn)低速巡航，并且因此向下適化到低于最大連續(xù)動力系統(tǒng)輸出的70％(遠(yuǎn)低于常規(guī)飛機(jī))，以便提高效率；以及

●優(yōu)化的能量存儲裝置質(zhì)量(飛機(jī)重量的12-20％)，以及向下適化增程發(fā)電機(jī)，其具有非常低的功率輸出，通常小于動力系統(tǒng)的最大連續(xù)輸出的70％(低于常規(guī)飛機(jī))。

應(yīng)注意，本文描述本發(fā)明航程優(yōu)化飛機(jī)和動力系統(tǒng)的實施方案的設(shè)計過程，包括使用所指出的一組分3級的速度和航程要求來對混合電動動力系統(tǒng)的元件設(shè)定大小的過程。所描述的用于本發(fā)明飛機(jī)和相關(guān)聯(lián)元件的設(shè)計可前向兼容，以支持在機(jī)架的壽命期間的操作能力或關(guān)鍵動力系統(tǒng)模塊的預(yù)期升級?？紤]到ev技術(shù)的快速發(fā)展，此特征確保隨著單獨模塊技術(shù)(例如，蓄電池、超級電容器、電動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃料電池)的改進(jìn)，動力系統(tǒng)隨時間的推移保持競爭力。此外，一旦能量存儲技術(shù)提高到不再需要增程發(fā)電機(jī)的程度，那么此特征使得飛機(jī)能夠順利地從混合電動轉(zhuǎn)變成全電動。

為了提供前向兼容性，通過以下方式來設(shè)計動力系統(tǒng)：基于飛機(jī)發(fā)布時可用并且預(yù)測在未來15年期間內(nèi)可用的技術(shù)(包括從混合電動到全電動的轉(zhuǎn)變計劃)來針對所提及的速度和航程要求(a)、(b)和(c)設(shè)定能量存儲單元和發(fā)電機(jī)組合的大小。這導(dǎo)致對機(jī)載可再充電存儲裝置和增程發(fā)電機(jī)的預(yù)測，并且進(jìn)而隨時間推移確定性能特性：速度、電動和混合航程以及操作成本；隨著技術(shù)的改進(jìn)，電動航程增加并且操作成本降低。

前向兼容性可能需要將可再充電能量存儲單元的重量限制到飛機(jī)重量的12-20％，使得隨著ev技術(shù)的改進(jìn)，有效載荷容量大致一致。較高的重量分?jǐn)?shù)將導(dǎo)致在最初幾年比具有類似有效載荷的飛機(jī)更大且更重的設(shè)計，其中有效載荷隨時間的推移而增加?？紤]到增程發(fā)電機(jī)的高得多的使用率，較低的分?jǐn)?shù)導(dǎo)致次最優(yōu)效率。

為了實現(xiàn)前向兼容性，動力系統(tǒng)平臺被設(shè)計來支持在機(jī)架的設(shè)計壽命(通常為15-20年)內(nèi)的模塊技術(shù)。這可通過在適當(dāng)情況下基于在具有未來模塊的情況下的動力系統(tǒng)操作設(shè)計平臺來實現(xiàn)，并且確保適應(yīng)未來技術(shù)所需的升級是相對簡單且具有成本效益的。例如，到電動機(jī)的配線的額定值可高達(dá)高出30％的峰值功率，以支持未來更強(qiáng)大的電機(jī)和更高的飛機(jī)速度。平臺的配線可被設(shè)計來允許可再充電存儲單元的向上適化和重新分布，從而向下適化或移除增程發(fā)電機(jī)。來自能量存儲單元的配線可被設(shè)計來支持未來的更高容量的包，并且當(dāng)增程發(fā)電機(jī)被移除時，用于發(fā)電機(jī)的空間可被配線以用于可再充電存儲單元。此外，可能將需要升級的動力系統(tǒng)的模塊和元件(例如，配線、線束、開關(guān)、轉(zhuǎn)換器)被設(shè)計和定位以便簡單替換和容易觸及。

動力系統(tǒng)平臺和動力系統(tǒng)優(yōu)化和控制系統(tǒng)(pocs，參考圖9-11以及圖7-8所示的示例性動力系統(tǒng)配置描述)被設(shè)計成使得隨著存儲技術(shù)的改進(jìn)，動力系統(tǒng)能夠從混合分階段轉(zhuǎn)變到全電動。這包括用于隨時間推移在具有或不具有任選的增程發(fā)電機(jī)、基于燃料或可再充電存儲裝置的儲備以及被設(shè)計來允許發(fā)電機(jī)與存儲單元的交換的平臺的情況下進(jìn)行操作的設(shè)計。此外，動力系統(tǒng)的特征可在于各項：

●模塊性—通過硬件和軟件平臺連接的一組可交換的幾乎能夠“即插即用”的模塊。這使得動力系統(tǒng)能夠通過相對簡單的模塊升級來適應(yīng)快速改進(jìn)的技術(shù)。動力系統(tǒng)模塊可包括可再充電存儲單元、增程發(fā)電機(jī)和電動機(jī)。動力系統(tǒng)平臺包括動力系統(tǒng)優(yōu)化和控制系統(tǒng)(pocs)、電氣配線、配電總線、轉(zhuǎn)換器、燃料系統(tǒng)、傳感器、冷卻、屏蔽以及操作以使得模塊能夠協(xié)作以形成動力系統(tǒng)的任何另外的過程或結(jié)構(gòu)；

●模塊性通過將動力系統(tǒng)平臺和將模塊連接到平臺的接口設(shè)計成與在機(jī)架的壽命期間很可能可獲得的模塊技術(shù)的范圍(如先前所提及)兼容來促進(jìn)。這使得能夠通過將兼容模塊連接到接口(包括電氣和控制電路，以及諸如冷卻、屏蔽、燃料和結(jié)構(gòu)的服務(wù))來將模塊插接到動力系統(tǒng)中。例如，增程發(fā)電機(jī)通過到發(fā)電機(jī)整流器的電連接器、通過到發(fā)電機(jī)控制器、內(nèi)燃機(jī)控制器和燃料系統(tǒng)控制器的pocs連接器并且通過到發(fā)電機(jī)和發(fā)動機(jī)的燃料和冷卻服務(wù)來插接到平臺。在可能需要升級以容納新模塊的區(qū)域中，動力系統(tǒng)被設(shè)計成使得能夠進(jìn)行相對簡單且具有成本效益的修改；

●單獨的模塊控制器連接到動力系統(tǒng)優(yōu)化和控制系統(tǒng)(pocs)以精心安排動力系統(tǒng)的操作。模塊控制器由pocs平臺查詢或指導(dǎo)，并按需或連續(xù)地向pocs傳輸一系列狀態(tài)和性能信息/數(shù)據(jù)。pocs到模塊控制器的通信由api實現(xiàn)，api定義pocs和模塊進(jìn)行通信所用的協(xié)議。動力系統(tǒng)的操作由pocs基于飛行員指導(dǎo)在半自動或全自動模式下進(jìn)行控制。為了實現(xiàn)這一點，單獨的動力系統(tǒng)模塊配備有通過api按需和周期性地跨模塊接口與pocs通信的控制器。傳達(dá)到pocs的關(guān)鍵指標(biāo)可包括以下各項：每個電機(jī)的開關(guān)、rpm、功率/狀態(tài)；每個蓄電池包的蓄電池容量、功率/狀態(tài)；燃料液位和流率；以及發(fā)電機(jī)開關(guān)、功率/狀態(tài)。從pocs接收的關(guān)鍵控制指示可包括以下各項：每個電機(jī)的開關(guān)、rpm和扭矩；每個蓄電池包的功率；以及發(fā)電機(jī)的開關(guān)和功率；

●動力系統(tǒng)被設(shè)計來支持相對簡單的模塊對換/交換。動力系統(tǒng)平臺和通向平臺、電動、控制以及諸如冷卻、屏蔽、燃料、結(jié)構(gòu)的服務(wù)的接口被設(shè)計成適應(yīng)多種多樣的模塊。這些包括每個模塊上用以實現(xiàn)“即插即用”類型的配對的對應(yīng)配線、控制或監(jiān)測以及其他服務(wù)能力的規(guī)格。例如，在蓄電池包的情況下，這通常將包括峰值和穩(wěn)態(tài)放電率、bms協(xié)議、插座說明。pocs還使得能夠在模塊改變之后對動力系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。這可包括對與一系列預(yù)先批準(zhǔn)的兼容模塊一起使用的動力系統(tǒng)的faa認(rèn)證。此外，在一些情況下，動力系統(tǒng)的設(shè)計可包括支持在新模塊可能需要修改的區(qū)域中進(jìn)行相對簡單或具有成本效益的修改的能力；

●可實現(xiàn)具有針對不同市場定制的性能的動力系統(tǒng)變型；在一些情況下，這可通過改變對動力系統(tǒng)模塊的選擇以便提供飛機(jī)配置的不同速度、航程和操作成本來完成。例如，“經(jīng)濟(jì)型”通勤動力系統(tǒng)可將高效渦輪柴油增程器與中等密度蓄電池聯(lián)接，從而提供一流的操作成本，但是對于更長的航程具有長的飛行時間。相比之下，“性能型”商務(wù)動力系統(tǒng)可將效率較低但更輕的渦輪軸增程器與更高密度的蓄電池聯(lián)接，從而提供一流的區(qū)域性速度，但是操作成本適度地較高；

●動力系統(tǒng)操作可通過最大化可再充電存儲單元的使用率來在區(qū)域性航程內(nèi)提供最優(yōu)效率；這可通過將在飛行期間完全耗盡(或者如果在電動航程(a)內(nèi)的話則更低)定為目標(biāo)來實現(xiàn)，其中增程發(fā)電機(jī)只有當(dāng)可用所存儲能量不足以完成飛行時才開啟。這轉(zhuǎn)換成在純電動航程(a)內(nèi)的超高效所存儲能量飛行，以及在較長混合航程(b)或總范圍(c)內(nèi)的非常有效的混合飛行；

●跨可再充電存儲單元和增程發(fā)電機(jī)維持安全儲備，以最大化可再充電存儲單元的使用率。例如，如果機(jī)載增程發(fā)電機(jī)的功率輸出實現(xiàn)飛機(jī)的安全操縱，那么儲備被維持作為足以供在由規(guī)章或其他手段確定的時間長度內(nèi)進(jìn)行操作的用于發(fā)電機(jī)的燃料。如果增程發(fā)電機(jī)不能實現(xiàn)飛機(jī)的安全操縱，那么燃料儲備由與在目標(biāo)時間長度內(nèi)實現(xiàn)操縱所需等效的所存儲能量來補(bǔ)充；

●動力系統(tǒng)是“插入式”的，并且可再充電存儲單元被設(shè)計成由路基充電站補(bǔ)給。這通過用于連接到干線或迅速充電站以用于低或高速率的原位再充電的機(jī)載充電平臺來實現(xiàn)。還包括通過釋放機(jī)構(gòu)實現(xiàn)的可再充電存儲單元的迅速交換能力，以使得能夠用充電的單元快速替換耗盡的單元；

●每個可再充電存儲單元可包括多個可單獨交換的模塊。這通過裝載另外的模塊以擴(kuò)展純電動航程而使得能夠增加低有效載荷飛行時的效率?；蛘咝遁d一些模塊以增加有效載荷容量，但是純電動航程有所損失。在蓄電池的情況下，這通過插接到蓄電池包內(nèi)的隔艙中的電池模塊的設(shè)計來實現(xiàn)。每個模塊可包括一個或多個具有配線的電池、傳感器和控制器，連同第一級冷卻、結(jié)構(gòu)支持和防火保護(hù)特征。通過通向蓄電池包電源、傳感器、控制和冷卻電路的連接器并且通過快速釋放機(jī)構(gòu)實現(xiàn)簡單安裝；以及

●動力系統(tǒng)設(shè)計通過推進(jìn)器的再生制動提供能量回收。為了實現(xiàn)這一點，推進(jìn)器被配備用于通過使用變距螺旋槳或另一種機(jī)構(gòu)(例如，可調(diào)廢氣栓)來改變空氣制動的程度。因此，當(dāng)接合空氣制動時，可再充電能量存儲裝置從作為發(fā)電機(jī)操作的電動機(jī)接收能量。動力系統(tǒng)還被設(shè)計用于在低功率操作期間由增程發(fā)電機(jī)進(jìn)行選擇性充電。在此模式下，由增程發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的一些或全部電能被引導(dǎo)到可再充電能量存儲單元。

本發(fā)明動力系統(tǒng)設(shè)計和配置被建造來允許柔性降級，以獲得超過嚴(yán)格的航空要求(faa和easa)的安全性和容錯性。這包括容忍電源(能量存儲單元、發(fā)電機(jī))、電機(jī)(推進(jìn)、發(fā)電機(jī))、轉(zhuǎn)換器(逆變器、整流器、dc-dc轉(zhuǎn)換器)、配電裝置(總線、配線)、控件(傳感器、通信裝置)的失效以及在對系統(tǒng)造成中度或嚴(yán)重影響的情況下的安全性的能力。

為了實現(xiàn)這一點，動力系統(tǒng)被設(shè)計用于柔性降級，借此任何區(qū)域中的失效對動力系統(tǒng)的性能的影響都不超過部分影響，從而允許接近正常地飛行到附近的機(jī)場以便進(jìn)行修理。本發(fā)明混合動力系統(tǒng)的至少三個獨特方面實現(xiàn)了這一點，但具有適度的成本或重量損失：

●通過對多個機(jī)載電源的大小進(jìn)行設(shè)定以使得飛機(jī)能夠只在這些路徑的子集上飛行，所述源產(chǎn)生柔性降級的簡單路徑；

●使用各自具有高的峰值到連續(xù)性能的多個部分部件來設(shè)計動力系統(tǒng)的能力將失效的影響限制到小于功能的等效部分。與機(jī)械或液壓部件不同，電氣部件(例如電機(jī)、轉(zhuǎn)換器、配電總線、配線、開關(guān))允許這一點而僅具有適度的成本或重量損失。這些部件中的許多部件還具有高的峰值到連續(xù)性能能力(通常具有熱限制)，使得尚存部件可在恢復(fù)期間在一定程度上補(bǔ)償其他部件的失效；以及

●與傳統(tǒng)接觸器的數(shù)微秒或甚至機(jī)械裝置的數(shù)秒相比，高速固態(tài)傳感器和連接器能夠在數(shù)毫秒內(nèi)檢測到并補(bǔ)救失效。因此，本發(fā)明混合動力系統(tǒng)的實施方案獨特地能夠在與物理動力系統(tǒng)相當(dāng)?shù)臅r間尺度上接合冗余部件并將功率重新分配給尚存部件。

在一些實施方案中，用于柔性降級的設(shè)計包括對電源、可再充電能量存儲單元和增程發(fā)電機(jī)的大小進(jìn)行設(shè)定，使得飛機(jī)可在這些元件中的一個或多個失效的情況下安全地操縱。例如，飛機(jī)可被設(shè)計來僅依靠可再充電存儲單元或增程發(fā)電機(jī)上飛行，以便容忍任一個的失效。此外，可使用多個存儲單元或發(fā)電機(jī)以獲得進(jìn)一步的安全性，從而降低源的完全損失的可能性。這種電源設(shè)計與被建造來在故障的情況下(如圖8所示)重新路由功率的分配元件(例如，總線、開關(guān)和配線)組合，這樣推進(jìn)器從尚存電源接收公平分配。這種重新路由由動力系統(tǒng)優(yōu)化和控制系統(tǒng)(pocs)管理。pocs的故障檢測和恢復(fù)模塊檢測存儲單元或發(fā)電機(jī)的失效，隨后最優(yōu)地重新分配功率以維持安全飛行。此外，pocs還確保存儲單元和燃料系統(tǒng)保留足以獨立地滿足安全要求的儲備。

用于柔性降級的設(shè)計還可包括使用多個部分部件、推進(jìn)器、發(fā)電機(jī)、電機(jī)和存儲單元，以獲得對任一個的失效的容錯性。這可包括用多于一個推進(jìn)器或發(fā)電機(jī)為動力系統(tǒng)提供動力，并且用多于一個電機(jī)為每個推進(jìn)器或發(fā)電機(jī)提供動力，這樣任一個部件的失效都不等于整個能力的喪失。單獨電機(jī)可被設(shè)計用于獲得比連續(xù)性能高60-80％的峰值性能、持續(xù)5-10分鐘的恢復(fù)期，這樣尚存電機(jī)能夠上電以補(bǔ)償其他電機(jī)的電機(jī)故障。這種峰值輸出能力與被建造來將功率重新路由至尚存電機(jī)以使其能夠安全地達(dá)到峰值的分配裝置(總線、開關(guān)、配線)相結(jié)合。pocs的故障檢測和恢復(fù)模塊檢測推進(jìn)器、發(fā)電機(jī)、電機(jī)或存儲單元的失效，隨后最優(yōu)地重新分配功率以維持安全飛行。

用于柔性降級的設(shè)計還可包括將分配元件(例如，總線、開關(guān)、配線、故障隔離部件)建造成具有冗余度，使得動力系統(tǒng)能抵抗單獨電路中的故障。這可包括使用多根總線(各自給一個或多個推進(jìn)器饋電)連同后備總線，使得總線故障的影響被限制到推進(jìn)器的子集，并且使得可通過冗余總線重新路由到達(dá)受影響的推進(jìn)器的功率。這種總線架構(gòu)與配線和開關(guān)組合，使得來自源的功率被公平地分配到主要總線和后備總線，并且使得可通過主總線或后備總線路由到達(dá)推進(jìn)器的功率。這還可包括用于具有故障隔離的轉(zhuǎn)換器(例如，冗余轉(zhuǎn)換器或冗余相位支路)的容錯方案，這樣有故障的轉(zhuǎn)換器的功能性在很大程度上得以恢復(fù)。pocs的故障檢測和恢復(fù)模塊檢測分配系統(tǒng)的失效，隨后最優(yōu)地重新分配功率以維持安全飛行。

用于柔性降級的設(shè)計還可包括動力系統(tǒng)控制系統(tǒng)(pocs)的設(shè)計，使得所述控制系統(tǒng)能夠在一個或多個傳感器失效的情況下安全地操作。這可包括pocs內(nèi)的故障檢測和恢復(fù)模塊中的傳感器故障檢測能力，以及覆蓋關(guān)鍵傳感器失效模式的后備傳感器或無傳感器(傳感器無關(guān)的)監(jiān)測。例如，推進(jìn)器電機(jī)容錯控制由pocs內(nèi)的故障檢測和恢復(fù)模塊管理，所述模塊監(jiān)測飛行條件以檢測和診斷問題，并且隨后以最優(yōu)方式將功率重新分配給健康電機(jī)以恢復(fù)足夠的飛行能力。

本發(fā)明設(shè)計中還包括用于碰撞情況下的安全性的規(guī)程。例如，pocs內(nèi)的故障檢測和恢復(fù)模塊應(yīng)飛行員請求或在檢測到顯著影響時觸發(fā)高壓電路(例如，存儲單元、發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)換器)的緊急隔離。應(yīng)注意，所提及的柔性降級措施與分配架構(gòu)結(jié)合以在失效的情況下以對性能造成最小影響的方式來重新路由功率。例如，圖8示出使用冗余維生總線實現(xiàn)的具有兩個可再充電存儲單元和單個增程發(fā)電機(jī)的代表性雙推進(jìn)器飛機(jī)的架構(gòu)。

圖9是示出用于由本發(fā)明飛機(jī)的實施方案的飛行員使用的示例性用戶接口900的圖。此圖示出各種操作和狀態(tài)指示器，并且可用在是本發(fā)明空中運輸系統(tǒng)的一部分的電動混合飛機(jī)的實施方案中使用。在一個實施方案中，顯示器是數(shù)字的，并且以與常規(guī)飛機(jī)的那些相同或相似的格式來表示性能參數(shù)，以便易于使用。此圖示出處于“飛行中優(yōu)化和控制”操作模式下的飛行員接口的實例，并且包含以下指示符和信息：

●顏色編碼被選擇成是行業(yè)典型的，以便使飛行員轉(zhuǎn)變?nèi)菀住＞G色或白色項目是標(biāo)簽；品紅色項目是系統(tǒng)狀態(tài)的活動指示。三角形“可移標(biāo)”顯示當(dāng)前指示或標(biāo)記的目標(biāo)指示。顏色編碼針對正常/警示/危險操作區(qū)使用標(biāo)準(zhǔn)的綠/黃/紅；

●電源指示器(左上方)顯示以rpm和％最大功率兩者表示的當(dāng)前推進(jìn)器功率輸出，如由功率桿命令的。這些與常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)功率輸出指示非常相似；

●顯示當(dāng)前對比目標(biāo)空速的速度帶(右上方)使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的垂直空速指示器，以海里/小時指示空速(kias)為單位。特定于這項創(chuàng)新，在一種或多種飛行模式下的計算飛行速度處示出“速度可移標(biāo)”；在此實例中，在213kias處示出“高”，在196kias處示出“最優(yōu)”，并且在沒有可移標(biāo)的情況下指示econ以表明它低于速度帶的當(dāng)前范圍；

●第二排指示器顯示蓄電池、燃料和功率平衡。蓄電池和燃料利用行業(yè)典型的指示器顯示，所述指示器包括用于正常、警示和耗盡能量狀態(tài)的顏色編碼。當(dāng)結(jié)合通過pocs獲得的主動飛行計劃時，啟用“能量可移標(biāo)”，其顯示著陸時的預(yù)期能量狀態(tài)(關(guān)于蓄電池和燃料進(jìn)行顯示)。分割餅圖顯示發(fā)電功率與蓄電池功率的平衡；這是混合電動飛機(jī)的獨特指示器；

●下四分之一顯示關(guān)于動力系統(tǒng)的更詳細(xì)數(shù)據(jù)，并且針對當(dāng)前動力系統(tǒng)部件進(jìn)行配置。這里所示的實例利用與渦輪柴油往復(fù)式發(fā)電發(fā)動機(jī)聯(lián)接的三個離散的蓄電池包；每個蓄電池包的相關(guān)信息使用典型的指示器樣式來顯示。這些下四分之一可顯示多個系統(tǒng)信息頁面，其中飛行員能夠滾動通過信息。這些顯示器特定于混合電動動力系統(tǒng)實現(xiàn)方式；以及

●這個到混合電動動力系統(tǒng)的駕駛艙接口具有多種模式；在此實例中，模式選擇是通過右下方的三個位置旋鈕來進(jìn)行。這里示出“飛行”模式；另外的模式可以是：“校準(zhǔn)”，每當(dāng)模塊改變時被調(diào)用；“飛行前”，其將啟動內(nèi)部系統(tǒng)并顯示關(guān)于內(nèi)部系統(tǒng)的狀態(tài)以對飛行進(jìn)行自檢；以及“診斷”，其可顯示關(guān)于所監(jiān)測和控制的、主要用于系統(tǒng)配置、維護(hù)和修理的所有系統(tǒng)的更詳細(xì)信息。

除了圖中所示的顯示器900和相關(guān)聯(lián)的飛機(jī)功能或系統(tǒng)之外，底層動力系統(tǒng)優(yōu)化和控制系統(tǒng)(pocs)平臺可允許控制一個或多個特定動力系統(tǒng)能力，包括但不限于可再充電能量存儲單元(例如，蓄電池、超級電容器和增程發(fā)電機(jī))、內(nèi)燃機(jī)或燃料電池。pocs為動力系統(tǒng)的模塊提供統(tǒng)一接口，以簡化安裝、飛行準(zhǔn)備、飛行操作和診斷。

pocs的能力對于早期對混合電動飛機(jī)的采用很重要的原因在于：優(yōu)化操作以在區(qū)域性飛行上獲得最大效率；快速且安全的故障補(bǔ)救；減少飛行員工作量并使到電動動力系統(tǒng)的飛行員轉(zhuǎn)變?nèi)菀?；以及簡化模塊到替代品或未來技術(shù)的改變。因為以下各項中的一項或多項，pocs的實施方案可協(xié)助采用基于混合電動飛機(jī)的區(qū)域性空中交通系統(tǒng)：

●通過優(yōu)化飛行路徑上的能量源來實現(xiàn)航程優(yōu)化區(qū)域性飛行。為了最大化效率，在飛行進(jìn)行中，相較于較高成本的源(通常是發(fā)電機(jī))，能量來源尋求應(yīng)優(yōu)先考慮較低成本的源(通常是能量存儲單元)。例如，在比純電動航程更長的航程上的飛行應(yīng)將較低成本的能量存儲單元耗盡到由安全或蓄電池壽命考慮因素確定的最小容許水平。此外，來源尋求應(yīng)是混合充電的，即在整個旅程內(nèi)最優(yōu)地利用存儲單元和發(fā)電機(jī)兩者，同時確保能量汲取提高安全性和操作壽命。pocs通過以下方式實現(xiàn)這一點：基于飛行路徑和飛行模式、飛機(jī)的出發(fā)和抵達(dá)能量狀態(tài)和特性來確定在系統(tǒng)約束內(nèi)最小化總飛行成本(操作者限定)的最優(yōu)能量計劃。這限定了混合動力系統(tǒng)沿著到達(dá)目的地的路徑的能量狀態(tài)，例如，蓄電池包的荷電狀態(tài)百分比、發(fā)電機(jī)的燃料容量百分比，并且指引來自存儲單元和發(fā)電機(jī)的實時功率流。pocs通過識別在比純電動航程更長的低有效載荷飛行時使能量存儲單元向上適化的機(jī)會來實現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化；

●最優(yōu)地控制來自存儲單元和發(fā)電機(jī)的實時功率流以實現(xiàn)目標(biāo)能量計劃。雖然能量計劃限定飛行的總體來源尋求策略，但是考慮到適應(yīng)不可預(yù)測的變化的飛行環(huán)境的需要，這對于實時控制是不夠的。此外，需要引導(dǎo)每個動力系統(tǒng)模塊以最優(yōu)方式遞送所請求的功率，例如發(fā)電機(jī)按照其最優(yōu)工作曲線操作。pocs分兩個階段實現(xiàn)了這一點。首先，通過確定與能量計劃對準(zhǔn)的所請求功率的最優(yōu)來源尋求，所述能量計劃限定來自能量存儲單元和發(fā)電機(jī)的實時功率流。第二，動力系統(tǒng)模塊的設(shè)置被優(yōu)化來以最大化的效率遞送所請求功率，并且這些用于引導(dǎo)模塊控制器。例如，通過推進(jìn)發(fā)動機(jī)(扭矩、rpm)和推進(jìn)器(例如，風(fēng)扇槳距角、廢氣栓位置)的優(yōu)化設(shè)置來遞送所請求推進(jìn)功率。pocs還在飛行期間例如通過推進(jìn)器的再生制動或者在低功率操作期間通過發(fā)電機(jī)來管理能量收集；

●實現(xiàn)對動力系統(tǒng)的容錯控制：在發(fā)生故障的情況下幫助操作者保持正?；蛉嵝越导壍牟僮??；旌蟿恿ο到y(tǒng)被設(shè)計用于柔性降級，借此任何區(qū)域中的失效對動力系統(tǒng)的性能的影響都不超過部分影響。這通過以下各項來實現(xiàn)：多個機(jī)載電源；具有多個部分部件的設(shè)計；冗余部件和電路的使用；以及用于快速檢測和補(bǔ)救的高速固態(tài)傳感器和連接器的使用。pocs通過實現(xiàn)對故障的快速輔助響應(yīng)以繼續(xù)安全飛行來建立此能力。這通過故障檢測和識別功能對動力系統(tǒng)的健康進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測來完成。信號和模型的組合被利用來盡可能快速且準(zhǔn)確地識別和隔離故障。如果發(fā)生故障，pocs警告操作者以觸發(fā)補(bǔ)救響應(yīng)。pocs還可觸發(fā)動力系統(tǒng)的用于柔性地適應(yīng)故障的重新設(shè)計，以及控制器的用以在故障的情況下調(diào)整到潛在重新設(shè)計的動力系統(tǒng)的重新設(shè)計。動力系統(tǒng)和控制器的重新設(shè)計也可由操作者觸發(fā)。通過應(yīng)飛行員請求或者在檢測到碰撞時隔離高壓電路，pocs還協(xié)助在碰撞事件中確保安全性；

●為混合動力系統(tǒng)提供簡化的統(tǒng)一接口，從而減少飛行員工作量并且使從常規(guī)飛機(jī)到混合飛機(jī)的飛行員轉(zhuǎn)變?nèi)菀?。快速采用混合推進(jìn)的關(guān)鍵是確保飛行員可在具有極少增量訓(xùn)練的情況下操作更復(fù)雜的動力系統(tǒng)。pocs通過與模仿那些常規(guī)飛機(jī)接口的接口聯(lián)接的優(yōu)化和控制裝置來實現(xiàn)這一點，所述優(yōu)化和控制裝置使飛行員免于動力系統(tǒng)的增加的復(fù)雜性。此外，pocs提供自動化以使一系列飛行員活動和維護(hù)活動(諸如，動力系統(tǒng)校準(zhǔn)、飛行前準(zhǔn)備、飛行中控制和動力系統(tǒng)診斷)流線化；以及

●使安裝新模塊以支持前向兼容性和模塊性流線化?；旌蟿恿ο到y(tǒng)的這種關(guān)鍵差別由pocs通過兩種方式實現(xiàn)。首先，pocs為一系列模塊替代物提供標(biāo)準(zhǔn)化控制和監(jiān)測接口，從而允許轉(zhuǎn)接發(fā)電機(jī)，升級成先進(jìn)技術(shù)能量存儲單元，或者添加或移除存儲模塊以補(bǔ)償有效載荷。第二，pocs通過相匹配的飛機(jī)和動力系統(tǒng)模型的升級、操作者輸入或在線庫對新模塊進(jìn)行簡單校準(zhǔn)，同時結(jié)合目標(biāo)性能測試來根據(jù)安裝的單元對模型進(jìn)行微調(diào)。還在例程基礎(chǔ)上執(zhí)行類似的測試，以確保模型在模塊經(jīng)使用而老化時維持保真度。

如將參考圖10所描述的，pocs向操作者提供“集成”和“模塊化”兩個接口。集成接口是到動力系統(tǒng)的簡化用戶接口，其模擬常規(guī)飛機(jī)的控件，從而減少飛行員工作量并且使從常規(guī)到混合的轉(zhuǎn)變?nèi)菀?。模塊化接口是到動力系統(tǒng)的單獨模塊的直接用戶接口，使得能夠?qū)恿ο到y(tǒng)的操作進(jìn)行低級的精細(xì)控制。這些在下面更詳細(xì)地描述：

●集成。統(tǒng)一的前端到所有pocs能力，使得操作者能夠切換到適當(dāng)?shù)牟僮髂Ｊ剑盒?zhǔn)；飛行前；飛行中控制；診斷。顯示器使用與常規(guī)飛機(jī)中所使用類似的性能參數(shù)，以使到新技術(shù)和能力的飛行員轉(zhuǎn)變?nèi)菀?。處于“飛行”模式下的飛行員接口的實例被示出為圖9中的顯示器900。顯示器與駕駛艙控件聯(lián)接，這些駕駛艙控件類似于當(dāng)今在常規(guī)飛機(jī)中發(fā)現(xiàn)的駕駛艙控件，并且基于所定義的飛行目標(biāo)函數(shù)將操作者輸入轉(zhuǎn)換為底層混合動力系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)置，諸如：

-功率桿-每個推進(jìn)器一個，控制推進(jìn)器的功率輸出。功率桿角度(pla)將每個推進(jìn)器的功率輸出確定為全功率的百分比，并且實現(xiàn)到達(dá)峰值功率的有限持續(xù)時間的浪涌。飛行中控制模塊將功率桿所請求的功率實時轉(zhuǎn)換為每個推進(jìn)器的最優(yōu)設(shè)置，并且最優(yōu)地從機(jī)載發(fā)電機(jī)和所存儲能量單元獲得此功率，以在飛機(jī)和動力系統(tǒng)的約束內(nèi)滿足操作者定義的飛行目標(biāo)。一些實施方案還可提供風(fēng)扇或螺旋槳控制桿以控制每個推進(jìn)器的rpm，rpm的范圍是從最大到最小、擴(kuò)展到順槳。一些實施方案可允許對多個推進(jìn)器的控制同步，這樣所有聯(lián)接的推進(jìn)器以相同的設(shè)置操作，或者允許自動油門操作，借此飛動中控制模塊基于飛行路徑來引導(dǎo)油門。在這些情況下，使用伺服電機(jī)或類似機(jī)構(gòu)來基于當(dāng)前功率設(shè)置(標(biāo)準(zhǔn)faa自動油門操作)來移動油門。

-再生制動控件-每個推進(jìn)器一個，控制推進(jìn)器的再生功率輸出。這通過專用的再生制動桿來實現(xiàn)，或者通過將功率桿的范圍擴(kuò)展到負(fù)功率水平、從而從零功率擴(kuò)展到完全再生功率來實現(xiàn)。在這兩種情況下，桿角度將每個推進(jìn)器的再生功率輸出確定為全再生功率的百分比。飛行控制模塊將桿所請求的再生功率實時轉(zhuǎn)換為每個推進(jìn)器的最優(yōu)設(shè)置。

-反向功率控件-每個推進(jìn)器一個，控制推進(jìn)器的反向功率輸出。這可通過專用的反向功率桿來實現(xiàn)，或者通過將功率桿的范圍擴(kuò)展到負(fù)功率水平、從而從零功率擴(kuò)展到全反向功率來實現(xiàn)。在兩種情況下，桿角度確定每個推進(jìn)器的反向功率輸出為全反向功率的百分比。飛行控制模塊將桿所請求的反向功率實時轉(zhuǎn)換為每個推進(jìn)器的最優(yōu)設(shè)置。

-低級控件-在一些實施方案中提供，使得操作者能夠手動地控制發(fā)電機(jī)、存儲單元和功率分配裝置。這些可包括用于接通和關(guān)斷發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)控件，控制從空轉(zhuǎn)到峰值功率的發(fā)電機(jī)輸出?？丶€可包括功率分配控件，以將功率流從機(jī)載源重定向到推進(jìn)器。在具有左右推進(jìn)器和左右源的雙推進(jìn)器飛機(jī)中，這些可提供對分流(左到右，右到右)、定向(分開加上右到左或左到右)以及聯(lián)接(左右到左右)的選擇；以及

●模塊化。通過機(jī)載控制器提供到動力系統(tǒng)的單獨模塊的直接接口。旨在用于需要繞過pocs的飛行優(yōu)化能力以直接接合控制器的情況，例如修理、緊急情況、非標(biāo)準(zhǔn)操作。樣本混合動力系統(tǒng)可訪問的一系列模塊在圖10中示出，并且在本文中更詳細(xì)地描述。

圖10是示出可在可用作本發(fā)明空中運輸系統(tǒng)的一部分的電動混合飛機(jī)的實施方案中使用的動力系統(tǒng)優(yōu)化和控制系統(tǒng)(pocs)的主要功能元件或模塊的圖。由圖中所示的元件或模塊實行或受其控制的功能、操作或過程中的每一個或其組合可通過由適當(dāng)編程的處理元件(諸如，控制器、狀態(tài)系統(tǒng)、微控制器、cpu、微處理器等)執(zhí)行一組指令來實行。

如圖所示，pocs平臺1000的實施方案的元件或功能模塊可包括“機(jī)載”部件1002和“在線”部件1004。機(jī)載部件、元件和過程1002通常駐留在受控的飛機(jī)上，而在線部件、元件和過程1004通常駐留在數(shù)據(jù)處理平臺或系統(tǒng)上，所述數(shù)據(jù)處理平臺或系統(tǒng)位于飛機(jī)遠(yuǎn)程(諸如，在控制中心、集中式數(shù)據(jù)處理和調(diào)度平臺等之中)，并且通過合適的通信信道或通信信道的組合(諸如，聯(lián)接到可通過互聯(lián)網(wǎng)與其通信的服務(wù)器的無線技術(shù))與機(jī)載部件1002通信(在必要時)。

在示例性實施方案中，pocs平臺1000功能性通過以下機(jī)載能力(部件、元件和過程1002)來實現(xiàn)：

●標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程(元件/部件1041)，所述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程是用于動力系統(tǒng)及其模塊的預(yù)設(shè)和操作者定義的標(biāo)準(zhǔn)操作程序的庫，并且可包括：

●飛行模式：例如，最優(yōu)、高速、經(jīng)濟(jì)、自定義；

●掃描和診斷：例如，初始化掃描、能量掃描、飛行前掃描、飛行中掃描、飛行后掃描；

●操作規(guī)則庫：定義安全性所需的或者基于操作者偏好的動力系統(tǒng)的操作優(yōu)先級。這些約束了混合能量計劃器和混合動力管理器，并且可包括：

-最小能量狀態(tài)，以確保足夠的安全性儲備，例如具有容量的20％的所存儲能量單元，以及相當(dāng)于45分鐘的飛行的發(fā)電機(jī)燃料；

-抵達(dá)時的能源狀態(tài)，例如將所存儲能量單元消耗到為容量的20％的最低水平；

-按飛行航段的功率分配優(yōu)先級。例如，單獨地依靠所存儲能量滑行，或者單獨地依靠所存儲能量進(jìn)場，并且使發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)以獲得高可用性；以及

-按飛行航段的功率水平設(shè)置。例如，以80％全功率爬升，或者對于初始下降，則是在空擋推力下。

●機(jī)載日志。捕獲關(guān)于動力系統(tǒng)及其性能的關(guān)鍵方面的信息的數(shù)據(jù)庫。這些包括：操作者詳情；機(jī)載模塊；操作者偏好；生命周期和維護(hù)記錄；性能日志；檢查和診斷日志，訪問歷史日志。數(shù)據(jù)庫通過安全數(shù)據(jù)鏈路(元件/部件1043)周期性地將日志傳輸?shù)皆诰€日志(元件/部件1023)，并且僅將有限的歷史存儲在機(jī)上。

●安全數(shù)據(jù)鏈路(元件/部件1043)。這使得能夠?qū)⑻囟▌恿ο到y(tǒng)的遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)從動力系統(tǒng)的機(jī)載日志定期上傳到在線日志1023，并且使得能夠出于校準(zhǔn)或基準(zhǔn)測試目的而訪問飛機(jī)和動力系統(tǒng)庫(元件/部件1020)。數(shù)據(jù)鏈路可包括兩級安全性：用于傳達(dá)日志或庫數(shù)據(jù)的較低級別，以及用于診斷和維護(hù)數(shù)據(jù)的較高級別。對數(shù)據(jù)鏈路的訪問是安全的，并且所有訪問歷史都得到記錄。這也實現(xiàn)了飛行數(shù)據(jù)在pocs與fpop/fms之間的雙向數(shù)據(jù)流動。

●模塊接口(元件/部件1050)。這些是到一系列機(jī)載模塊的較低級別的控制器的連接器接口，使得控制器能夠由pocs平臺查詢或引導(dǎo)，并且按需或連續(xù)地向pocs傳輸一系列狀態(tài)和性能信息。通常，api規(guī)范定義了pocs和模塊通信所用的協(xié)議?？刂颇K可包括變距風(fēng)扇控制器、推進(jìn)器電機(jī)控制器、蓄電池管理系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)控制器、燃料系統(tǒng)控制器、發(fā)電機(jī)電機(jī)控制器、分配控制器(開關(guān)、連接器和轉(zhuǎn)換器)等。

應(yīng)注意，圖12示出用于示例性動力系統(tǒng)1200的接口配置，所述示例性動力系統(tǒng)1200由若干接口/連接器1202聯(lián)接到機(jī)載pocs，以用于感測性能參數(shù)并向動力系統(tǒng)或其控制系統(tǒng)的部件返回控制信號的目的。類似地，圖10和圖11示出從pocs優(yōu)化模塊1130和動力系統(tǒng)和控件管理器1142到動力系統(tǒng)的匹配模塊接口(元件1050和1150)的通信和數(shù)據(jù)流動。系統(tǒng)通過模塊化操作者接口(元件/部件1012)向飛行員提供通向模塊控制器的輔助直接路徑(元件1052)。系統(tǒng)可包括用于冗余性的通向模塊控制器的后備連接器，以及用于激活后備電路的連接器和開關(guān)。

pocs平臺1000還可通過基于安全pocs云的數(shù)據(jù)平臺(元件/部件1004)提供以下在線能力中的一種或多種：

●飛機(jī)和動力系統(tǒng)庫(元件/部件1020)。飛機(jī)和模塊性能模型的庫，包括每個類別的操作模型，以及類別中的每個模塊的參數(shù)。模型和參數(shù)通過基準(zhǔn)測試平臺(元件/部件1021)周期性地更新。數(shù)據(jù)庫被設(shè)計來在初始化、校準(zhǔn)新模塊時由機(jī)載pocs查詢或者由機(jī)載pocs查詢以用于定期刷新。

●基準(zhǔn)測試平臺(元件/部件1021)。這是性能基準(zhǔn)測試程序的數(shù)據(jù)庫，并且可包括外部基準(zhǔn)測試程序的輸入能力，以及來自單獨動力系統(tǒng)的在線日志的原始性能數(shù)據(jù)的上傳。還包括定期更新基準(zhǔn)測試程序的統(tǒng)計或其他數(shù)據(jù)分析規(guī)程。

●診斷平臺(元件/部件1022)。它具有通過高度安全的數(shù)據(jù)鏈路對動力系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)的能力。

●動力系統(tǒng)日志(元件/部件1023)。它用作通過安全數(shù)據(jù)鏈路定期上傳的來自單獨動力系統(tǒng)的機(jī)載日志外加從基準(zhǔn)測試平臺提取的比較性能統(tǒng)計數(shù)據(jù)的存檔。

在典型的實施方案中，pocs平臺(諸如，圖10的元件1000)的實現(xiàn)方式可提供以下功能性或能力：

●校準(zhǔn)(由元件/部件1025表示)。它對優(yōu)化和控制平臺進(jìn)行定制以適應(yīng)特定機(jī)載模塊，從而實現(xiàn)到未來技術(shù)的升級、飛機(jī)變型、向上適化/向下適化能量存儲單元或發(fā)電機(jī)以及模塊性能的高保真建模。在一些實施方案中，它可執(zhí)行或輔助執(zhí)行以下功能/操作：

-掃描動力系統(tǒng)以識別機(jī)載模塊相對于最近掃描的改變，驗證并記錄在機(jī)載日志中；

-通過數(shù)據(jù)鏈路和填充機(jī)載模型，從在線飛機(jī)和動力系統(tǒng)庫下載所有已改變模塊的優(yōu)化和控制參數(shù)；

-根據(jù)機(jī)載模塊的性能校準(zhǔn)模型。使操作者逐個通過對模塊進(jìn)行的由初始化掃描規(guī)程定義的一系列測試，以評估實際性能對比模型性能。識別潛在問題并警告。調(diào)整模型參數(shù)以更好地匹配實際性能；以及

-使得操作者能夠圍繞動力系統(tǒng)優(yōu)化和控制、顯示、報告、監(jiān)控和診斷定義一系列偏好。包括針對具體操作環(huán)境、任務(wù)剖面和權(quán)衡定制的設(shè)置。將偏好存儲在機(jī)載日志中。

●飛行準(zhǔn)備(由元件/部件1026表示)。它執(zhí)行自動化檢查，以確保動力系統(tǒng)具有足以安全地完成計劃飛行的能量，并且處于飛行準(zhǔn)備狀態(tài)下。在一些實施方案中，它可執(zhí)行或輔助執(zhí)行以下功能/操作：

-接受飛行模式或最優(yōu)模式作為默認(rèn)，以及飛行細(xì)節(jié)：空中路徑或飛行時間(或距離)、有效載荷和不確定性因素。這些可手動地或通過fpop鍵入；

-基于能量狀態(tài)掃描規(guī)程計算并顯示能量狀態(tài)；

-通過使用混合能量計劃器利用規(guī)定的飛行細(xì)節(jié)、飛行模式和能量狀態(tài)來確定是否需要另外的發(fā)電機(jī)燃料或所存儲能量。檢查有效載荷對比設(shè)計有效載荷以確保安全飛行，并且評估是否存在增加所存儲能量單元的容量的選項；

-如果機(jī)載能量或有效載荷通過另外的所存儲能量單元、增加的充電或燃料狀態(tài)而改變，那么重新運行混合能量計劃器；以及

-對動力系統(tǒng)執(zhí)行由操作規(guī)程定義的飛行前測試，并且識別問題、觸發(fā)故障檢測和恢復(fù)模塊。

●飛行中控制(由元件/部件1027表示)。它實現(xiàn)對混合電動系統(tǒng)所遞送的功率的簡化控制，從而基于操作者選擇的飛行模式和飛行細(xì)節(jié)來優(yōu)化動力系統(tǒng)和模塊功能?？刂瓶梢允前胱詣踊蛉詣拥模⑶覂?yōu)化可以是基本的或集成的。在一些實施方案中，它可執(zhí)行或輔助執(zhí)行以下功能/操作：

-使用混合能量計劃器基于飛行細(xì)節(jié)、飛行模式和能量狀態(tài)來計算能量計劃、抵達(dá)能量狀態(tài)、目標(biāo)速度和航程(最大、最優(yōu)和經(jīng)濟(jì))其中飛行細(xì)節(jié)是基本的，其中以飛行時間(或距離)作為輸入；或者是集成的，其中以空中路徑作為輸入。最優(yōu)顯示抵達(dá)能量狀態(tài)和目標(biāo)速度。能量計劃描述沿著空中路徑的能量狀態(tài)：在離散航路點處的所存儲能量和發(fā)電機(jī)燃料；

-如果抵達(dá)能量狀態(tài)低于最低儲備水平，那么警告操作者，并且提供到達(dá)目的地的替代的飛行模式、目標(biāo)速度設(shè)置；

-與操作者輸入一前一后地實時控制動力系統(tǒng)以實現(xiàn)能量計劃，從而最優(yōu)地從存儲單元和發(fā)電機(jī)獲取功率，隨著條件的改變而進(jìn)行調(diào)整。圖11提供可利用并且在本文中更詳細(xì)地描述的飛行中控制過程和功能模塊或子過程的概覽。此控制過程可包括以下功能或操作：

-使用混合動力管理器來確定實時控制策略，其限定跨發(fā)電機(jī)和所存儲能量單元的最優(yōu)能量分配；

-將能量分配傳遞到模塊優(yōu)化器，所述模塊優(yōu)化器計算動力系統(tǒng)模塊的最優(yōu)設(shè)置，并且通過pocs內(nèi)的模塊接口將這些設(shè)置傳輸?shù)捷^低級別的模塊控制器；

-基于與先前計劃的偏差定期地刷新能量計劃；

-通過能量狀態(tài)掃描規(guī)程周期性地刷新能量狀態(tài)；以及

-手動地或通過fpop(參考圖14描述)實現(xiàn)對飛行模式和飛行細(xì)節(jié)的更新，并且通過刷新能量計劃進(jìn)行響應(yīng)。

-實現(xiàn)半自動或全自動操作：在半自動操作中，操作者控制功率桿；在全自動操作中，飛行中控制模塊指導(dǎo)所有功能，從而調(diào)整所請求的功率水平以遞送最優(yōu)空速；以及

-通過模塊優(yōu)化器連續(xù)監(jiān)測動力系統(tǒng)的性能，并且通過飛行中掃描規(guī)程針對模型評估安全極限。在有問題的情況下，觸發(fā)故障檢測和恢復(fù)模塊以協(xié)調(diào)警報和動作。

●診斷(由元件/部件1028表示)。它執(zhí)行飛行后任務(wù)分析、動力系統(tǒng)診斷和問題解決。在一些實施方案中，它可執(zhí)行或輔助執(zhí)行以下功能/操作：

-對存儲在機(jī)載日志中的監(jiān)測數(shù)據(jù)運行任務(wù)分析算法，以計算并顯示關(guān)鍵飛行統(tǒng)計(例如，距離、時間、平均速度)，關(guān)于所使用總能量、剩余的燃料和所存儲能量的細(xì)節(jié)，關(guān)鍵性能統(tǒng)計(例如，總效率和每個模塊的效率)。將結(jié)果存儲在機(jī)載日志中；

-更新需要定期維護(hù)或壽命有限的模塊或部件的操作歷史；以及

-監(jiān)測動力系統(tǒng)的健康和性能，并且通過飛行后掃描規(guī)程針對模型評估安全極限。在有問題的情況下，觸發(fā)故障檢測和恢復(fù)模塊以協(xié)調(diào)警報和動作。

●故障檢測和恢復(fù)(由元件/部件1042表示)。它執(zhí)行動力系統(tǒng)的不間斷監(jiān)測以檢測并識別故障、警告操作者并輔助恢復(fù)動作。在一些實施方案中，它可執(zhí)行或輔助執(zhí)行以下功能/操作：

-通過故障檢測和識別功能監(jiān)測動力系統(tǒng)的健康，所述故障檢測和識別功能利用信號和模型的組合來盡可能快速且準(zhǔn)確地識別并隔離故障；

-如果發(fā)生故障，則通過動力系統(tǒng)警報功能警告飛行員來觸發(fā)補(bǔ)救響應(yīng)；

-如果發(fā)生故障，則確定所需的動作并且觸發(fā)動力系統(tǒng)和控件管理器以與飛行員協(xié)同地執(zhí)行；以及

-補(bǔ)救動作還可通過飛行員接合動力系統(tǒng)和控件管理器以執(zhí)行來發(fā)起。

在一些實施方案中，pocs基于飛行細(xì)節(jié)和規(guī)定的飛行模式確定最優(yōu)功率計劃。pocs隨后通過監(jiān)測動力系統(tǒng)和模塊的性能、在必要時進(jìn)行調(diào)整來控制動力系統(tǒng)及其模塊在飛行期間的操作以匹配功率計劃。pocs被設(shè)計用于半自動或全自動操作，在半自動操作中，飛行員保持對油門的控制，而在全自動操作中，pocs控制所有功能。然而，飛行員能夠覆寫pocs設(shè)置。

圖11是示出可被訪問并用于控制或修改本發(fā)明空中運輸系統(tǒng)的實施方案中的飛機(jī)上過程的pocs的主要功能元件或模塊的圖。由圖中所示的元件或模塊實行或受其控制的功能、操作或過程中的每一個或其組合可通過由適當(dāng)編程的處理元件(諸如，控制器、狀態(tài)系統(tǒng)、微控制器、cpu、微處理器等)執(zhí)行一組指令來實行。

如圖所示，pocs1100的實施方案的飛機(jī)上過程的元件或功能模塊可包括：

優(yōu)化模塊(圖10的元件1030和/或圖11的元件1130)

●混合能量計劃器(圖11的元件1132)：

-通過使依初始和抵達(dá)能量狀態(tài)、模塊性能約束和操作規(guī)則而定的非線性成本目標(biāo)(見下文)最小化來確定空中/飛行路徑內(nèi)的最優(yōu)能量路徑，所述最優(yōu)能量路徑通常是指望在飛行進(jìn)程中逐漸耗盡所存儲能量單元、從而使得每個機(jī)載電源能夠以最優(yōu)效率進(jìn)行操作的混合充電策略；

-通過將行程分解成由具有大致一致的操作要求(例如，滑行、起飛滑跑、勻速爬升、巡航、功率空擋下降)的節(jié)段組成的空中路徑來執(zhí)行(作為飛行準(zhǔn)備的一部分)。隨后執(zhí)行優(yōu)化以確定沿所提供空中路徑的最優(yōu)能量計劃。如果未提供詳細(xì)的空中路徑，那么在基于基準(zhǔn)測試程序的查詢表對滑行、起飛、下降和著陸進(jìn)行預(yù)算之后，假定標(biāo)準(zhǔn)耗盡曲線，例如在巡航和爬升航段上是線性的；

-通過全動態(tài)規(guī)劃(或類似的算法)或簡化的方法(諸如使用查找表或函數(shù))來執(zhí)行優(yōu)化，以基于飛行航段和操作條件確定跨發(fā)電機(jī)和所存儲能量單元的最優(yōu)功率分配。功率分配可以許多方式中的一種來描述，這些方式包括作為全發(fā)電機(jī)功率的部分的發(fā)電機(jī)功率設(shè)置，或者等于從所存儲能量汲取的功率與所請求總功率的比的功率比；

-目標(biāo)函數(shù)定義將要由混合能量計劃器在空中路徑的進(jìn)程內(nèi)最小化的量。例如，目標(biāo)函數(shù)可包括以下項中的一項或若干項，其中參數(shù)由操作者定義：目標(biāo)函數(shù)＝燃料成本+所存儲能量成本+發(fā)動機(jī)維護(hù)和儲備成本(攤銷)+蓄電池包成本(攤銷)+乘客和機(jī)組時間成本+飛機(jī)成本+排放成本；并且

-目標(biāo)函數(shù)基于所提供的出發(fā)和抵達(dá)能量狀態(tài)、來自操作規(guī)則庫的操作規(guī)則、來自動力系統(tǒng)和模塊(推進(jìn)器、發(fā)電機(jī)、所存儲能量)模型的動力系統(tǒng)和模塊性能約束來最小化。優(yōu)化過程需要由飛機(jī)和動力系統(tǒng)性能模型提供的對飛機(jī)和動力系統(tǒng)性能的模擬。

●混合動力管理器(圖11的元件1134)：

-確定實時控制策略，以基于飛行的整體能量路徑來優(yōu)化跨機(jī)載源的能量分配(其通過變量、諸如發(fā)電機(jī)功率設(shè)置或功率比來描述)以遞送所需功率。這通過使依模塊性能約束和操作規(guī)則(包括所提供的能量路徑)而定的飛行航段的非線性目標(biāo)最小化來確定；

-優(yōu)化可通過相對簡單的方法來執(zhí)行，諸如按飛行航段和離散操作條件范圍從最優(yōu)值的查找表確定發(fā)電機(jī)功率設(shè)置(或功率比)；或者通過更復(fù)雜的方法來執(zhí)行，諸如使用諸如pontryagin的最小原理(pmp)或等效消耗最小化策略(ecms)的若干算法中的一種來確定最優(yōu)值。與所提供能量計劃的對準(zhǔn)由外部控制回路驅(qū)動，例如比例加積分；

-目標(biāo)函數(shù)定義將要由混合能量計劃器在空中路徑的進(jìn)程內(nèi)最小化的量。例如，目標(biāo)函數(shù)可包括以下項中的一項或若干項，其中參數(shù)由操作者定義：目標(biāo)函數(shù)＝燃料成本+所存儲能量成本+發(fā)動機(jī)維護(hù)和儲備成本(攤銷)+蓄電池包成本(攤銷)+乘客和機(jī)組時間成本+飛機(jī)成本+排放成本；并且

-目標(biāo)函數(shù)基于所提供的出發(fā)和抵達(dá)能量狀態(tài)、來自操作規(guī)則庫的操作規(guī)則、來自動力系統(tǒng)和模塊(推進(jìn)器、發(fā)電機(jī)、所存儲能量)模型的動力系統(tǒng)和模塊性能約束來最小化。優(yōu)化過程需要由飛機(jī)和動力系統(tǒng)性能模型提供的對飛機(jī)和動力系統(tǒng)性能的模擬。

●推進(jìn)器優(yōu)化器(圖11的元件1136)：

-根據(jù)所請求功率、空速和環(huán)境條件確定每個推進(jìn)器的實時控制策略。將所請求功率轉(zhuǎn)換為用于最優(yōu)效率的推進(jìn)器設(shè)置。隨后，通過pocs平臺內(nèi)的模塊接口(圖10的元件1050和/或圖11的元件1150)，使用最優(yōu)設(shè)置來引導(dǎo)較低級別的模塊控制器(例如，變距風(fēng)扇控制器、電機(jī)控制器)。最優(yōu)設(shè)置可通過用于改進(jìn)性能的精細(xì)控制回路進(jìn)一步修改。這可包括用于微調(diào)操作點的尋峰回路，以及用于緩和設(shè)置在由乘坐舒適性、飛機(jī)結(jié)構(gòu)或動力系統(tǒng)性能約束確定的間隔內(nèi)的突然改變的平滑化回路；

-優(yōu)化的設(shè)置可包括推進(jìn)器的姿態(tài)，例如變距風(fēng)扇角度、廢氣栓的位置和推進(jìn)器電機(jī)-逆變器的輸出(例如，扭矩、速度)。優(yōu)化器在飛機(jī)操作范圍內(nèi)調(diào)節(jié)推進(jìn)器設(shè)置，包括標(biāo)準(zhǔn)推力、空擋推力、再生制動、反向推力和恢復(fù)推力；

-對于標(biāo)準(zhǔn)推力控制，優(yōu)化器由每個推進(jìn)器的所請求功率、空速和環(huán)境條件驅(qū)動，并且確定使所遞送推力最大化的推進(jìn)器設(shè)置。這通過跨電機(jī)和推進(jìn)器性能模型(圖10的元件1040和/或圖11的元件1140)執(zhí)行分階段或聯(lián)合優(yōu)化來完成。在分階段方法中，依次優(yōu)化電機(jī)和推進(jìn)器設(shè)置。例如，可首先通過使用電機(jī)性能模型在針對電機(jī)限定的操作約束內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化來確定使效率最大化的電機(jī)設(shè)置。此后，通過使用推進(jìn)器性能模型在針對推進(jìn)器姿態(tài)限定的操作約束內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化來確定使推進(jìn)器推力最大化的推進(jìn)器姿態(tài)，例如風(fēng)扇槳距角或廢氣栓的位置。隨后通過pocs內(nèi)的模塊接口使用這些設(shè)置來引導(dǎo)較低級別的控制器的操作；

-在一些實現(xiàn)方式中，可使用查找表來確定近最優(yōu)值，隨后使用任選的優(yōu)化步驟來按照上述那些的方向來精煉估計值；

-對于反向推力，優(yōu)化器由每個推進(jìn)器的所請求反向功率驅(qū)動，并且確定使所遞送反向推力最大化的推進(jìn)器設(shè)置。這通過與用于標(biāo)準(zhǔn)推力的過程類似的過程來完成。在分階段方法的情況下，通過使用電機(jī)性能模型進(jìn)行優(yōu)化或者通過在電機(jī)性能表中進(jìn)行查找來確定使效率最大化的電機(jī)設(shè)置。隨后通過使用推進(jìn)器性能模型進(jìn)行優(yōu)化或者通過在推進(jìn)器性能表中進(jìn)行查找來確定匹配的推進(jìn)器姿態(tài)；

-對于再生制動推力控制，優(yōu)化器由每個推進(jìn)器的所請求反向功率、空速和環(huán)境條件驅(qū)動，并且確定使所遞送推力最大化的推進(jìn)器設(shè)置。這通過跨電機(jī)和推進(jìn)器性能模型執(zhí)行分階段或聯(lián)接優(yōu)化來完成。在分階段方法中，依次優(yōu)化電機(jī)和推進(jìn)器設(shè)置。例如，可首先通過使用電機(jī)性能模型在針對電機(jī)限定的操作約束內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化來確定使效率最大化的電機(jī)設(shè)置。此后，通過使用推進(jìn)器性能模型在針對推進(jìn)器姿態(tài)限定的操作約束內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化來確定使推進(jìn)器反向推力最大化的推進(jìn)器姿態(tài)，例如風(fēng)扇槳距角或廢氣栓的位置。隨后通過pocs內(nèi)的模塊接口使用這些設(shè)置來引導(dǎo)較低級別的控制器的操作；并且

-對于空擋推力，優(yōu)化器引導(dǎo)較低級別的控制器切斷通向電機(jī)的功率，并且將推進(jìn)器姿態(tài)設(shè)置到最小阻力，例如設(shè)置到順槳或風(fēng)車的變距風(fēng)扇、設(shè)置到最大延伸的廢氣栓。

●所存儲能量優(yōu)化器(圖11的元件1138)：

-通過pocs內(nèi)的模塊接口1150監(jiān)測可再充電存儲單元的性能和狀態(tài)，以幫助確保在由性能約束限定的長壽命范圍內(nèi)的操作。如果存儲單元在其長壽命范圍之外，那么優(yōu)化器調(diào)整混合能量計劃器和混合動力管理器設(shè)置以將功率重新分配給發(fā)電機(jī)，例如通過增加存儲單元的有效成本；

●發(fā)電機(jī)優(yōu)化器(圖11的元件1140)：

-根據(jù)所請求功率、空速和環(huán)境條件確定每個發(fā)電機(jī)的實時控制策略。將所請求功率轉(zhuǎn)換為用于最優(yōu)效率的發(fā)電機(jī)設(shè)置。隨后，通過pocs平臺內(nèi)的模塊接口1150使用最優(yōu)設(shè)置來引導(dǎo)較低級別的模塊控制器(例如，發(fā)動機(jī)控制單元、電機(jī)控制器、燃料系統(tǒng)控制器)。最優(yōu)設(shè)置可通過用于改進(jìn)性能的精細(xì)控制回路進(jìn)一步修改。這可包括用于微調(diào)操作點的尋峰回路，以及用于緩和設(shè)置在由乘坐舒適性、飛機(jī)結(jié)構(gòu)或動力系統(tǒng)性能約束確定的間隔內(nèi)的突然改變的平滑化回路；

-優(yōu)化的設(shè)置可包括內(nèi)燃機(jī)的輸出(例如，速度、扭矩)以及發(fā)電機(jī)電機(jī)-逆變器的汲取(例如，扭矩、速度)；

-優(yōu)化器由每個發(fā)電機(jī)的所請求功率、空速和環(huán)境條件驅(qū)動，并且確定使效率最大化的發(fā)電機(jī)設(shè)置。這通過跨發(fā)動機(jī)和電機(jī)性能模型(或整合發(fā)電機(jī)模型)執(zhí)行分階段或聯(lián)接優(yōu)化來完成。在分階段方法中，依次優(yōu)化發(fā)動機(jī)和電機(jī)設(shè)置。例如，可首先通過使用發(fā)動機(jī)性能模型在針對發(fā)動機(jī)限定的操作約束內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化來確定使效率最大化的發(fā)動機(jī)設(shè)置。此后，通過使用電機(jī)性能模型在針對電機(jī)限定的操作約束內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化來確定使效率最大化的電機(jī)設(shè)置。隨后通過pocs內(nèi)的模塊接口使用這些設(shè)置來引導(dǎo)較低級別的控制器的操作；

-在一些實現(xiàn)方式中，可使用查找表來確定近最優(yōu)值，隨后使用任選的優(yōu)化步驟來按照上述那些的方向來精煉估計值；并且

-包括以下策略：從瞬變開始或者當(dāng)所請求功率在發(fā)電機(jī)最優(yōu)范圍之外時，路由來自發(fā)電機(jī)的多余功率(高于請求的功率)以給存儲單元充電，從而隔離發(fā)電機(jī)。

●動力系統(tǒng)和控件管理器(圖11的元件1142)：

-由來自飛行員或動力系統(tǒng)和控件重新設(shè)計功能的輸入驅(qū)動，執(zhí)行診斷或解決過程，重新配置動力系統(tǒng)或改變控制律；

-接收來自飛行員和動力系統(tǒng)和控件重新設(shè)計功能的解決方法或診斷過程步驟、動力系統(tǒng)重新配置指令、控制律；

-解決沖突命令并遵循操作規(guī)則功能中所限定的安全規(guī)程；

-通過借助于模塊接口引導(dǎo)較低級別的控制器并且通過修改優(yōu)化模塊、飛機(jī)和動力系統(tǒng)模型來以安全順序執(zhí)行一組合理化改變；并且

-例如，在即將發(fā)生緊急著陸的情況下，緊接在接地之前由飛行員觸發(fā)的“安全和隔離”序列將引導(dǎo)動力系統(tǒng)和控件重新設(shè)計功能關(guān)閉或隔離動力系統(tǒng)的所有高壓或可燃系統(tǒng)，以保護(hù)乘客和貨物?？商娲兀收蠙z測和識別功能可基于通過飛機(jī)狀態(tài)變量對碰撞進(jìn)行的評估來觸發(fā)所述序列。

●功率分派器(圖11的元件1144)：

-基于飛行員指導(dǎo)和動力系統(tǒng)能力來確定跨機(jī)載推進(jìn)器的功率分配。這可包括：

●協(xié)調(diào)多個推進(jìn)器的功率分派，比如用以消除偏航力矩的平衡功率(例如推進(jìn)器被提供動力以圍繞飛機(jī)重心獲得零力矩)，或由主推進(jìn)器的功率設(shè)置確定的推進(jìn)器功率；

●最優(yōu)地適應(yīng)推進(jìn)器故障、從而保持與所請求功率對準(zhǔn)的正?；蛉嵝越导壍男阅艿墓β史峙?。例如，分派可提高通向健康推進(jìn)器的功率以補(bǔ)償故障推進(jìn)器，同時限制偏航力矩，從而確保功率高于維持所述飛行航段的安全飛行所需的最小值并且不超過關(guān)于推進(jìn)器的約束；以及

●通過分配功率以產(chǎn)生所請求偏航力矩進(jìn)行的用于定向控制的功率分派。

飛機(jī)和動力系統(tǒng)模型(圖10的元件1040和/或圖11的元件1150)

●飛機(jī)性能模型(圖11的元件1152)：

-飛行測試校準(zhǔn)的、單自由度的、基于物理的性能模擬模型，在給出飛機(jī)重量、速度、空氣溫度、和壓力以及爬升或下降速率的情況下，所述模型計算當(dāng)前飛行階段所需的預(yù)期功率(對這一方面的進(jìn)一步描述存在于對fpop系統(tǒng)的討論中)。

●動力系統(tǒng)和推進(jìn)器模型(圖11的元件1153和1154)：

-性能模型、查找表和性能約束，其使得能夠基于所請求功率、空速和環(huán)境條件來優(yōu)化推進(jìn)器設(shè)置。這些可包括以下各項中的一項或多項：

●比如，電機(jī)性能模型，其將電機(jī)的效率描述為電機(jī)扭矩、速度和電壓的函數(shù)；

●比如，推進(jìn)器性能模型，其將推進(jìn)器推力定義為風(fēng)扇槳距角、扭矩、空速、風(fēng)扇速度和設(shè)置、標(biāo)準(zhǔn)、反向或再生制動的函數(shù)；

●電機(jī)和推進(jìn)器性能查找表，其定義離散點處的性能關(guān)系，作為優(yōu)化的替代，或者用于產(chǎn)生起始近似值；以及

●關(guān)于電機(jī)和推進(jìn)器設(shè)置的性能約束。比如，標(biāo)準(zhǔn)操作、再生制動和反向推力的風(fēng)扇槳距角范圍。

●發(fā)電機(jī)模型(圖11的元件1156)：

-實現(xiàn)基于所請求功率、空速和環(huán)境條件來優(yōu)化發(fā)電機(jī)設(shè)置的性能模型、查找表和性能約束。這些可包括以下各項中的一項或多項：

●比如，發(fā)動機(jī)性能模型，其將發(fā)動機(jī)效率定義為發(fā)動機(jī)扭矩、速度和周圍條件的函數(shù)；

●比如，電機(jī)性能模型，其將電機(jī)效率描述為電機(jī)扭矩、速度和電壓的函數(shù)；

●發(fā)動機(jī)和電機(jī)性能查找表，其定義離散點處的性能關(guān)系，作為性能模型的替代，或者用作起始近似值；

●可替代地，比如，用于整合發(fā)動機(jī)電機(jī)性能的發(fā)電機(jī)電機(jī)，其將發(fā)電機(jī)效率描述為扭矩、速度、電壓和周圍條件的函數(shù)。與上文類似，發(fā)電機(jī)電機(jī)可由定義離散點處的性能關(guān)系的發(fā)電機(jī)性能查找表代替或補(bǔ)充；以及

●關(guān)于發(fā)動機(jī)和電機(jī)或者整合發(fā)電機(jī)設(shè)置的性能約束。例如，全功率、升壓和峰值的發(fā)動機(jī)功率范圍，全功率、升壓和峰值的電機(jī)功率范圍，以及升壓和峰值的安全持續(xù)時間。

●所存儲能量模型(圖11的元件1158)：

-性能模型、查找表和性能約束，其使得能夠基于所請求功率、當(dāng)前荷電狀態(tài)、環(huán)境條件來優(yōu)化跨可再充電所存儲能量單元和發(fā)電機(jī)的功率分配。這些可包括以下各項：

●所存儲能量單元的縮減模型，其例如通過通用庫侖計數(shù)來使單元的電荷狀態(tài)與所汲取的電流相關(guān)；

●所存儲能量性能模型，其基于所汲取的功率、荷電狀態(tài)、周圍條件和其他因素來確定單元的操作效率。例如，與模型聯(lián)接的用于關(guān)鍵參數(shù)(諸如，用于隨荷電狀態(tài)和溫度改變的開路電壓)的rint型等效電路模型；

●所存儲能量性能查找表，其定義離散點處的性能關(guān)系，作為優(yōu)化的替代，或者用作起始近似值；以及

●關(guān)于所存儲能量單元的性能約束，其包括荷電狀態(tài)和從單元汲取的功率的限值。

故障檢測和恢復(fù)(圖10的元件1042和/或圖11的元件1160)

●故障檢測和識別(圖11的元件1162)：

-通過基于信號和基于模型的方法的組合來連續(xù)監(jiān)測動力系統(tǒng)的健康，以檢測傳感器、致動器、部件或模塊故障；

-對來自一系列源的信號、從pocs到較低級別的控制器的控制信號、來自較低級別的控制器、動力系統(tǒng)和模塊傳感器的輸出信號、飛機(jī)狀態(tài)變量進(jìn)行周期性采樣；

-監(jiān)測信號以確保動力系統(tǒng)正在由性能約束限定的安全極限內(nèi)操作。如果超過安全極限，那么監(jiān)測尖峰的廣度和持續(xù)時間，以評估問題的嚴(yán)重性；

-觸發(fā)動力系統(tǒng)警報(圖11的元件1164)以通過駕駛艙內(nèi)的接口(元件1170，并且更具體地，飛行員警報元件1172)來通知飛行員；

-利用各種方法來檢測故障信號，例如傅立葉分析、極限檢查；

-通過諸如參數(shù)估計或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法將動力系統(tǒng)、模塊和子系統(tǒng)的性能與部件或過程的內(nèi)部模型的性能進(jìn)行比較，以便識別潛在故障；

-通過信號和使用分析和/或啟發(fā)式方法的模型來確定故障的位置和性質(zhì)?；谖恢谩㈩愋秃蛧?yán)重性對故障進(jìn)行分類；并且

-觸發(fā)動力系統(tǒng)和控件重新設(shè)計功能/過程(圖11的元件1166)以發(fā)起校正動作。

應(yīng)注意，為了管理飛機(jī)和運輸系統(tǒng)的目的，動力系統(tǒng)配置和控制律庫可包括以下信息、數(shù)據(jù)或過程：

-描述解決動力系的故障將要遵循的過程步驟的解決過程；

-每個動力系統(tǒng)配置描述集體地需要被設(shè)定以實現(xiàn)此架構(gòu)的設(shè)置(例如，開關(guān)、連接器、接觸器)，以及執(zhí)行安全重新配置的過程步驟和操作重新配置的動力系統(tǒng)的控制律；并且

-每個控制律描述動力系統(tǒng)的優(yōu)化和控制規(guī)程，包括目標(biāo)函數(shù)、操作規(guī)則、動力系統(tǒng)和模塊功能約束以及飛機(jī)和動力系統(tǒng)性能模型。

●動力系統(tǒng)和控件重新設(shè)計(圖11的元件1166)：

-通過將預(yù)定義設(shè)計與飛行中合成相結(jié)合，確定適應(yīng)活動故障以使得正?；蛉嵝越导壍男阅艿靡员３炙璧膭恿ο到y(tǒng)和控件重新設(shè)計；

-基于故障的位置、類型和嚴(yán)重性來確定是否需要校正動作；

-通過專家系統(tǒng)(或其他決策過程)選擇解決過程、動力系配置和控制律來最優(yōu)地適應(yīng)故障，所述專家系統(tǒng)將預(yù)定義解決過程、動力系統(tǒng)配置和控制律的庫內(nèi)的查找與合成進(jìn)行組合，以定制對特定條件的響應(yīng)。例如：

○故障模塊或電路的隔離。比如，在轉(zhuǎn)換器中的短路開關(guān)故障的情況下，可使用連接到開關(guān)的快速熔斷器：當(dāng)發(fā)生故障時，清除熔斷器隔離開關(guān)；

○適應(yīng)故障的功率重新分配。比如，在具有雙推進(jìn)器(左和右，各自由所存儲能量單元和發(fā)電機(jī)提供動力)的動力系統(tǒng)中，推進(jìn)器或源中的故障可能需要允許左右傳輸以優(yōu)化輸出。左右傳輸將通過允許使右推進(jìn)器增壓而有助于補(bǔ)償左推進(jìn)器中的故障。類似地，左右傳輸將有助于適應(yīng)右功率源中的故障，這樣兩者可平等地被供電；

○冗余模塊或電路的激活。比如，在具有雙推進(jìn)器(左和右，各自由總線供電)的動力系統(tǒng)中，任一總線中的故障可由單根冗余總線適應(yīng)。此外，冗余總線還可用于創(chuàng)建用于左右傳輸?shù)穆窂?；以?/p>

○高壓電路的隔離。

-通過觸發(fā)動力系統(tǒng)警報(圖11的元件1164)和動力系統(tǒng)和控件管理器(圖11的元件1142)功能、操作或過程來發(fā)起警報和校正動作。

圖14是示出飛行路徑優(yōu)化平臺(fpop)的某些輸入、功能和輸出的流程圖或流程圖解，所述飛行路徑優(yōu)化平臺可用于確定或修訂可用作本發(fā)明空中運輸系統(tǒng)的一部分的電動混合飛機(jī)的飛行路徑。由圖中所示的元件或模塊實行或受其控制的功能、操作或過程中的每一個或其組合可通過由適當(dāng)編程的處理元件(諸如，控制器、狀態(tài)系統(tǒng)、微控制器、cpu、微處理器等)執(zhí)行一組指令來實行。

飛行路徑優(yōu)化平臺的實現(xiàn)方式可用于確定混合電動飛機(jī)的最優(yōu)飛行路徑。這包括在滿足由飛行模式限定的性能和成本目標(biāo)的同時，針對一系列飛行航段中的每一個限定速度和高度以及能量計劃。fpop確定跨一個或多個飛行軌跡的最優(yōu)路徑；在這樣做時，它將飛機(jī)和動力系統(tǒng)特性、天氣條件、atc限制、危險等考慮在內(nèi)。

應(yīng)注意，具有多個功率源的區(qū)域性混合電動飛機(jī)的飛行計劃需要比在長程上駕駛常規(guī)飛機(jī)更復(fù)雜的一組權(quán)衡。例如，對于混合電動飛機(jī)，最優(yōu)飛行高度由速度對比效率目標(biāo)、飛行距離、高空天氣、飛機(jī)空氣動力學(xué)、可用能量和功率以及相對的所存儲能量對比發(fā)電機(jī)的使用的組合來確定。相比之下，長距離商務(wù)乘客或貨物飛行的指定飛行高度可由faa要求、政府政策和粗略飛機(jī)特性中的一個或多個來設(shè)定。這是確定常規(guī)長程飛行的一個(或多個)節(jié)段的更簡單方式。由于本發(fā)明飛機(jī)和區(qū)域性空中運輸系統(tǒng)所需的飛行計劃過程的復(fù)雜性，使用fpop來執(zhí)行飛行前和飛行期間(隨著條件的改變)所需的優(yōu)化過程，以確定最優(yōu)飛行路徑。

除了主飛行路徑計劃之外，還可在飛行中周期性地利用fpop來更新到達(dá)目的地的飛行路徑(鑒于風(fēng)力變化、atc路徑選擇等)，并且在動力系統(tǒng)內(nèi)的失效或者其他飛行緊急情況的情況下提供替代目的地或飛行路徑：

●在飛行期間，鑒于當(dāng)前能量狀態(tài)，周期性地識別在飛機(jī)的航程內(nèi)的所有機(jī)場。結(jié)果可以任何格式方式向飛行員顯示，所述格式方式包括地圖上的航程圈、地圖上的機(jī)場加亮、簡單的文本列表等；

●在任何緊急情況的情況下，立即提供到達(dá)最近的可接受備降機(jī)場的飛行路徑；并且

●在動力系統(tǒng)中的部分失效的情況下，fpop將識別在動力系統(tǒng)的降級狀態(tài)下可用的替代目的地。部分失效的實例將包括一個或多個能量存儲單元、發(fā)電模塊、推進(jìn)電機(jī)等的失效。

在fpop平臺或數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的一些實施方案或?qū)崿F(xiàn)方式中，優(yōu)化過程可在兩個級別上執(zhí)行：

●1級：簡單的基于規(guī)則的計算，其使用標(biāo)準(zhǔn)庫來基于飛行模式和距離設(shè)定高度和速度；以及

●2級：跨一系列可行的高度和速度替代方案進(jìn)行的優(yōu)化，其以1級輸出為基礎(chǔ)。

在一些實施方案中，fpop平臺可包括或被配置來訪問以下功能、操作或過程中的一個或多個：

路徑生成(圖14中的元件或過程1404)。它限定每個飛行軌跡的1級飛行路徑。此模塊構(gòu)造由飛行節(jié)段(例如，巡航、爬升、下降)連接的航路點(緯度、經(jīng)度和高度)限定的3d飛行路徑，其中速度和能量計劃被指派給每個節(jié)段。巡航可由如高度約束和atc路徑選擇所需的一個或多個節(jié)段組成。在2級優(yōu)化的情況下，使用路徑替代生成規(guī)則模塊(1413)為每個軌跡建立替代飛行路徑。針對每個飛行路徑，使用速度規(guī)則庫確定每航段的目標(biāo)速度，并且通過跨所提供的條件進(jìn)行插值來確定天氣和警示指數(shù)。一般來說，路徑生成過程或元件利用從性能啟發(fā)法和空域約束的庫中汲取的核心序列，諸如以下：

●路徑生成序列首先通過啟發(fā)法設(shè)定巡航高度和飛行速度。計算爬升和下降距離以設(shè)定中間航路點，將空域約束計算為具有高度約束的航路點。最后，針對每個節(jié)段設(shè)定功率比(增程發(fā)電機(jī)狀態(tài))；

●路徑啟發(fā)法(圖14中的元件1407)基于來自廣泛的飛行路徑優(yōu)化的數(shù)據(jù)庫的高度、速度和能量源利用的庫。針對給定的航程、重量和飛行模式，返回對于無風(fēng)的簡單飛行剖面最優(yōu)的爬升和下降速率、巡航高度和速度以及增程發(fā)電機(jī)利用時間。啟發(fā)法可使用本文所描述的過程來生成；

●空域約束。(圖14中的元件1410)結(jié)合飛行軌跡，利用空域和地形的導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫來確定最小或最大高度約束，沿著飛行軌跡強(qiáng)加約束以作為起點和終點(緯度、經(jīng)度和高度)航路點；

●爬升、下降庫。(圖14中的元件1409)返回在當(dāng)前重量以及由路徑啟發(fā)法提供的速度下在兩個高度之間爬升或下降的時間和距離的庫。庫可包括具有內(nèi)插平滑化或編譯性能計算的表查找；

環(huán)境評價。(圖14中的元件或過程1412)確定環(huán)境條件是否保證超過基線啟發(fā)路徑的路徑優(yōu)化水平。將天氣和警示數(shù)據(jù)應(yīng)用到飛行路線；任何警示、大風(fēng)或飛行路徑上的顯著風(fēng)力變化將需要l2路徑精煉。

替代飛行路徑生成器(圖14中的元件或過程1413)。通過根據(jù)初始飛行路徑更改節(jié)段高度來構(gòu)建一組替代飛行路徑。如果得到保證，則使用斷點生成器利用另外的航路點來對現(xiàn)有飛行節(jié)段進(jìn)行劃分，并且隨后生成一組所有可能路徑。最大路徑數(shù)量(數(shù)量級為10)受高度約束(最小、最大)和需要在增量高度處巡航的空域規(guī)則(例如：在美國，向東的飛行在奇數(shù)千英尺、9000英尺、13000英尺等處巡航)限制；

斷點生成器(圖14中的元件或過程1414)。此例程將現(xiàn)有巡航節(jié)段與警示和天氣指數(shù)數(shù)據(jù)(元件1403和1405)進(jìn)行比較。通常，航路點被插入在任何警示的邊界處，并且還被插入在具有顯著風(fēng)速變化的任何位置處。每個另外的航路點都增加優(yōu)化器可用的自由度；

飛行路徑優(yōu)化器(圖14中的元件或過程1408)。它改變飛行路徑內(nèi)的巡航速度和功率比，以在滿足約束的同時使目標(biāo)函數(shù)最小化。針對當(dāng)前飛機(jī)狀態(tài)執(zhí)行優(yōu)化，當(dāng)前飛機(jī)狀態(tài)可包括重量、所存儲能量和可用的增程發(fā)電機(jī)燃料以及可包括風(fēng)、降水、溫度等的環(huán)境條件。優(yōu)化過程的結(jié)果可包括優(yōu)化的飛行路徑、空中路徑、能量計劃以及目標(biāo)函數(shù)的值。飛行路徑優(yōu)化器可包括以下過程、操作、功能、元件等中的一個或多個：

■目標(biāo)函數(shù)。由飛行模式設(shè)定，所述目標(biāo)函數(shù)將影響巡航速度和能量利用策略?！案爬ā毙阅芸臻g的示例性目標(biāo)函數(shù)通常將是最大速度(最小時間)或最小能量。更綜合的目標(biāo)函數(shù)可包括以下項中的一項或若干項，其中參數(shù)由操作者定義：目標(biāo)函數(shù)＝燃料成本+所存儲能量成本+發(fā)動機(jī)維護(hù)和儲備成本(攤銷)+蓄電池包成本(攤銷)+乘客和機(jī)組時間成本+飛機(jī)成本+排放成本；

■優(yōu)化變量。優(yōu)化器改變巡航速度和功率比。例如，最大速度優(yōu)化將導(dǎo)致高水平的增程發(fā)電機(jī)使用，而最小能量優(yōu)化將導(dǎo)致水平取決于飛行航程的增程發(fā)電機(jī)使用，足夠短的飛行將根本不使用增程發(fā)電機(jī)；

■優(yōu)化約束?？砂P(guān)于動力系統(tǒng)的性能和安全性的一個或若干個約束，包括所存儲能量的最大放電率，飛行期間的任何點處的最小荷電狀態(tài)，飛行結(jié)束時的最小能量儲備(應(yīng)注意，優(yōu)化發(fā)生在固定飛行路徑上；飛行路徑發(fā)電機(jī)已滿足任何高度約束)；

■優(yōu)化過程。優(yōu)化空間是非線性的，并且可包括發(fā)電機(jī)狀態(tài)的不連續(xù)性，這兩者排除了閉合形解。優(yōu)化需要使用當(dāng)前飛機(jī)配置并且在預(yù)期飛行環(huán)境中以時間相關(guān)的方式對飛機(jī)和動力系統(tǒng)在限定飛行路徑內(nèi)的性能進(jìn)行建模。性能模型產(chǎn)生用于計算目標(biāo)函數(shù)的時間積分總計(例如：消耗的燃料和所存儲能量)；

■飛行建模可通過動態(tài)規(guī)劃(例如包括代表性飛機(jī)和動力系統(tǒng)模型(下面更詳細(xì)地描述)的飛行模擬)來實現(xiàn)，或者通過簡化的方法(諸如降階模型(只要是不連續(xù)的，就可正確地對時間積分特性進(jìn)行建模))來實現(xiàn)。本文描述的方法利用具有代表性飛機(jī)和動力系統(tǒng)模型的飛行模擬器過程，并且并入當(dāng)前操作環(huán)境的影響；

■優(yōu)化算法。具有單個巡航速度變量的飛行剖面可用梯度下降或牛頓法來優(yōu)化。在功率比上具有不連續(xù)性的多節(jié)段飛行可能需要更高級的非線性算法，諸如npsol；

約束檢查(圖14的元件或過程1406)針對可用于使優(yōu)化空間成形的所需飛行末期能量儲備或其他約束來檢查優(yōu)化的飛行路徑的結(jié)果。此時，將不能被優(yōu)化以滿足約束的路徑作為不可行路徑丟棄；

路徑評價(圖14的元件或過程1402)。它按目標(biāo)函數(shù)對所有有效飛行路徑進(jìn)行分類，返回默認(rèn)飛行路徑(如最初所請求的)和優(yōu)化的(即，具有最小目標(biāo)函數(shù)的)飛行路徑與所有相關(guān)信息；

飛行模擬模型和模塊。飛行模擬模型可由飛行路徑優(yōu)化器(圖14的元件或過程1408)利用，并且是飛行測試校準(zhǔn)的、單自由度的、基于物理的性能模擬模型，在給出飛機(jī)重量、速度、空氣溫度、和壓力、以及爬升或下降速率的情況下，所述模型計算當(dāng)前飛行階段所需的預(yù)期功率。所述模型在時間步進(jìn)和經(jīng)驗例程中利用飛機(jī)和動力系統(tǒng)模型，以連續(xù)計算在存在預(yù)測天氣的情況下沿著飛行路徑的性能。結(jié)果是時間、距離和能量的積分總計。距離積分總計為空中路徑。這些模型可包括以下各項中的一項或多項：

●飛行模塊。由對應(yīng)飛行模塊(例如，起飛、爬升、巡航、下降、著陸等)針對每個飛行節(jié)段計算性能。所述模塊利用飛機(jī)和節(jié)段信息來啟動，并且返回整個飛行節(jié)段的綜合性能。表格提供關(guān)于每個模塊的輸入和輸出的細(xì)節(jié)，其中模塊利用飛機(jī)和動力系統(tǒng)模型來計算飛機(jī)性能；

●飛機(jī)模型。所述模型可利用飛機(jī)狀態(tài)(高度、速度、功率水平、重量、轉(zhuǎn)彎速率等)和操作環(huán)境(高度、空氣溫度、壓力、密度)來啟動，并且返回對應(yīng)的瞬時性能(能量使用、燃料燃燒、加速度、爬升或下降速率等)。所述模型可利用力和力矩方程(cl、cd、cdi、cm、f和nzw)和綜合表查找的組合來確定飛機(jī)瞬時性能，其中：

○cl-cl＝nzw/q/s的標(biāo)準(zhǔn)計算結(jié)果；

○cd-通過基于reynolds的表面摩擦方法計算的阻力，其中型阻系數(shù)校正到測試阻力。冷卻阻力、襟翼和起落架阻力(如果需要的話)、突起和干擾阻力的其他系數(shù)；

○cdi-具有基線cl²/(πare)的誘導(dǎo)阻力，e通過表查找、cl的函數(shù)、襟翼設(shè)置提供。配平阻力作為升力增量添加到主翼，并且cdi來自ht；

○cm—俯仰力矩，來自飛機(jī)重量、cg和中性點(速度相關(guān)，來自表查找)；

○f—推力，可用和所要求的。動力系統(tǒng)和推進(jìn)器模型被調(diào)用來確定可用shp，所述可用shp利用空氣動力推進(jìn)器模型(效率對比速度的表查找)轉(zhuǎn)換為推力。計算平衡阻力所需的推力(在非最大推力的情況下)，并且將其用于能量/燃料燃燒；以及

○nzw—由于加速飛行(轉(zhuǎn)彎或俯仰速率)引起的載荷系數(shù)，以(g)的分?jǐn)?shù)來表達(dá)；

●動力系統(tǒng)模型。代表混合電動動力系統(tǒng)模塊和推進(jìn)器的物理學(xué)。響應(yīng)于來自飛機(jī)的推力需求，動力系統(tǒng)模塊在增程發(fā)電機(jī)與能量存儲單元之間分配功率，返回可用推力、增程發(fā)電機(jī)狀態(tài)、燃料燃燒速率和存儲放電率。飛機(jī)模擬追蹤增程發(fā)電機(jī)運行時間、總的所燃燒燃料和所使用的存儲的kwh。在動力系統(tǒng)部分(例如，圖11的元件1153和1154)中提供關(guān)于動力系統(tǒng)模型的另外信息。

如所指出的，fpop流程圖或流程控制圖示出fpop過程的示例性實現(xiàn)方式中的步驟順序。這些通常包括：

1.將fpop從pocs(1409)初始化；可從若干來源收集飛行路徑生成/優(yōu)化所需的數(shù)據(jù)：

a.由pocs提供飛行員輸入的飛行模式信息(1410)，所述信息還包括能量狀態(tài)要求(例如，著陸時所需的儲備水平)

b.gps/fms提供將要優(yōu)化的初始的、飛行員輸入的飛行軌跡(1412)—可存在多于一個飛行軌跡選項(例如，圍繞地形或在地形上方的多條路線)；

c.通過數(shù)據(jù)鏈路(ads-b接收)上傳天氣信息(1414)；

d.飛機(jī)數(shù)據(jù)總線提供當(dāng)前的操作或環(huán)境參數(shù)(1416)，包括溫度、空氣壓力，并且如果這是飛行中更新的話，還包括飛機(jī)位置和速度。

2.數(shù)據(jù)預(yù)處理(1420)將廣域天氣信息轉(zhuǎn)換成沿著飛行軌跡(基于緯度、經(jīng)度和可獲得高度)的位置處的內(nèi)插天氣的天氣指數(shù)(1403)。類似地，對警示的源(例如，結(jié)冰或降水)進(jìn)行預(yù)處理以檢查它們對預(yù)期飛行路線的可能影響；在警示指數(shù)(1405)中提供數(shù)據(jù)。

3.利用完全匯編的一組輸入數(shù)據(jù)集來調(diào)用fpop平臺(步驟或階段1401)。

4.飛行路徑生成器(1404)根據(jù)所提供的2d飛行軌跡創(chuàng)建三維飛行路徑。所生成路徑由一組航路點(由緯度、經(jīng)度和高度定義)限定，這些航路點由節(jié)段(爬升、巡航、下降)連接，所述節(jié)段具有指定用于每個節(jié)段的速度。

a.路徑/性能啟發(fā)法的庫(1407)提供最優(yōu)爬升速率、巡航高度和下降速率。啟發(fā)法針對飛機(jī)當(dāng)前重量和能量狀態(tài)校正；

b.爬升和下降庫(1409)使用速率(來自啟發(fā)法)來提供確定中間航路點位置的爬升和下降距離；

c.可添加中間航路點以匹配空域約束(1410)，其包括由于地形造成的約束；以及

d.航路點通過飛行節(jié)段相連；來自啟發(fā)法的速度和增程發(fā)電機(jī)狀態(tài)被指派給所有節(jié)段。

5.環(huán)境評價(1412)結(jié)合天氣和危險數(shù)據(jù)檢查飛行路徑，以確定路徑在實際條件下是否將受益于優(yōu)化：

a.如果沒有另外的優(yōu)化是所需要或者將是有益的，那么將路徑提供給飛行路徑優(yōu)化器(1408)；

b.如果進(jìn)一步優(yōu)化具有潛在益處，那么調(diào)用替代飛行路徑生成器(1413)；

i.斷點生成器(1414)可基于高空中的警示源和/或風(fēng)來向巡航節(jié)段添加另外的中間航路點；這在優(yōu)化空間中提供更多的自由度；

ii.每個巡航節(jié)段的高度向上變化到最大值(由性能限值設(shè)定)并且向下變化到最低值(由約束設(shè)定)。通過使用啟發(fā)法再次設(shè)定速度和能量源利用；

iii.將全組可能的路徑提供給飛行路徑優(yōu)化器(1408)。

6.飛行路徑優(yōu)化器(1408)改變飛行路徑內(nèi)的巡航速度和功率比，以在任何指定約束內(nèi)使目標(biāo)函數(shù)最小化。對于每個飛行路徑，優(yōu)化器生成空中路徑、能量計劃和目標(biāo)函數(shù)。應(yīng)注意，如果找不到可行的能量計劃，則可丟棄路徑。

7.按目標(biāo)函數(shù)對所有可行路徑進(jìn)行分類，并且識別并返回最優(yōu)路徑。最終輸出(1430)是飛行路徑和空中路徑、能量計劃、所需能量、儲備能量和抵達(dá)能量，以及指定目標(biāo)函數(shù)的值。

飛行模擬模塊(應(yīng)注意，這些代表可能實現(xiàn)方式的實例)

應(yīng)注意，飛行路徑優(yōu)化(諸如由fpop執(zhí)行并且如本文所描述的飛行路徑優(yōu)化)取決于影響飛機(jī)效率和成本的參數(shù)；這些在常規(guī)平臺與混合平臺之間顯著不同，如下表所示。

在一些實施方案中，可進(jìn)行優(yōu)化過程，以便生成路徑或用于fpop飛行路徑生成器的其他啟發(fā)法，如本文所描述。下面是包括關(guān)于可對于本發(fā)明混合電動區(qū)域性空中運輸系統(tǒng)執(zhí)行的優(yōu)化過程與可用于常規(guī)飛機(jī)和運輸系統(tǒng)的優(yōu)化過程之間的差異的信息的表格。

圖13是示出飛機(jī)的示例性飛行路徑優(yōu)化的圖，所述示例性飛行路徑優(yōu)化可由飛行路徑優(yōu)化平臺(fpop)生成并且至少部分地用于控制本發(fā)明區(qū)域性空中運輸系統(tǒng)的實施方案中的飛機(jī)的操作。如圖所示，飛行路徑1300可由一個或多個節(jié)段(諸如圖中由“a”、“a.1”、“b”、“c”、“d”等識別的那些)組成，其中每個節(jié)段段可能需要飛機(jī)和控制系統(tǒng)的特定配置，以便被適當(dāng)?shù)貙崿F(xiàn)(例如，受制于由行程距離、燃料(能量)水平、燃料消耗、總重量等對飛機(jī)操作施加的約束))。所述圖以剖面示出飛行路徑優(yōu)化過程的圖形實例，并且因此僅示出作為距離的函數(shù)的高度剖面。在此實例中，默認(rèn)飛行路徑1300是單原點的單目的地路徑，其由fpop的路徑生成模塊/功能分成多個節(jié)段。

由fpop模塊的路徑生成過程產(chǎn)生的初始路徑(由虛線表示)是基于原點(a)、目的地(d)和地形障礙的高度約束。此默認(rèn)路徑導(dǎo)致初始爬升(節(jié)段a至a^*)，在最優(yōu)無風(fēng)高度處的巡航模式(節(jié)段a^*至b)，在越過障礙的更高高度處的節(jié)段(b至b.1)，返回到移除障礙約束時的最優(yōu)巡航高度(節(jié)段b.1至c)并且巡航直到下降點的頂部(節(jié)段c至c.1)時，之后是下降到著陸(節(jié)段c.1至d)。路徑生成過程使用爬升和下降速率來確定飛行路徑的中間點(即，a.1、b.1和c.1)。應(yīng)注意，最優(yōu)爬升和下降速率、巡航高度和速度以及發(fā)電機(jī)關(guān)閉點(由點c與c.1之間的三角形指示)由飛行模式和航程確定。例如，在中等航程內(nèi)的“高速”模式導(dǎo)致以最佳速率爬升到允許峰值發(fā)電功率的最大高度，其中對于所有巡航，增程發(fā)電機(jī)開啟；而在相同距離內(nèi)的經(jīng)濟(jì)模式可能在較低高度處更緩慢地巡航，并且增程發(fā)電機(jī)在巡航的中途關(guān)閉，從而僅依靠所存儲能量完成飛行。此路徑被提供給能量優(yōu)化模塊，并且隨后提供給fpop的路徑評價模塊。

返回到圖13所示的示例性優(yōu)化過程，在一些實施方案中(并且如圖14所表明)，在典型的優(yōu)化過程中，環(huán)境評價模塊/功能1412針對潛在巡航節(jié)段檢查天氣指數(shù)1403和警示指數(shù)1405，并且基于風(fēng)速、風(fēng)向或風(fēng)速度的變化等來確定是否應(yīng)執(zhí)行進(jìn)一步優(yōu)化(如圖14的“精煉路徑？”判定步驟1415的“是”或“否”分支所指示的)：

●斷點生成器1414首先基于風(fēng)梯度確定現(xiàn)有的巡航節(jié)段(即，a、b和c)是否需要另外的細(xì)分；在這種情況下，答案是否，因為風(fēng)在每個航段上是一致的(如圖13中所示的風(fēng)速度w1和w2所表明)；

●替代飛行路徑生成器模塊1413改變a.1、b和c處的高度，這修改飛行路徑的點a.3、b.1、c和c.1的位置；應(yīng)注意，存在有限數(shù)目的可行變化，因為飛機(jī)規(guī)章要求在增量高度下(例如，在美國，每2,000ft)進(jìn)行巡航。巡航高度的下限由最小路線高度(mea，由地形和空域限定)設(shè)定，而上限由飛機(jī)性能能力設(shè)定。這個改變過程的結(jié)果是一組潛在的飛行路徑；

●飛行路徑優(yōu)化模塊1408通過實施飛行模擬過程來對每個潛在飛行路徑進(jìn)行分析，以找到所述路徑的最低能量使用；以及

●路徑評估模塊1402被用于對路徑排列并返回默認(rèn)路徑和使目標(biāo)函數(shù)最小化的路徑兩者。

在此實例中(與圖13所示的默認(rèn)飛行路徑1300相比)，路徑優(yōu)化模塊1408將初始高度降低到下限以避免逆風(fēng)，從而將a.3的位置往回移動以確保有夠距離來爬升到b，以便越過地形障礙。b處的高度不變，但在越過障礙之后，c處的較低巡航高度利用順風(fēng)，并且盡可能長地延遲下降點(c.1)的頂部以利用順風(fēng)。在初始節(jié)段上減少的能量使用允許發(fā)電機(jī)更早地關(guān)閉(如由圖中更靠近點c的三角形所表明)。

下表示出優(yōu)化路徑中的每個航路點、中間航路點的源、每個航段所希望的高度和速度以及優(yōu)化過程修改原始默認(rèn)飛行路徑的方式。在表中，a.2、b、b.1和c航路點的速度和/或高度已被優(yōu)化。此表還列出針對每個航段確定速度的方式；應(yīng)注意，已針對高度被優(yōu)化的航段也已針對速度被優(yōu)化。

如所指出的，具有多個功率源的區(qū)域性混合電動飛機(jī)的飛行路徑計劃需要比在長程內(nèi)的常規(guī)飛機(jī)更復(fù)雜的權(quán)衡。例如，最優(yōu)飛行高度由速度對比效率目標(biāo)、飛行距離、高空天氣、飛機(jī)空氣動力學(xué)、可用能量和相對能量存儲對比增程發(fā)電機(jī)或替代電源使用的組合來確定。fpop過程使得能夠在飛行前和飛行期間隨著條件的改變進(jìn)行這種優(yōu)化，以確定一個或多個最優(yōu)飛行路徑。

如本文所描述，在一些實施方案中，用于混合電動飛機(jī)的fpop平臺或系統(tǒng)可具有以下特性和/或執(zhí)行所指示的功能：

●生成一個或多個飛行路徑，所述飛行路徑針對飛行模式被優(yōu)化并且同時滿足飛機(jī)和環(huán)境約束(例如，最終能量狀態(tài)和空域限制)。確定的或修訂的飛行路徑可上傳到fms(圖3和圖4所示)以由飛行員或自動駕駛儀執(zhí)行；

●具有多個能量源的區(qū)域性混合電動飛機(jī)的飛行計劃需要比常規(guī)飛機(jī)更復(fù)雜的權(quán)衡，并且由于使用多源能量儲備的復(fù)雜性，對于飛行安全也是更加關(guān)鍵的。飛機(jī)在任務(wù)內(nèi)的性能本質(zhì)上是非線性的，并且通常利用某種水平的動態(tài)規(guī)劃(例如，模擬)外加優(yōu)化方法(例如，使總飛行能量最小化的能量方法)來實現(xiàn)?；旌想妱有阅苄枰硗獾膹?fù)雜性水平，因為能量貢獻(xiàn)來自在物理上相異的多個源(能量源或功率源)，它們相對于飛行上的時間或成本可能不連續(xù)。這導(dǎo)致常規(guī)飛行路徑計劃所不能解決的復(fù)雜的優(yōu)化過程；

●如所描述的，用于混合電動動力系統(tǒng)的飛行路徑優(yōu)化平臺(fpop)通常使用兩步過程；(1)飛行路徑定義，以設(shè)定包括巡航高度的整體飛行剖面，接著是(2)在當(dāng)前操作環(huán)境中進(jìn)行的優(yōu)化。

●飛行路徑定義可根據(jù)環(huán)境條件在一個或兩個級別上發(fā)生：

–1級：使用啟發(fā)法的3d飛行路徑的初始定義，所述啟發(fā)法提供對于所希望航程和飛行模式最優(yōu)的高度、巡航速度和能量計劃。如果飛行環(huán)境相對簡單(低風(fēng)、沒有警示或危險)，那么1級通常是足夠的；

–2級：當(dāng)風(fēng)或警示對1級路徑產(chǎn)生不利影響時，被調(diào)用以生成替代路徑。改變1級飛行路徑巡航節(jié)段的高度以生成一組修改的路徑。

●通過在將當(dāng)前操作環(huán)境(天氣和飛機(jī)狀態(tài))考慮在內(nèi)的同時，調(diào)整巡航速度和能量計劃(功率比)以在約束內(nèi)使目標(biāo)函數(shù)最小化，來對每個飛行路徑執(zhí)行優(yōu)化。結(jié)果是空中路徑、能量計劃以及目標(biāo)函數(shù)的值。在多個飛行路徑的情況下，將具有最小目標(biāo)函數(shù)的路徑作為最優(yōu)返回。

與在長途飛行上操作的常規(guī)飛機(jī)相比，區(qū)域性的混合電動飛機(jī)飛行剖面具有更多的速度和高度的選項，并且由于使用對高度和功率需求作出不同響應(yīng)并且具有不同成本的多個能量源而顯著地更復(fù)雜。作為此創(chuàng)新的一部分，本發(fā)明人認(rèn)識到：常規(guī)飛機(jī)飛行計劃不足以為混合電動飛機(jī)提供安全、高效的飛行路徑，并且必須提供這種能力以確保飛行安全性并減少飛行員工作量。本發(fā)明fpop平臺/系統(tǒng)的實現(xiàn)方式是基于本發(fā)明人對操作和優(yōu)化混合電動動力系統(tǒng)和常規(guī)飛機(jī)的動力系統(tǒng)之間的差異的認(rèn)識。這些差異或區(qū)別特性包括：

●常規(guī)的長途飛機(jī)使用有限的一組規(guī)定的爬升和下降剖面并且在31,000與40,000ft之間的高度處巡航。巡航高度容易根據(jù)高空風(fēng)和空中交通要求確定，并且“優(yōu)化”通常僅僅是調(diào)整速度以針對燃料價格進(jìn)行調(diào)整；

■區(qū)域性飛機(jī)在爬升和下降上花費的飛行路徑/時間的部分要高得多，并且巡航高度根據(jù)航程、天氣、地形和空中交通管制而廣泛地變化。即使如此，對于常規(guī)飛機(jī)來說，在區(qū)域性操作中，最佳巡航效率通常依賴于到鑒于巡航航程而實用的最高高度的爬升；

■常規(guī)飛機(jī)中的能量計劃通常是確?？捎萌剂媳蕊w行所需的燃料多的過程。燃料燃燒根據(jù)計劃的飛行節(jié)段和所需儲備來計算(表達(dá)為時間，或時間+到替代的轉(zhuǎn)移)。計算由飛行員或fms使用考慮飛機(jī)重量、巡航高度和速度的查表系統(tǒng)來進(jìn)行；

■巡航速度根據(jù)時間成本和可用燃料來在高速巡航(最大功率)或長程巡航(最佳經(jīng)濟(jì)性)之間進(jìn)行選擇；

■常規(guī)的飛機(jī)發(fā)動機(jī)隨著高度而損失功率，并且即使“全功率”(即，全開油門)飛行也不會太快地耗盡燃料儲備；并且

■常規(guī)飛行路徑優(yōu)化通常是基于燃料成本與操作成本的單比。例如，一些飛機(jī)制造商將其稱為“成本指數(shù)”，它是由操作者設(shè)定的單個數(shù)字，飛機(jī)fms使用此數(shù)字來設(shè)定爬升速度、巡航速度和下降點的頂部。

●相比之下，混合電動區(qū)域性飛機(jī)在寬高度范圍內(nèi)都是高效的，具有由能量而不是可用功率確定的巡航速度，對比并且具有更復(fù)雜的總成本能量成本：

■巡航高度主要影響速度以及電源/增程發(fā)電機(jī)可用功率(其影響給定速度下的航程)。效率的變化小得多；優(yōu)化器針對速度與針對能量效率相比將選擇更高的高度(使總成本最小化)(這與常規(guī)飛行計劃相反)。

■能量計劃因具有不同操作性質(zhì)的雙/多能源而是顯著復(fù)雜的：

a.所存儲能量獨立于高度或速度提供寬范圍的功率，但是具有相對有限的能量的量。所存儲能量可能遭受隨功率輸出變化的效率損失，從而當(dāng)以高放電率操作時有效地減少所存儲能量的量；

b.增程發(fā)電機(jī)提供恒定功率，其中總能量受可用燃料限制。增程發(fā)電機(jī)功率和效率可隨高度而變化；并且

c.儲備能量必須針對每個源指定，足以確?？墒冀K維持安全飛行。

■巡航速度范圍是從是航程的函數(shù)的最大能量(可用于巡航的所存儲能量+發(fā)電*時間的總和)，到最小能量；巡航速度被設(shè)定來匹配目標(biāo)未來能量狀態(tài)。

■電動推進(jìn)并不隨高度而損失功率；在高的高度處持續(xù)以最大功率飛行的飛行員將比常規(guī)飛行員所期望更快地耗盡所存儲能量。

■飛行路徑優(yōu)化將能量和電力的總成本(所存儲能量成本+發(fā)電成本)與操作成本進(jìn)行折中。所存儲能量對比所產(chǎn)生能量的成本差異將基本優(yōu)化擴(kuò)展成包括能量來源尋求優(yōu)化(例如，pocs混合能量計劃器功能)。

作為創(chuàng)造本發(fā)明飛機(jī)和區(qū)域性運輸系統(tǒng)的一部分，本發(fā)明人已開發(fā)出用于設(shè)計和優(yōu)化可前向兼容的混合電動飛機(jī)的一個或一組過程。設(shè)計過程包括設(shè)定動力系統(tǒng)部件的大小、推進(jìn)整合、設(shè)定機(jī)翼的大小以及降噪，這些共同地導(dǎo)致與常規(guī)飛機(jī)相比具有降低60-80％的直接操作成本降低、短20-30％的跑道的能力以及低15-25epndb的噪聲的飛機(jī)。此外，前向兼容性確保飛機(jī)可通過特定動力系統(tǒng)模塊的相對簡單的升級來適應(yīng)未來的ev/混合技術(shù)。因此，本發(fā)明飛機(jī)的實施方案預(yù)期在機(jī)架的目標(biāo)壽命內(nèi)保持競爭性，從而通過模塊升級提供改進(jìn)的性能并且降低成本。此外，相同或相似的過程可用于開發(fā)具有針對特定市場定制(通過在不對外部機(jī)架或推進(jìn)器進(jìn)行的任何改變的情況下選擇動力系統(tǒng)模塊)的不同性能的飛機(jī)變型。這使得能夠開發(fā)出在具有極少的工程和重新認(rèn)證要求的情況下針對特定市場優(yōu)化的飛機(jī)。將參照圖15和圖16更詳細(xì)地描述可用作本發(fā)明區(qū)域性空中運輸系統(tǒng)的一部分的飛機(jī)的這組設(shè)計與優(yōu)化概念和過程。應(yīng)注意，常規(guī)飛機(jī)設(shè)計過程無法設(shè)定混合電動動力系統(tǒng)部件的大小，無法確保飛機(jī)和動力系統(tǒng)與快速改進(jìn)的ev/混合技術(shù)保持并進(jìn)，或者無法充分利用電動推進(jìn)的獨特益處，包括突破性效率、短起落能力以及低噪聲操作。

圖15是示出可用于實現(xiàn)本發(fā)明空中運輸系統(tǒng)的實施方案的混合電動飛機(jī)設(shè)計過程的流程圖或流程圖解。在一些方面，總體流程類似于常規(guī)飛機(jī)設(shè)計，但是特定步驟(以粗體示出的那些)被修改或者完全是混合電動設(shè)計過程所特有的。下表提供對這些改變的步驟中的每一個的描述，以及與常規(guī)過程的比較。

圖15的流程圖示出本發(fā)明飛機(jī)設(shè)計周期中的主要部件。因為重量(有效載荷、燃料和飛機(jī))、推進(jìn)功率和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)大小設(shè)定(翼、尾翼、起落架等)的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的相互依賴性，飛機(jī)設(shè)計是高度迭代的過程。應(yīng)注意，粗體示出的操作或過程是受混合電動動力系統(tǒng)及其作為本發(fā)明區(qū)域性空中交通系統(tǒng)的一部分的用途顯著影響的那些：

1.設(shè)計過程從頂層設(shè)計要求開始，所述要求包括有效載荷、客艙大小、巡航速度和航程、最大高度、起落跑道性能以及噪聲和成本要求(步驟或階段1502)；

2.重量是飛機(jī)設(shè)計中唯一最重要的驅(qū)動因素。最大重量直接影響所需的發(fā)動機(jī)功率、機(jī)翼大小和結(jié)構(gòu)重量以及所需的巡航動力(能量)。每個設(shè)計周期從對重量進(jìn)行更新開始(步驟或階段1504)；

3.基于最大重量，設(shè)定飛機(jī)機(jī)翼和尾部區(qū)域的大小，并且使用粗略的性能分析來確定所需的推進(jìn)功率以及滿足航程和速度要求的能量容量。飛機(jī)構(gòu)型還被布局用于定位主要部件、機(jī)翼、尾部、起落架等(步驟或階段1506)；

a.將所存儲能量的量和發(fā)電功率容量考慮在內(nèi)(步驟或階段1507)的動力系統(tǒng)部件大小設(shè)定是混合動力交通工具所特有的。本文描述的分3級的設(shè)計過程結(jié)合成本使用航程和速度來提供此功能所需要的要求和約束；

4.通過大小設(shè)定和構(gòu)型，可根據(jù)一系列模型和部件重量構(gòu)建重量(步驟或階段1508)。例如，機(jī)翼參數(shù)重量將厚度、跨度、面積、掃掠和錐度考慮在內(nèi)以根據(jù)幾何形狀估計典型重量，而發(fā)動機(jī)和起落架通常具有由提供商提供的固定的部件重量；

5.所有飛機(jī)重量的總和產(chǎn)生空機(jī)重量；如果空+有效載荷+燃料+所存儲能量重量超過最大重量，那么將使用更新的重量再次執(zhí)行設(shè)計過程的相關(guān)部分；

6.現(xiàn)在使用性能建模(步驟或階段1510)來估計飛機(jī)性能；這涉及使用通過大小設(shè)定步驟產(chǎn)生的重量、配置和動力系統(tǒng)信息來應(yīng)用代表性的空氣動力和推進(jìn)模型；

7.應(yīng)注意，混合電動推進(jìn)需要兩個獨立的模型；推進(jìn)器一個，動力系統(tǒng)一個(步驟或階段1511)；

a.推進(jìn)器模型將在步驟(3)中設(shè)定大小的電機(jī)與推進(jìn)器(例如，螺旋槳)的空氣動力學(xué)特性組合，以計算指定推力水平所需的動力；以及

b.推進(jìn)器模型基于動力系統(tǒng)模型確定可用的推力，并且包括所存儲能量單元和發(fā)電機(jī)。動力系統(tǒng)模型確定最大可用動力，并且對于給定動力需求，確定存儲與發(fā)電的比、存儲放電率和增程發(fā)電機(jī)燃料燃燒。

8.升力和阻力模型是基于構(gòu)型的幾何形狀(步驟3)，并且在各種配置中實現(xiàn)性能計算，所述配置包括巡航、起飛、著陸、襟翼上升和下降、起落架上升和下降、部署的速度制動等。應(yīng)注意，電推進(jìn)器可與再生制動一起使用以代替常規(guī)擾流器；

9.性能建模采用可包括數(shù)值近似的基于物理的模型以及時間步進(jìn)方法來針對每個步驟計算時間、燃料、能量、距離和高度變化；

a.性能模型可根據(jù)常規(guī)型式修改以控制并追蹤推進(jìn)器和動力系統(tǒng)模型兩者。這包括控制發(fā)電機(jī)開/關(guān)以及追蹤燃料燃燒和運行時間以及所存儲能量使用；并且

b.可通過將性能模型應(yīng)用于代表性飛行路徑并且將成本值應(yīng)用于所使用的時間、燃料燃燒和所存儲能量的積分總計來計算成本。

10.現(xiàn)在針對設(shè)計要求檢查性能；缺陷將需要設(shè)計改變和另一設(shè)計周期(步驟或階段1512)。

下表提供由本發(fā)明人為混合電動設(shè)計過程開發(fā)的對常規(guī)飛機(jī)設(shè)計過程的某些改變的描述，以及與常規(guī)過程的比較。

應(yīng)注意，至少以下內(nèi)容表示由發(fā)明人為混合電動設(shè)計過程開發(fā)的對常規(guī)飛機(jī)設(shè)計過程的改變：

●設(shè)計要求被擴(kuò)展以按以下方式實現(xiàn)關(guān)鍵動力系統(tǒng)部件的大小設(shè)定：確保在飛機(jī)的目標(biāo)壽命內(nèi)與ev技術(shù)的兼容性。這通過跨一系列未來ev技術(shù)指定的電動、混合和擴(kuò)展巡航飛行的一組分3級的航程和速度來實現(xiàn)。圖17中以區(qū)域性操作的航程和速度以及表示到未來15-20年的預(yù)測性能的三個動力系統(tǒng)技術(shù)水平示出這種方法的實例；

●相比之下，常規(guī)設(shè)計要求通常使用在飛機(jī)的壽命期間將保持固定的特定發(fā)動機(jī)獲得最大速度和航程目標(biāo)；

●機(jī)翼設(shè)計條件和約束被擴(kuò)展以匹配分3級的航程和速度；

●機(jī)翼設(shè)計是加權(quán)多點優(yōu)化，以將跨一組分3級的航程和速度的變化計算在內(nèi)，在最優(yōu)混合速度下具有最大巡航效率，并且對于爬升、純電動和增航巡航速度具有非常好的效率。常規(guī)機(jī)翼設(shè)計通常聚焦在狹窄限定的長程巡航條件；

●起飛性能通常是最小機(jī)翼大小的約束，并且這通過來自電推進(jìn)電機(jī)的高峰值功率容量而稍微減輕。峰值功率可應(yīng)用到平衡場大小設(shè)定要求，從而恢復(fù)在推進(jìn)器失效之后損失的大部分推力，并且顯著地減少要爬升的“發(fā)動機(jī)停機(jī)”距離。這在給定跑道要求下在巡航中產(chǎn)生更小的、更有效的機(jī)翼，并且是在常規(guī)發(fā)動機(jī)的情況下不可獲得的，所述常規(guī)發(fā)動機(jī)限于緊急情況下的最多10％的峰值功率增加；

●混合電動推進(jìn)所特有的另外的最低機(jī)翼大小約束可添加到設(shè)計過程(這是為了確保在任一個能量源失效之后飛行操作可安全地繼續(xù))，從而降低動力系統(tǒng)輸出容量；

●推進(jìn)系統(tǒng)大小設(shè)定包括推力產(chǎn)生(推進(jìn)電機(jī))和混合電動發(fā)電(所存儲能量和發(fā)電功率)，而常規(guī)方法僅僅設(shè)定推力產(chǎn)生的大??；

●推進(jìn)電機(jī)通常按單點性能指標(biāo)來設(shè)定大小，常見的三個指標(biāo)是起飛距離、爬升性能上限和最大巡航速度。電動機(jī)影響這些大小設(shè)定點；

●起飛功率可使用顯著高于最大連續(xù)功率的峰值功率、持續(xù)有限的時間段。這允許較小的電機(jī)滿足相同的起飛要求；

●電機(jī)不會隨著高度的增加而跌落(損失推力)；因此，電動飛機(jī)在爬升上限處或在巡航中很少受功率限制；并且

●這種特征組合允許選擇較小的電機(jī)，但是這可使飛機(jī)具有比預(yù)期更低的持續(xù)爬升速率，從而導(dǎo)致最小持續(xù)爬升速率的另外大小設(shè)定點。

●針對所存儲能量和發(fā)電功率的混合動力系統(tǒng)輸出部件大小設(shè)定無法基于點性能條件來執(zhí)行。相反，這些使用對由分3級的航程和速度要求(包括未來技術(shù)水平)限定的一組任務(wù)剖面的性能建模來設(shè)定大小。大小設(shè)定是通過在系統(tǒng)重量、體積以及在安全情況下可從任一源獲得的最小功率的約束內(nèi)使目標(biāo)函數(shù)最小化來確定；

●目標(biāo)函數(shù)可包括以下項中的一項或若干項，其中參數(shù)由操作者定義：示例性目標(biāo)函數(shù)＝燃料成本+所存儲能量成本+發(fā)動機(jī)維護(hù)和儲備成本(攤銷)+蓄電池包成本(攤銷)+乘客和機(jī)組時間成本+飛機(jī)成本+排放成本；

●電推進(jìn)整合將可獲得的推進(jìn)功率(電機(jī))與產(chǎn)生推力的推進(jìn)器(風(fēng)扇、螺旋槳)分離。設(shè)計者在假定效率下設(shè)定電機(jī)功率水平的大小，然后根據(jù)規(guī)格設(shè)計推進(jìn)器。這種功能分離通過以下方式來實現(xiàn)：電動機(jī)以高效率來操作而不管大小如何，并且易于與螺旋槳、轉(zhuǎn)子、涵道風(fēng)扇等整合。相比之下，常規(guī)推進(jìn)發(fā)動機(jī)是組合的發(fā)電和推力產(chǎn)生整體單元，并且一旦選擇，就沿著幾條可行的整合路徑引導(dǎo)飛機(jī)設(shè)計(例如，商業(yè)噴氣機(jī)總是在機(jī)翼下方具有發(fā)動機(jī))；

●作為實例，圖16所示的實施方案以用于低噪聲和增強(qiáng)的起飛性能的三個涵道風(fēng)扇為特征，其中通過屏蔽機(jī)身和尾翼來進(jìn)一步降低噪聲。增強(qiáng)的減阻通過清潔的層流翼、機(jī)身邊界層吸入以及具有來自涵道風(fēng)扇的尾流填充的更短更輕的機(jī)身來實現(xiàn)；

●性能建模中使用的推進(jìn)模型被增強(qiáng)用于混合電動設(shè)計過程以表示推進(jìn)功率和推力、來自多個源的發(fā)電、系統(tǒng)效率損失、所使用的非推進(jìn)功率以及通過再生制動存儲能量的能力。相比之下，常規(guī)推進(jìn)模型更簡單，并且通常通過針對當(dāng)前飛行條件提供推力和燃料燃燒來代表發(fā)動機(jī)；

●本發(fā)明系統(tǒng)和方法中所使用的電機(jī)模型提供隨扭矩、rpm和控制器損失變化的功率消耗。模型還表示時限峰值功率輸出的電機(jī)能力；

●本發(fā)明系統(tǒng)和方法中所使用的發(fā)電模型表示每個源的特性，以及由于傳輸和轉(zhuǎn)換造成的損失。例如：

●所存儲能量與高度或速度不相關(guān)，并且可輸出寬范圍的功率水平；然而，高放電率是低效的，從而降低可用的總能量，并且峰值功率輸出隨著所存儲能量水平的下降而降低；

●發(fā)電量消耗燃料以提供固定水平的功率；相比之下，在常規(guī)模型中，功率和燃料效率通常與高度相關(guān)；并且

●效率因數(shù)針對功率電子裝置和配線中的損失來指定；

●推進(jìn)模型可包括再生制動(在下降時使用推進(jìn)器對所存儲能量進(jìn)行再充電)的可獲得性，包括來自電機(jī)和控制器效率、功率傳輸和轉(zhuǎn)換以及所存儲能量充電效率的損失；

●性能建模方法被增強(qiáng)以單獨控制并追蹤功率輸出(和發(fā)電)。常規(guī)性能方法控制發(fā)動機(jī)功率并追蹤燃料燃燒。在混合電動動力系統(tǒng)的情況下，所述模型控制電機(jī)功率、增程發(fā)電機(jī)狀態(tài)(開/關(guān)/功率輸出)、所存儲能量功率(充電或放電)，并且追蹤所使用的所存儲能量、燃料燃燒和增程發(fā)電機(jī)運行時間(其不同于飛行時間)。需要這些對方法的改變來分析混合電動飛機(jī)性能，并且來使用用于動力系統(tǒng)部件大小設(shè)定和優(yōu)化的性能建模；并且

●性能建模方法可進(jìn)一步被增強(qiáng)以并入動力系統(tǒng)操作的規(guī)則，諸如“所存儲能量第一”和“下降期間發(fā)電關(guān)閉”。

被設(shè)計用于在區(qū)域性操作中獲得最大效率的本發(fā)明航程優(yōu)化混合電動飛機(jī)可并入共同地實現(xiàn)比常規(guī)飛機(jī)降低60-80％的doc的以下特征、技術(shù)、方面或元件中的一個或多個：

●能量存儲單元的容量和增程發(fā)電機(jī)的輸出被優(yōu)化以便在區(qū)域性航程內(nèi)獲得最大效率。這通過占飛機(jī)最大重量12-20％的所存儲能量單元以及以小于動力系統(tǒng)最大連續(xù)輸出的70％操作的增程發(fā)電機(jī)來產(chǎn)生比常規(guī)飛機(jī)低60-80％的doc。這與針對聚焦在較長程上的混合飛機(jī)的效率或?qū)嵱眯暂^低的設(shè)計形成對比，并且基于更低的所存儲能量容量和更高的發(fā)電機(jī)輸出而產(chǎn)生相對于常規(guī)的<30％的doc降低；

●飛機(jī)被設(shè)計來跨分3級的要求使目標(biāo)函數(shù)最小化，主要針對混合巡航要求(b)來加權(quán)；

■目標(biāo)函數(shù)可包括以下項中的一項或若干項，其中參數(shù)由操作者定義：目標(biāo)函數(shù)＝燃料成本+所存儲能量成本+發(fā)動機(jī)維護(hù)和儲備成本(攤銷)+蓄電池包成本(攤銷)+乘客和機(jī)組時間成本+飛機(jī)成本+排放成本；

●先前提及的一組分3級的速度和航程設(shè)計要求用于動力系統(tǒng)和飛機(jī)設(shè)計，其實例在圖17中示出。在一個實施方案中，這些級由以下各項限定：

■航程a：在純電動航程內(nèi)的最高效率(比常規(guī)飛機(jī)低80+％的doc)和最優(yōu)速度。

■航程b：在較大混合航程內(nèi)的中等效率(比常規(guī)飛機(jī)低60-70％的doc)和最優(yōu)速度。

■航程c：在超過由機(jī)載所存儲能量和燃料減去安全儲備確定的最大范圍內(nèi)的良好效率(比常規(guī)飛機(jī)低30-60％的doc)和較低速度。

●作為本發(fā)明設(shè)計過程的實例，下表將常規(guī)渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)與用于區(qū)域性飛行的每個階段的航程優(yōu)化混合電動之間的燃料燃燒進(jìn)行比較。應(yīng)注意，對于完整飛行，混合燃料燃燒比渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)低72％，其中在起飛和爬升時降低近90％，在巡航時降低67％，并且在下降和著陸時降低88％；

飛行節(jié)段的燃料燃燒(lb)，345英里航程

●本發(fā)明飛機(jī)被設(shè)計用于在較低高度下進(jìn)行有效操作，目標(biāo)是比常規(guī)飛機(jī)低50-90％的燃料燃燒。如所指出，與常規(guī)長程飛機(jī)相比，區(qū)域性操作通常在爬升或下降和低高度巡航中包括飛行時間的更高分?jǐn)?shù)。這更加強(qiáng)調(diào)這些階段期間的操作效率。因此，本發(fā)明混合電動飛機(jī)被設(shè)計用于在爬升和下降時比常規(guī)飛機(jī)低70-90％的燃料燃燒，以及在4,000至30,000ft的高度處并且以150至400mph的速度進(jìn)行巡航時比常規(guī)飛機(jī)低50-80％的燃料燃燒。在一些實施方案中，這通過以下各項中的一項或多項來實現(xiàn)：

●電動機(jī)進(jìn)行的推進(jìn)，其遞送與高度或速度無關(guān)的高效率，并且在不承受載荷時不消耗能量。相比之下，飛機(jī)燃?xì)鉁u輪機(jī)在較低的高度和速度下遭受低30-50％的效率，并且即使在飛行怠速時也需要極少的燃料燃燒；

●考慮到相對于增程發(fā)電機(jī)較低的總成本，飛機(jī)被設(shè)計來在盡可能的程度上使依靠所存儲能量單元的飛行最大化。這轉(zhuǎn)化成在給定所存儲能量單元(例如，蓄電池包)的情況下的突出的低高度、低速度性能，這提供了與高度或速度無關(guān)的非常高的轉(zhuǎn)換效率。這與其中燃料效率與高度和速度高度相關(guān)的飛機(jī)發(fā)動機(jī)形成對比；

●推進(jìn)電機(jī)與低壓變距螺旋槳或涵道風(fēng)扇的配對，被設(shè)計用于跨對于區(qū)域性操作典型的低速度和中間速度(例如，150-300mph)的范圍獲得高效率。具體地，這些提供遠(yuǎn)高于常規(guī)渦輪風(fēng)扇的爬升或低高度巡航時的效率；

●飛機(jī)被設(shè)計用于在近機(jī)場操作(例如，滑行、起飛、進(jìn)場、著陸)期間獲得非常高的效率，目標(biāo)是與在這些模式下操作的常規(guī)飛機(jī)相比>90％的燃料燃燒降低；

●滑行、進(jìn)場和著陸被設(shè)計成是純電動的，從而利用高效的所存儲能量單元。不像飛機(jī)燃?xì)鉁u輪機(jī)的必要最低燃料燃燒，鑒于發(fā)電機(jī)被關(guān)閉，混合電動飛機(jī)在這些階段中不消耗燃料；

●不像需要在怠速時維持燃料燃燒的常規(guī)飛機(jī)發(fā)動機(jī)，下降被設(shè)計成在發(fā)電機(jī)被關(guān)掉的情況下以零能量進(jìn)行飛行；

●不像使用阻力產(chǎn)生裝置(諸如，常規(guī)飛機(jī)中的擾流器)，更陡的下降通過電推進(jìn)器的再生制動、從而實現(xiàn)能量回收來實現(xiàn)；并且

●起飛使用所存儲能量單元和發(fā)電機(jī)的組合，從而轉(zhuǎn)換成比常規(guī)飛機(jī)低得多的燃料燃燒；

●飛機(jī)被設(shè)計用于無音、短距起落(stol)操作，其中操作噪聲降低15-25epndb，并且要求跑道比常規(guī)飛機(jī)短20-30％，這兩者對巡航效率的影響都極?。?/p>

●飛機(jī)被設(shè)計用于使噪聲低15-25epndb，如按照標(biāo)準(zhǔn)cfr14第36部分的指標(biāo)所測量的。這是通過跨飛機(jī)噪聲的三個主要源：發(fā)電、推力產(chǎn)生和機(jī)架限制并抑制噪聲產(chǎn)生的設(shè)計來實現(xiàn)：

●在使用電推進(jìn)電機(jī)和不產(chǎn)生顯著噪聲的能量存儲單元的情況下顯著降低發(fā)電噪聲。同時，增程發(fā)電機(jī)被向下適化到最大連續(xù)功率的<70％，并且整合在機(jī)架內(nèi)、例如嵌入在后部機(jī)身中的噪聲隔離室中；

●通過使用低噪音變距推進(jìn)器(諸如，低rpm、無音螺旋槳或變距涵道風(fēng)扇)來顯著降低推力產(chǎn)生噪聲。此外，推進(jìn)器可以例如使用飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身或尾部飛行表面來屏蔽噪聲以免傳播到地面的方式整合在機(jī)架中；并且

●通過利用低噪聲推進(jìn)器代替常規(guī)擾流器進(jìn)行再生制動來顯著降低機(jī)架噪聲；

●可通過利用混合電動動力系統(tǒng)的獨特特征來優(yōu)化飛機(jī)操作以用于進(jìn)一步降噪：

●在發(fā)電機(jī)被關(guān)閉的情況下依靠能量存儲單元進(jìn)行無音滑行、下降和著陸；

●在噪聲敏感區(qū)域內(nèi)利用較短的地滾和陡峭角度爬升來降低起飛噪聲。這通過電推進(jìn)電機(jī)的高峰值功率能力并且通過使用用于高靜態(tài)推力的低噪聲涵道風(fēng)扇來實現(xiàn)；以及

●通過使用變距電動推進(jìn)器利用再生制動進(jìn)行陡峭、受控的下降來降低進(jìn)場和著陸噪聲；

●飛機(jī)和相關(guān)聯(lián)的飛行操作被設(shè)計用于比常規(guī)飛機(jī)短20-30％的跑道，這通過利用混合電動動力系統(tǒng)的特征來實現(xiàn)這一點，而沒有典型的性能損失。常規(guī)飛機(jī)中的類似stol性能將需要更大的機(jī)翼和發(fā)動機(jī)，從而導(dǎo)致效率和有效載荷降低；

●所述設(shè)計通過利用電推進(jìn)電機(jī)的峰值輸出能力來在起飛期間實現(xiàn)推力提升，從而使得能夠進(jìn)行stol操作而無需向上適化電機(jī)(例如，在起飛和初始爬升期間持續(xù)2-4分鐘的高出連續(xù)輸出的20％提升)；

●所述設(shè)計在無更大的機(jī)翼或發(fā)動機(jī)的情況下實現(xiàn)更短的平衡場?！捌胶鈭觥庇嬎闫痫w期間發(fā)動機(jī)失效之后所需的最大跑道，并且平衡在跑道上停止或依靠剩余發(fā)動機(jī)繼續(xù)起飛直到達(dá)到越障高(faa標(biāo)準(zhǔn)為35或50ft)所需的距離。平衡場(并且因此所需的跑道)由依靠剩余發(fā)動機(jī)爬升的速率主導(dǎo)；作為創(chuàng)新系統(tǒng)的一部分，失效之后的爬升距離通過在部分或完全失效的情況下使尚存推進(jìn)器提升到高達(dá)200％來顯著減小，并且停止距離通過使推力快速下降到零或為負(fù)(反向推力)來減小。失效的檢測和用于補(bǔ)償?shù)耐屏μ嵘杀景l(fā)明動力系統(tǒng)優(yōu)化和控制系統(tǒng)(pocs)自動地管理。常規(guī)飛機(jī)中的類似推力過度提升系統(tǒng)被限制到<10％的提升，而停止距離受減速時間和尚存發(fā)動機(jī)上的推力殘余阻礙；

■在推進(jìn)器部分或完全失效(例如，由于鳥撞擊或一個或多個推進(jìn)器電機(jī)在飛行中的損失)的情況下，pocs提升到尚存推進(jìn)器的功率以補(bǔ)償持續(xù)有限的時段，從而使得能夠延長供飛行員采取校正動作的反應(yīng)時間窗口，并且安全下降到附近的機(jī)場或著陸區(qū)；

■不像常規(guī)飛機(jī)發(fā)動機(jī)的有限提升能力，電推進(jìn)電機(jī)可提升達(dá)到連續(xù)功率的200％、持續(xù)有限的時間段，所述時間段通常由系統(tǒng)的熱極限確定；并且

■與電動機(jī)聯(lián)接的變距推進(jìn)器使得能夠非常快速地將推力減小到零，從而轉(zhuǎn)換成與考慮到減速時間和推力殘余效應(yīng)的飛機(jī)燃?xì)鉁u輪機(jī)相比更短的停止距離。

如本文所提及，本發(fā)明飛機(jī)和設(shè)計過程旨在跨機(jī)架、動力系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)提供前向兼容性。這通過并入若干基本原則或設(shè)計指南來實現(xiàn)：

●飛機(jī)被設(shè)計來適應(yīng)機(jī)架的生命內(nèi)的未來ev技術(shù)的升級，包括通過升級實現(xiàn)的改進(jìn)的飛行性能。考慮到ev技術(shù)的快速發(fā)展，此特征確保隨著技術(shù)(例如，蓄電池、超級電容器、電動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃料電池等)的改進(jìn)，飛機(jī)隨時間的推移保持競爭力。此外，一旦能量存儲技術(shù)提高到不再需要增程發(fā)電機(jī)的程度，那么此特征使得飛機(jī)能夠順利地從混合電動轉(zhuǎn)變成全電動。針對步進(jìn)變化的性能改進(jìn)升級混合電動動力系統(tǒng)的部件的能力對于本發(fā)明混合電動飛機(jī)是獨特的，并且與具有主要整體式發(fā)動機(jī)的常規(guī)飛機(jī)形成對比；

●為了確保前向兼容性，本發(fā)明混合電動飛機(jī)在多個點被設(shè)計(其中動力系統(tǒng)針對所指出的速度和分3級的航程要求(a)、(b)和(c)來設(shè)定大小)，但是基于飛機(jī)發(fā)布時可用并且預(yù)測在其目標(biāo)生命內(nèi)可用的技術(shù)(包括一些設(shè)計從混合電動到全電動的潛在轉(zhuǎn)變)。這導(dǎo)致對機(jī)載動力系統(tǒng)的預(yù)測，并且進(jìn)而隨時間推移確定性能特性，諸如速度、電動和混合航程以及操作成本(隨著技術(shù)的進(jìn)步，對電動航程的期望增長并且操作成本降低)。

●飛機(jī)針對多個離散動力系統(tǒng)被設(shè)計，從而反映出目標(biāo)設(shè)計內(nèi)的改進(jìn)ev技術(shù)的預(yù)測升級。例如，這些可包括從300變化到1,200wh/kg的能量存儲密度、從4.5到10kw/kg的電機(jī)功率密度、以及從1到5kw/kg的內(nèi)燃機(jī)功率密度。通過針對漸進(jìn)地改進(jìn)的ev技術(shù)調(diào)整分3級的航程和速度要求，針對每個離散動力系統(tǒng)重復(fù)飛機(jī)設(shè)計周期；

●在下表所示的實例中，每行表示基于在將來某一時間點可用的ev技術(shù)的離散動力系統(tǒng)。對于每個離散動力系統(tǒng)，速度和航程設(shè)計要求(a)、(b)和(c)可通過使目標(biāo)函數(shù)(例如，(doc+i+cot))最小化來確定。這些單獨要求限定設(shè)計點的壽命包絡(luò)，所述設(shè)計點包括飛機(jī)必須被設(shè)計用于在其目標(biāo)壽命內(nèi)獲得的速度、航程、高度；

●機(jī)架和推進(jìn)器被設(shè)計來隨著能量存儲技術(shù)的改進(jìn)，跨這個壽命飛行包絡(luò)有效地操作，這通常會隨時間推移轉(zhuǎn)換成更快且更高的飛行(如圖17所示)；并且

●本文描述的設(shè)計過程的一個結(jié)果是認(rèn)識到前向兼容性通常將可再充電能量存儲單元的重量限制到飛機(jī)重量的12-20％，使得隨著ev技術(shù)的改進(jìn)，有效載荷容量大致一致。較高的重量分?jǐn)?shù)將導(dǎo)致在最初幾年比具有類似有效載荷的飛機(jī)更大且更重的飛機(jī)，其中有效載荷隨時間推移而增加；而考慮到增程發(fā)電機(jī)的高得多的使用率，較低的分?jǐn)?shù)導(dǎo)致次最優(yōu)效率。

如所描述的，在一些實施方案中，本發(fā)明混合電動飛機(jī)被設(shè)計來與模塊化混合電動動力系統(tǒng)整合，所述動力系統(tǒng)包括用以通過相對簡單地更換兼容模塊(諸如，可再充電存儲單元、增程發(fā)電機(jī)和電動機(jī))來確保動力系統(tǒng)可適應(yīng)一系列ev技術(shù)的特征。這可通過將機(jī)架設(shè)計成具有容納一系列當(dāng)前和預(yù)測模塊的隔艙以及用于模塊更換的接入口來實現(xiàn)。兼容模塊是被設(shè)計用于與動力系統(tǒng)平臺一起操作并且由飛機(jī)的設(shè)計來支持的模塊。這些可包括標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展的能量存儲單元、高和低功率增程發(fā)電機(jī)以及替代的能量存儲技術(shù)。這類特征可包括：

●被設(shè)計來容納標(biāo)準(zhǔn)或擴(kuò)展的可再充電能量存儲單元的多個隔艙，不是所有隔艙可在任何特定飛行中使用，并且其中一些可以是多用途空間(例如，發(fā)電機(jī)、存儲單元、燃料箱或貨物)。每個隔艙提供結(jié)構(gòu)、配線和接入口，以實現(xiàn)存儲單元的快速安裝或移除。這些可包括以下各項(其中一些在圖5中示出)的組合：

●在機(jī)翼內(nèi)部；標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展；

●在機(jī)翼外部，在空氣動力吊艙中；

●在中部機(jī)身中，定位在主客艙下方；以及

●在后部機(jī)身中，除了或替代發(fā)電機(jī)或貨物；

●模塊化能量存儲隔艙可直接整合到主飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，例如機(jī)翼梁箱中，使得模塊用于能量存儲裝置容納和主載荷路徑的雙重目的。模塊內(nèi)的能量存儲單元的存在可進(jìn)一步增強(qiáng)主結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，以獲得提高的結(jié)構(gòu)效率和減輕的重量；

●能量存儲單元或需要冷卻的其他系統(tǒng)可利用飛機(jī)蒙皮來排熱。這種冷卻可通過被動接觸發(fā)生，或者可通過冷卻劑在熱源與同蒙皮接觸的排熱線圈之間循環(huán)來增強(qiáng)；

●增程發(fā)電機(jī)可整合在模塊化隔艙中，所述隔艙被設(shè)計來適應(yīng)發(fā)電機(jī)替代物、發(fā)電機(jī)的升級和移除，以及代替或除了發(fā)電機(jī)之外使用隔艙來收容能量存儲單元。這可通過設(shè)定隔艙的大小、提供接入口、結(jié)構(gòu)支撐和支持基礎(chǔ)設(shè)施(例如，燃料管線、冷卻、配線等)來實現(xiàn)。發(fā)電機(jī)隔艙可定位在以下若干位置中的一個或多個位置中：

●主客艙后部的機(jī)身隔艙；

●安裝在機(jī)翼處的艙；或者

●非結(jié)構(gòu)化整流罩；并且

●推進(jìn)器被設(shè)計用于升級到更高效率、或更高功率的電機(jī)，這可包括新的風(fēng)扇。不像常規(guī)發(fā)動機(jī)，這通過極少的(再)設(shè)計來實現(xiàn)。

應(yīng)注意，具有針對不同市場定制的性能的飛機(jī)變型容易通過混合電動動力系統(tǒng)的模塊性來實現(xiàn)。推力產(chǎn)生(通過電推進(jìn)器)和發(fā)電(通過混合電動動力系統(tǒng))的分離使得能夠通過針對在某些情況下與推進(jìn)器變化聯(lián)系的應(yīng)用來定制動力系統(tǒng)模塊來開發(fā)具有廣泛變化性能的飛機(jī)變型。這使得能夠基于對動力系統(tǒng)模塊和推進(jìn)器的選擇來開發(fā)具有廣泛變化的性能、速度、航程和操作成本的飛機(jī)。考慮到所產(chǎn)生的對飛機(jī)處置和最大重量的有限影響，所需的(再)設(shè)計和認(rèn)證是適度的。這與其中變型需要大量的設(shè)計和認(rèn)證返工的常規(guī)飛機(jī)形成對比。在一些實施方案中，飛機(jī)變型的開發(fā)可通過以下過程發(fā)生：

●可通過借助于壓縮飛機(jī)設(shè)計過程修改基準(zhǔn)飛機(jī)來開發(fā)混合電動飛機(jī)變型，所述過程聚焦在接入口、內(nèi)部布局、增壓、駕駛艙和性能上。在這種情況下，可使用以下步驟/階段來設(shè)計變型：

○限定內(nèi)部配置和有效載荷要求；

○限定駕駛艙配置，例如具有用于將來無人操作的措施的有人系統(tǒng)?？芍С忠韵骂愋偷娘w機(jī)控制：

○完全駕駛；

○具有遠(yuǎn)程后備的駕駛-由飛機(jī)上的一個或多個飛行員進(jìn)行主控制，并且被配備用于由遠(yuǎn)程飛行員進(jìn)行輔助控制；

○遠(yuǎn)程駕駛-被配備用于在有或沒有機(jī)載協(xié)助的情況下由遠(yuǎn)程飛行員進(jìn)行主控制；或者

○完全自主-被配備用于在無需人工控制的情況下進(jìn)行主要飛行，并且可被配備用于由遠(yuǎn)程或機(jī)載飛行員進(jìn)行輔助控制；并且

●指定目標(biāo)市場航程和操作條件的性能要求(諸如，本文所描述的分3級的(a)、(b)和(c)航程/設(shè)計要求)，包括與技術(shù)水平的差異；并且使用對基準(zhǔn)飛機(jī)的空氣動力學(xué)和推進(jìn)的任務(wù)分析來優(yōu)化動力系統(tǒng)以滿足這些要求。

以下代表可使用所描述的方法設(shè)計并實現(xiàn)的飛機(jī)變型的實施例：

實施例1：商務(wù)變型

○客艙，其針對經(jīng)濟(jì)艙座位、符合商務(wù)運載公司標(biāo)準(zhǔn)的乘客行李分派來配置。在客艙內(nèi)部和貨艙中的行李空間；

○控制系統(tǒng)，其針對最少單個飛行員來配置，具有遠(yuǎn)程飛行員作為后備，具有用于第二飛行員(如果需要的話)或?qū)嵙?xí)生的選項；

○航程上限是乘客因更多的時間和成本效率而將切換到商務(wù)噴氣機(jī)旅行的點。偶爾的增航操作；

○市場部門，其對(doc+i)高度敏感、對cot較不敏感；因此與同較慢的設(shè)計速度對準(zhǔn)的較低成本的增程發(fā)電機(jī)(例如，tdi)匹配。到較低高度的增壓，除了用于在非常短的航段(<200英里)上使用的變型；以及

○圖17所示的采樣速度、航程和所得到的動力系統(tǒng)配置表示這類飛機(jī)。

實施例2：商務(wù)變型

○客艙，其針對商務(wù)艙座位、高于商務(wù)運載公司標(biāo)準(zhǔn)的行李分派來配置。在客艙內(nèi)部和貨艙中的行李空間；

○控制系統(tǒng)，其針對最少單個飛行員來配置，具有遠(yuǎn)程飛行員作為后備，具有用于第二飛行員(如果需要的話)或?qū)嵙?xí)生的選項；

○較不可預(yù)測的路線，更頻繁地使用增程；

○對cot高度敏感、對(doc+i)較不敏感；變型可與同用于增程巡航的更高設(shè)計速度和高度對準(zhǔn)的更高功率增程發(fā)電機(jī)(例如，飛機(jī)燃?xì)鉁u輪機(jī))匹配；到中間高度的增壓；以及

實施例3：貨物變型

○無增壓，或客艙陳設(shè)；

○控制系統(tǒng)，其被配置用于飛行員任選飛行，在無人航段上由遠(yuǎn)程飛行員控制；

○速度和航程，其被指定來瞄準(zhǔn)地面運輸與商業(yè)飛機(jī)之間的合適位置，通常為200-700英里、中間速度；

○市場部門，其對(doc+i)高度敏感、對cot較不敏感；因此與同較慢的設(shè)計速度對準(zhǔn)的較低成本的增程發(fā)電機(jī)(例如，tdi)匹配，除非是較長程要求所需要的。

如本文所描述的，本發(fā)明飛機(jī)被設(shè)計用于通過被建造用于柔性降級的動力系統(tǒng)來獲得超過嚴(yán)格航空要求(faa和easa)的安全和容錯。這包括容忍電源(能量存儲單元、發(fā)電機(jī))、電機(jī)(推進(jìn)、發(fā)電機(jī))、轉(zhuǎn)換器(逆變器、整流器、dc-dc轉(zhuǎn)換器)、配電裝置(總線、配線)、控件(傳感器、通信裝置)的失效以及在對系統(tǒng)造成中度或嚴(yán)重影響的情況下的安全性的能力。

本發(fā)明飛機(jī)和動力系統(tǒng)操作被設(shè)計用于在區(qū)域性航程內(nèi)獲得最優(yōu)效率；這部分地歸因于由fpop實現(xiàn)的飛行路徑優(yōu)化過程和用于獲得最優(yōu)效率的動力系統(tǒng)的操作，并且還可包括通過再生制動進(jìn)行的能量回收，以及通過用于減阻的所存儲能量定位進(jìn)行的重心調(diào)整。這些方面在以下得到進(jìn)一步描述：

●混合電動飛機(jī)獨有的飛行路徑優(yōu)化能力，包括在低高度處進(jìn)行的高效飛行以及所存儲能量第一利用，提高了飛行效率。優(yōu)化通過本文所描述的飛行路徑優(yōu)化平臺(fpop)來實現(xiàn)。這與常規(guī)飛行路徑優(yōu)化形成對比，在常規(guī)飛行路徑優(yōu)化中，效率與高度強(qiáng)烈相關(guān)，并且除了盡可能高地飛行之外，幾乎沒有機(jī)會進(jìn)行飛行路徑修改；

●在優(yōu)化飛行路徑內(nèi)，動力系統(tǒng)被操作用于獲得最優(yōu)效率，如本文所描述；

●動力系統(tǒng)被設(shè)計用于通過推進(jìn)器的再生制動進(jìn)行能量回收，如本文所描述。常規(guī)飛機(jī)無法從阻力產(chǎn)生裝置(諸如，擾流器)回收能量；并且

●機(jī)身中的所存儲能量單元可用于調(diào)整飛機(jī)重心(cg)以簡化載荷，并且減少巡航模式下的阻力。飛機(jī)有效載荷重量應(yīng)被分布成使得cg在已建立包絡(luò)內(nèi)靠近升力中心，并且在所述包絡(luò)內(nèi)，通過向后部移動cg來減小飛機(jī)阻力。能夠相對快速地調(diào)整cg位置允許通過加速裝載過程并減小阻力來獲得操作者效率增益；

○利用所存儲能量單元進(jìn)行的cg移動可通過沿著機(jī)身提供一系列隔艙并且選擇性地僅利用前部和后部位置來實現(xiàn)。另一種實現(xiàn)方式具有安裝在軌道上的能量存儲單元，所述軌道允許在由飛行員或飛行控制系統(tǒng)命令時向前部和后部平移；

○常規(guī)飛機(jī)可具有通過選擇性地利用燃料系統(tǒng)中的不同箱來移動cg的一些能力，但是一旦燃料在飛行中被燃燒掉，那么益處將減少并且通常丟失。

下表包括根據(jù)本文所描述的原理和過程設(shè)計的混合電動飛機(jī)的實例的某些參數(shù)。圖16的4個視圖示出使用本發(fā)明hev飛機(jī)設(shè)計過程設(shè)計的概念性40人/座區(qū)域性混合電動飛機(jī)?？偞笮『椭亓款愃朴诔Ｒ?guī)atr-42-500(48座，雙發(fā)渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī))?？紤]到能量要求，飛機(jī)的設(shè)計是基于范圍從600wh/kg到900wh/kg的蓄電池能量密度。這些能夠?qū)崿F(xiàn)170-280nm的電動航程，425-500+nm的混合航程，最小巡航速度為380ktas，并且巡航高度在18,000與25,000ft之間。

應(yīng)注意，圖16所示的飛機(jī)以對于滿足所陳述一般要求的飛機(jī)可能的一種配置來描繪。在此實例中，使用三個整合的電涵道風(fēng)扇推進(jìn)器來提供推力，并且在機(jī)身后部上的位置通過邊界層吸入和尾流動量虧損恢復(fù)來減少阻力。在垂直尾翼底部處的吊艙收容燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)；當(dāng)發(fā)電機(jī)不運行時，入口和排氣被流線型化以減小阻力。亞臨界巡航馬赫值允許使用輕重量的直翼，并且推進(jìn)器在尾翼上的定位允許短的、更輕的起落架。降噪可通過無音涵道風(fēng)扇來實現(xiàn)，所述涵道風(fēng)扇由于安裝在機(jī)身上方并且在尾翼之間、從而阻擋大部分風(fēng)扇音調(diào)噪聲而具有另外降低。所設(shè)計飛機(jī)的重量、大小和性能如下，包括未來更高能量密度的蓄電池所實現(xiàn)的改進(jìn)。

所述表指示混合電動設(shè)計的若干獨特方面。燃料燃燒和燃料容量小于常規(guī)等效物的一半。巡航性能針對兩個級別的所存儲能量：600wh/kg和900wh/kg給出；這種水平的改進(jìn)將是在取決于能量存儲技術(shù)的進(jìn)步的4-8年飛機(jī)操作壽命內(nèi)所預(yù)期的。最后，最大巡航速度遠(yuǎn)高于預(yù)期，其中推進(jìn)電機(jī)在高空保持全功率。

如所提及的，圖17是示出某種飛機(jī)和推進(jìn)器配置的隨飛行高度和所需功率變化的效率的圖。曲線示出受能量(而非功率)限制的飛機(jī)將如何能夠隨著能量限制的增加而以持續(xù)更高的速度和高度巡航。包絡(luò)從初始能量存儲密度為大約350wh/kg時的大約200ktas的初始巡航速度延伸，隨著存儲密度提高到900wh/kg而增加到超過260ktas，這是考慮到當(dāng)前能量存儲技術(shù)改進(jìn)速率預(yù)期在大約10年內(nèi)發(fā)生的2.6倍變化。作為本創(chuàng)新的一部分，應(yīng)認(rèn)識到：如果從設(shè)計過程的開始包括更高的速度和高度作為設(shè)計點(而不是限制于初始性能，如將利用常規(guī)推進(jìn)完成的)，那么此性能改進(jìn)將僅是操作者可獲得的。

圖18是示出可用作實現(xiàn)本發(fā)明區(qū)域性空中運輸系統(tǒng)的實施方案的一部分的若干區(qū)域性地區(qū)和相關(guān)聯(lián)的機(jī)場或著陸區(qū)的圖。如圖所示，每個區(qū)域性地區(qū)(例如，“太平洋西北部”，“太平洋西南部”等)可包括多個著陸帶和/或形式化機(jī)場(如區(qū)域內(nèi)的點所指示的)。應(yīng)注意，每個區(qū)域性地區(qū)可包括用于本發(fā)明飛機(jī)的數(shù)十到數(shù)百個潛在機(jī)場或起飛/著陸點，并且可包括區(qū)域性樞紐或其他形式的集中式位置。區(qū)域性空中交通系統(tǒng)的控制方面可位于若干數(shù)據(jù)中心或調(diào)度/飛行監(jiān)測設(shè)施中的一個處。這類設(shè)施可單獨地和/或共同地操作以調(diào)度多個機(jī)場處的飛行，生成飛行計劃/路徑以及用于一個或多個飛機(jī)的對應(yīng)指令，將這類指令傳達(dá)到一個或多個飛機(jī)，并且監(jiān)測一個或多個飛機(jī)的飛及其飛行數(shù)據(jù)。

本發(fā)明混合電動空中運輸系統(tǒng)與替代區(qū)域性旅行模式(諸如，高速公路、鐵路或高速鐵路或常規(guī)空運)相比提供顯著較短的門對門旅行時間和更低的每英里總成本。這通過使用無音航程優(yōu)化混合電動飛機(jī)便利地、高頻地“近距離”飛行到社區(qū)和人口中心附近的大數(shù)量區(qū)域性機(jī)場來實現(xiàn)系統(tǒng)的另外有益特征包括：

●機(jī)場現(xiàn)場電能產(chǎn)生和存儲裝置的可用性。許多機(jī)場可配備有現(xiàn)場電能產(chǎn)生和存儲設(shè)施以最小化電力成本?，F(xiàn)場發(fā)電(例如，太陽能、風(fēng)能等)可用于給飛機(jī)蓄電池再充電并為機(jī)場供電，從而將多余的電力遞送到現(xiàn)場存儲裝置或電網(wǎng)。現(xiàn)場電存儲裝置將使得能夠最優(yōu)地從電網(wǎng)購買電力(例如，以非峰值速率)并且在現(xiàn)場存儲所產(chǎn)生的電力以供隨后使用。退回的飛機(jī)蓄電池可用于現(xiàn)場存儲直到處置之前的后期；以及

●在機(jī)場處從起點到目的地的各種有成本效益的最后一英里地面旅行選項。區(qū)域性機(jī)場可向乘客提供與當(dāng)今在非樞紐機(jī)場處所提供相比更多種地面旅行選項。目前出現(xiàn)的若干強(qiáng)有力趨勢將鼓勵這一點：電動和自動交通工具(例如，tesla、google、uber、apple)、共乘(例如lyft、uber、sidecar、relayrides)、部分汽車租賃(zipcar、hertz–on-demand)。當(dāng)今的一些地區(qū)性機(jī)場已連接到當(dāng)?shù)毓步煌?；在未?-10年內(nèi)，電動和自主航天飛機(jī)將使得更大部分的機(jī)場能夠提供到公共交通的廉價連接。這將通過由以上趨勢實現(xiàn)的多種個人汽車和出租車替代物來補(bǔ)充，例如自主汽車搭便車、部分租賃和各種形式的共乘。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，用于實現(xiàn)本發(fā)明飛機(jī)、運輸系統(tǒng)和飛機(jī)控制系統(tǒng)或運輸系統(tǒng)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)、設(shè)備、方法、元件、過程、功能和/或操作可完全地或部分地以由諸如中央處理單元(cpu)或微處理器的一個或多個編程計算機(jī)處理器執(zhí)行的一組指令的形式來實現(xiàn)。這類處理器可并入由系統(tǒng)的其他部件操作或者與系統(tǒng)的其他部件通信的設(shè)備、服務(wù)器、客戶端或其他計算或數(shù)據(jù)處理裝置中。作為實例，圖19是示出可存在于被配置來實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的實施方案的方法、過程、功能或操作的計算機(jī)裝置或系統(tǒng)1900中的元件或部件的圖。圖19中所示的子系統(tǒng)通過系統(tǒng)總線1902互連(也可以像圖4和圖5中所示的一個或多個子系統(tǒng))。另外的子系統(tǒng)包括打印機(jī)1904、鍵盤1906、固定盤1908和聯(lián)接到顯示適配器1912的監(jiān)測器1910。聯(lián)接到i/o控制器1914的外圍裝置以及輸入/輸出(i/o)裝置可通過本領(lǐng)域中已知的任何數(shù)量的裝置(例如，串行端口1916)連接到計算機(jī)系統(tǒng)。例如，串行端口1916或外部接口1918可用于將計算機(jī)裝置1900連接到包括諸如互聯(lián)網(wǎng)的廣域網(wǎng)、鼠標(biāo)輸入裝置和/或掃描儀的其他裝置和/或系統(tǒng)。通過系統(tǒng)總線1902進(jìn)行的互連允許一個或多個處理器1920與每個子系統(tǒng)通信，并且控制可存儲在系統(tǒng)存儲器1922和/或固定盤1908中的指令的執(zhí)行，以及子系統(tǒng)之間的信息交換。系統(tǒng)存儲器1922和/或固定盤1908可體現(xiàn)為有形計算機(jī)可讀介質(zhì)。

應(yīng)注意，以下變量、參數(shù)和單元被理解為用于描述本發(fā)明區(qū)域性空中交通系統(tǒng)的實施方案。

應(yīng)理解，如上文所描述的本發(fā)明可使用計算機(jī)軟件以模塊化方式或整合方式實現(xiàn)為控制邏輯的形式。基于本公開和本文所提供的教義，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員將知曉并了解使用硬件以及硬件與軟件的組合來實現(xiàn)本發(fā)明的其他方式和/或方法。

本申請中所描述的軟件部件、過程或功能中的任一個可實現(xiàn)為將由處理器使用任何合適的計算機(jī)語言(例如像java、javascript、c++或perl)、使用例如常規(guī)的或面向?qū)ο蟮募夹g(shù)來執(zhí)行的軟件代碼。所述軟件代碼可作為一系列指令或命令存儲在計算機(jī)可讀介質(zhì)上，諸如隨機(jī)存取存儲器(ram)、只讀存儲器(rom)、磁性介質(zhì)(諸如硬盤驅(qū)動器或軟盤)或光學(xué)介質(zhì)(諸如cd-rom)。任何這類計算機(jī)可讀介質(zhì)可駐留在單個計算設(shè)備之上或之內(nèi)，并且可存在于系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的不同計算設(shè)備之上或之內(nèi)。

本文所引用的所有參考文獻(xiàn)(包括出版物、專利申請和專利)據(jù)此以引用方式并入，其程度等同于每個參考文獻(xiàn)單獨地且具體地被表示為以引用方式并入本文并且/或者以其全文在本文得以陳述。

在說明書和以下權(quán)利要求書中術(shù)語“一個(a，an)”和“所述”以及類似提及的使用應(yīng)解釋為涵蓋單數(shù)和復(fù)數(shù)兩者，除非在本文另外地指示或明顯地與上下文矛盾。除非另外指出，否則說明書和所附權(quán)利要求書中的術(shù)語“具有”、“包括”、“含有”和類似提及應(yīng)被解釋為開放式術(shù)語(例如，意思是“包括但不限于”)。除非本文另外指示，否則本文中對值范圍的列舉僅僅意圖用作單獨地表示包含性地落入所述范圍的各單獨值的速記方法，并且猶如本文單獨敘述地那樣將各單獨值并入本說明書中。可按任何適合的順序來執(zhí)行本文所述的全部方法，除非本文另外指明或上下文明顯矛盾。本文所提供的任何以及所有實例或示例性語言(例如，“諸如”)的使用僅意圖更好地說明本發(fā)明的實施方案，并且除非另外要求，否則不會對本發(fā)明的范圍施加限制。說明書中的語言不應(yīng)解釋為表明任何未要求保護(hù)的要素對本發(fā)明的每個實施方案必不可少。

在附圖中或上文描述的部件的不同布置以及未示出或描述的部件和步驟是可能的。類似地，一些特征和子組合是有用的，并且可在不參考其他特征和子組合的情況下使用。已出于說明性而非限制性目的描述了本發(fā)明的實施方案，并且替代實施方案對于本專利的讀者將變得顯而易見。因此，本發(fā)明不限于上述實施方案或附圖中描繪的實施方案，并且在不脫離以下權(quán)利要求書的范圍的情況下，可做出各種實施方案和修改。