Beta-Technologien: Aufbau einer Beta-Zukunft

Aug 18, 2023

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Für Kyle Clark, Gründer und CEO von Beta Technologies, ist seine Leidenschaft für Technik, Luftfahrt und Nachhaltigkeit der Katalysator für Betas Position als einer der Vorreiter in der Revolution des elektrischen Senkrechtstarts und der Landung (eVTOL).

Das Unternehmen hat ein eVTOL-Flugzeug namens Alia-250 sowie eine elektrische konventionelle Start- und Landeversion (eCTOL) mit dem Namen CX300 entwickelt und ist auf dem besten Weg, es zu zertifizieren und zu kommerzialisieren. Aber der Weg zur Entwicklung einer Flotte von Elektroflugzeugen war ein langer Prozess – und einer, der erst wirklich Fahrt aufnahm, als Clark Martine Rothblatt, Gründerin und CEO von United Therapeutics, traf.

Rothblatt erkannte den Wert des Elektroantriebs in der Luftfahrt und seine Vorteile in der medizinischen Frachtlogistik und unterstützte schon früh die Arbeit von Beta bei der Entwicklung eines emissionsfreien Flugzeugs, mit dem das Unternehmen lebensrettende menschliche Organe zu Krankenhäusern und Transplantationszentren transportieren will .

„Das gab uns die Möglichkeit, uns auf eine Mission zu konzentrieren und mit dem Bau eines Flugzeugs zu beginnen“, sagte Clark. „Seit Martine eingestiegen ist, gab es für Beta nicht viele Tiefpunkte.“

Das war im Jahr 2017. Heute sind mehrere eVTOL-Firmen auf der Bildfläche aufgetaucht und hoffen, bis zur Mitte des Jahrzehnts eVTOL-Flugzeuge in den USA zertifizieren und kommerzialisieren zu können. Beta ist einer der Spitzenreiter, aber das in Burlington, Vermont, ansässige Unternehmen verfolgt in fast allen Aspekten seines eVTOL-Programms einen anderen Ansatz als seine Konkurrenten.

„Wir geben nicht viele Ressourcen für Marketing aus. Wir geben nicht viele Ressourcen dafür aus, Versprechen zu machen“, sagte Clark. „Wir lassen die Technik und den technischen Fortschritt im Mittelpunkt stehen.“

Clark ist im Herzen Ingenieur und Pilot und gründete das Unternehmen ursprünglich als technische Denkfabrik und Forschungs- und Entwicklungsabteilung zum Bau von Antriebssystemen für die elektrische Luftfahrt.

„Wir haben schnell gelernt, dass die Entwicklung eines Elektroflugzeugs ein ganzheitlicher Prozess ist“, sagte Clark. Dabei geht es nicht nur um Batterien mit hoher Energiedichte und Motoren mit hoher Leistungsdichte, sondern auch darum, zu bestimmen, wie die Systeme zusammenpassen. „Als uns das klar wurde, begannen wir mit der Entwicklung unserer eigenen Flugzeugladegeräte, Steuerungssysteme und der Integration dieses Antriebssystems.“

Das war die Prämisse hinter Betas erstem Elektroflugzeug Ava, einem flüssigkeitsgekühlten Acht-Rotor-Schubvektorflugzeug. Durch Hunderte von Testflügen lernte das Team schnell, „was man in einem eVTOL-Flugzeug nicht tun sollte“, sagte Clark. „Wir haben ein Flugzeug umgestellt und entworfen, von dem wir glauben, dass es ein kommerziell realisierbares Flugzeug ist, mit der Absicht, es zu zertifizieren. Wir nennen das Alia.“

Betas Alia-250 eVTOL ist ein Lift-plus-Kreuzfahrtflugzeug, das von einem verteilten elektrischen Antriebssystem mit fünf Elektromotoren, vier VTOL-Propellern und einem Schubpropeller angetrieben wird. Das Flugzeug zielt auf eine maximale Reichweite von 250 Seemeilen (288 Meilen oder 463 Kilometer) ab und ist für die Beförderung von 1.400 Pfund (635 Kilogramm) Nutzlast – oder einem Piloten und fünf Passagieren – ausgelegt.

„Seine Motoren und Wechselrichter werden im eigenen Haus entwickelt, um sich mit den Batterien und Flugsteuerungen zu synchronisieren“, sagte Manon Belzile, leitende Motoreningenieurin bei Beta. Das Ergebnis ist ein hochenergieeffizientes Antriebssystem, von dem Beta behauptet, dass es die Reichweite seiner Batterien maximiert, was bedeutet, dass das Antriebssystem seine hohe Leistung über den gesamten Lebenszyklus des Systems hinweg beibehält.

„Dies ist ein entscheidender Faktor im Vergleich zu Verbrennungsmotoren, deren Leistung und Effizienz mit der Zeit nachlassen“, sagte Belzile. „Der zweite große Vorteil besteht darin, dass der Wartungsaufwand für Elektroantriebe sehr begrenzt sein wird.“

Das Unternehmen beabsichtigt, sein Antriebssystem vertikal zu zertifizieren und herzustellen und plant, das System sowohl in sein Alia-250 eVTOL als auch in sein CX300 eCTOL zu integrieren. Tatsächlich wird die gesamte Struktur des CX300, einschließlich Avionik, Innenraum und Schubmotor, dem Alia-250 sehr ähnlich sein. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die oben angebrachten Propeller nicht vorhanden sind.

„Das gibt uns ein außergewöhnlich leistungsstarkes CX300-Flugzeug, das mit dem zusätzlichen Lift-Kit dann ein VTOL-Flugzeug sein kann“, sagte Clark.

Um den Entwicklungsprozess zu unterstützen, greift das Unternehmen auf seine immersiven Flugsimulatoren zurück – eine kleine Bewegungsplattform mit drei Freiheitsgraden und eine größere, maßstabsgetreue Nachbildung des Alia-250-Cockpits in einer 200-Grad-Kuppel.

„Bevor irgendetwas in das Flugzeug gelangt, stellen wir sicher, dass wir es im Simulator mit den Piloten auf dem Laufenden geflogen haben“, sagte Vincent Moeykens, Leiter der Flugsimulatorsoftware bei Beta. „Wir bewerten die verschiedenen Merkmale der vorgenommenen Änderungen, sammeln dann Feedback und wiederholen es, bevor wir es in das reale Flugzeug umsetzen.“

Die Flugsimulatoren seien auch nützliche Werkzeuge für die Flugtestvorbereitung und die Pilotenausbildung, sagte Moeykens.

Zusätzlich zu seinen Flugzeugen schließt Beta den Antriebskreislauf durch den Aufbau einer eigenen multimodalen Ladeinfrastruktur. Die Ladegeräte – das neueste Design ist der Charge Cube – wurden für die Unterstützung verschiedener Elektroflugzeugtypen, darunter auch der Konkurrenz, sowie verschiedener elektrischer Bodenfahrzeuge entwickelt.

„Der Charge Cube löst eine Reihe von Problemen, die Standardladegeräte haben“, sagte Chip Palombini, Leiter des Ladeinfrastrukturteams bei Beta. „Standardladegeräte sind normalerweise zu groß für den Einsatz in Flugzeugen und ihre Kabelreichweite ist zu kurz. Der Charge Cube hat einen viel kürzeren Formfaktor mit einem 15 Meter langen Kabel, das wirklich für die Verwendung mit Elektroflugzeugen optimiert ist.“

Beta verfügt derzeit über fast ein Dutzend Ladestandorte in den USA, 54 weitere Standorte befinden sich in der Genehmigungs- oder Bauphase. Oberstes Ziel des Unternehmens ist es, Ladenetzwerke auch in Europa, Asien und Australien aufzubauen.

„Wir haben festgestellt, dass dies sowohl von der Branche als auch von unseren Kunden sehr geschätzt wird, die mehrere [Arten von] Elektrofahrzeugen haben und ein Ladegerät zum Aufladen aller benötigen“, sagte Clark. „Es eröffnet uns einen Weg in eine wirklich nachhaltige Zukunft der Luftfahrt, die es vorher nicht gab.“

Angesichts der Entscheidung der US-amerikanischen Federal Aviation Administration (FAA) im Jahr 2022, die Zertifizierung von eVTOL-Flugzeugen mit Flügeln zu ändern, warten Entwickler wie Beta darauf, dass die Regulierungsbehörde spezielle Bundesluftfahrtvorschriften (SFARS) für den Betrieb und die Pilotenausbildung fertigstellt – die voraussichtlich irgendwann fertig sein werden im Jahr 2024.

Trotz der Absicht, ein eVTOL-Flugzeug zu entwickeln, gab Beta bekannt, dass es beabsichtigt, seinen CX300 eCTOL zunächst im Jahr 2025 bei der FAA (gemäß Teil 23) zu zertifizieren. Das Unternehmen hat kürzlich seine G-1-Zertifizierungsbasis von der FAA ohne besondere Bedingungen erhalten. Geben Sie Beta klare Anforderungen an den CX300.

„Das Interessante daran ist, dass wir damit ein Flugzeug erhalten, das wir heute für eine Mission verkaufen können, die die Kunden lösen wollen, nämlich ein Fracht- und Logistikflugzeug ohne CO2-Emissionen von Flughafen zu Flughafen“, sagte Clark.

Beta hat sowohl mit der CX300 als auch mit der Alia-250 umfangreiche Flugtests durchgeführt, wobei der Schwerpunkt hauptsächlich auf dem Flügelflug, dem Streckenflug und dem Aufladen der Batterie mit der CX300 sowie dem Schwebe- und Übergangsflug mit der Alia-250 lag.

Beta absolvierte 2019 seinen allerersten Schwebeflug mit seinem Ava-Flugzeug und erweiterte 2023 mit seiner Alia-250 den bemannten Übergangsflugbereich. Tatsächlich ist Beta derzeit der einzige eVTOL-Entwickler in Nordamerika, der mit einem Piloten an Bord fliegt – ein Meilenstein, den das Unternehmen frühzeitig in Angriff nehmen musste.

„Wir fliegen derzeit mit Menschen an Bord, denn so werden wir auch in Zukunft fliegen“, sagte Clark. „Wir werden Piloten nicht unmittelbar vor dem Start vorstellen. Piloten sind ein wesentlicher Bestandteil der Flugzeugkonstruktion, und deshalb fliegen wir bemannte Missionen.“

Dieser Ansatz bei Flugtests bedeutet, dass das Flugzeug vom ersten Tag an für den Flugbetrieb sicher sein muss. Das Unternehmen ließ seine Elektroflugzeuge auch von eigenen Partnern und Kunden fliegen, darunter Militärpiloten, FAA-Piloten und Rothblatt von United Therapeutics sowie von seinen eigenen Mitarbeitern.

„Einer der anderen Gründe, warum wir Piloten ins Cockpit setzen, ist, dass ein großer Teil des sicheren Flugzeugdesigns von menschlichen Faktoren abhängt – wie die Piloten das Flugzeug interpretieren“, sagte Clark. „Wir führen neue Systeme, Batterien, Stromverteilung, Abzweigschutz für den Primärantrieb, Fly-by-Wire-Systeme und natürlich elektrische Wechselrichter und Motoren ein. Wir müssen sicherstellen, dass wir das aus der Perspektive menschlicher Faktoren richtig machen.“

Das Unternehmen hat im vergangenen Jahr eine Reihe von Flugmeilensteinen erreicht, darunter einen pilotierten Überlandflug mit mehreren Missionen im vergangenen Sommer. Insgesamt legte das Schiff auf einer Hin- und Rückfahrt von Plattsburgh, New York, 2.000 Seemeilen (3.700 km) zurück; nach Bentonville, Arkansas; mit Zwischenstopps zum Aufladen auf der eigenen Infrastruktur. Im Dezember 2022 folgte ein zweiter Multimissionsflug von New York nach Kentucky, der diesmal insgesamt 1.300 NM (1.400 km) zurücklegte.

Als weiteren Meilenstein stellte das Unternehmen einen neuen Streckenrekord auf und legte mit einer einzigen Ladung 336 NM (622 km) zurück, während es innerhalb des Bundesstaates New York von Jamestown nach Plattsburgh flog. Beta führte auch eine Flugdemonstration in Westchester, New York, durch und war damit das erste Elektroflugzeug, das im größeren Luftraum von New York flog, und absolvierte qualitative Evaluierungsflüge mit Testpiloten der FAA, der US Air Force und der US Army – und war damit das erste (und einzige) Flugzeug , bis heute) eVTOL-Flugzeuge, die von den Verteidigungsabteilungen und der Regulierungsbehörde geflogen werden.

„Was das über unsere Flugzeuge aussagt, ist das Vertrauen, das uns das regulatorische Umfeld entgegenbringt, das es uns ermöglicht, dieses Flugzeug in einigen der komplexesten Lufträume des Landes zu fliegen“, sagte Chris Caputo, Testpilot bei Beta mit mehr als 10.000 Flugstunden in militärischen und kommerziellen Missionen.

Caputo beschreibt das Flugzeug als „sehr intuitiv zu fliegen“. Es ist sehr stabil. Die Hauptmasse des Flugzeugs befindet sich im Bauch, sodass alle Steuerknüppel- und Ruderfähigkeiten sehr gut übertragbar sind, egal ob Sie in einer A-10, F-16 oder 757 sitzen. Der Hauptunterschied liegt in der Einfachheit des Gesamtsystems und Verständnis der Fehlermodi und wie man damit umgeht.“

Als Vertical im Juni Beta besuchte, bereitete sich das Unternehmen darauf vor, Demonstrationsmissionen mit einem Kunden in ganz Neuengland durchzuführen, um bei Anwendungen für die Frachtzustellung zusammenzuarbeiten. Das Flugzeug operierte innerhalb der Grenzen eines experimentellen Marktforschungsflugzeugs und „erfüllte echte Missionen, wurde aber nicht dafür bezahlt“, sagte Clark.

Während der Schwerpunkt im eVTOL-Sektor stark auf der Personenbeförderung liegt, verfolgt Beta einen noch anderen Ansatz, wenn es um die Markteinführung seiner Flugzeuge geht.

„Die Passagierluftfahrt ist ein riesiger Markt“, sagte Clark. „Es ist eine großartige Chance und wir werden es auf jeden Fall schaffen, aber auf unserem Weg zu einem Passagierflugzeug verfolgen wir einen schrittweisen Ansatz über Militär, Medizin und Fracht.“

Das Unternehmen hat Fortschritte bei der Entwicklung seines Kundenstamms im Hinblick auf diese Missionen gemacht. Neben United Therapeutics hat Beta das Interesse von Bristow Group, UPS, Blade Air Mobility, LCI und Air New Zealand geweckt, die sich alle bereit erklärt haben, Frühkunden eines oder beider Flugzeugmodelle von Beta zu sein. Das Unternehmen ist außerdem Partner der Luftwaffe und des Heeres.

Und im Gegensatz zu einigen seiner eVTOL-Konkurrenten entscheidet sich Beta dafür, keine eigenen Flugzeuge zu betreiben, sondern stattdessen mit bestehenden Teil-135- und Teil-121-Betreibern zusammenzuarbeiten, die eine nachhaltige Flotte schaffen möchten, um Produkte und Menschen im ganzen Land und auf der ganzen Welt zu transportieren.

„Wir müssen noch viel tun, um die elektrische Luftfahrt zu zertifizieren, und die Zusammenarbeit mit diesen Betreibern ist nicht nur eine gute Strategie, sondern auch der effizienteste und sicherste Weg, diese auf den Markt zu bringen“, sagte Clark.

Aus Sicht der Wartung sollten Betreiber laut Belzile mit einem Elektroflugzeug geringere Kosten und Ausfallzeiten verzeichnen. Sie sagte beispielsweise, dass der Einbau eines neuen Motors in ein Elektroflugzeug etwa 30 Minuten dauern würde, verglichen mit 1,5 Tagen für den Einbau einer neuen Gasturbine in einen Hubschrauber.

„Auch die Betriebskosten sind deutlich niedriger“, sagte Belzile. „Wenn wir mit unserem Flugzeug 200 Seemeilen fliegen, kostet der Strom etwa 15 bis 17 US-Dollar, während eine Cessna Caravan zwischen 600 und 800 US-Dollar Treibstoff kosten würde. Das ist nicht nur gut für die Umwelt, sondern auch gut für den Geldbeutel.“

Da ein Flugzeug fast zur Zertifizierung bereit ist und zwei Prototypen in Originalgröße fast täglich bemannte Tests absolvieren, konzentriert sich das Unternehmen nun auf die Herstellung seiner Elektroflugzeuge.

„Es ist dieser Übergang von Forschung und Entwicklung zur Fertigung, und wir sind wirklich bereit, uns anzustrengen und Flugzeuge zu bauen“, sagte Rayan El-Kotob, Fertigungsingenieur bei Beta. „Ich denke, es ist ein großartiger Dreh- und Angelpunkt für Unternehmen, viel Wachstum zu zeigen.“

Im Juni 2022 hat Beta den Grundstein für seine neue 17.500 Quadratmeter große Produktionsanlage gelegt, die auf dem besten Weg ist, im Herbst in Betrieb zu gehen und mit dem Bau des ersten Flugzeugs zu beginnen. Dies wird die erste groß angelegte Produktionsanlage für Elektroflugzeuge in den USA sein und nach Einschätzung von Beta die größte Netto-Null-Produktionsanlage östlich des Mississippi.

„Das hat viel Zeit und Mühe gekostet, sowohl in Bezug auf die Logistik als auch auf die Genehmigung und den eigentlichen Bau“, sagte Clark. „Jeder stellt sich die Fertigung als ein großes Gebäude und eine Ansammlung von Menschen vor, aber da steckt so viel Ingenieurskunst dahinter.“

Beim Bau von Flugzeugen sei die Produktionszertifizierung genauso wichtig wie die Musterzertifizierung, sagte Clark, „von der Eingangskontrolle über Qualitätskontrollen, Lagerbestände bis hin zu allen ERP-Systemen (Enterprise Resource Planning) waren das alles wichtige Meilensteine, die es zu bewältigen galt.“ .“

„Die größte Herausforderung, vor der wir bei der Schulung der Leute in dieser neuen Branche stehen werden, besteht darin, dass es viele verschiedene [eVTOL-]Designs gibt“, sagte Caputo. „Die größten Bereiche, auf die wir uns konzentrieren müssen, sind das Systemwissen und die verschiedenen Pilotfahrzeugschnittstellen in den Displays – das Verständnis einer sehr komplexen Integration mit einem Batteriemanagementsystem und wie diese Informationen dem Piloten angezeigt werden.“

Um qualifizierte Talente im eVTOL-Sektor auszubilden, hat Beta in Zusammenarbeit mit dem Luftfahrtschulungsunternehmen CAE ein Schulungsprogramm für Piloten und Wartungstechniker von Elektroflugzeugen der nächsten Generation entwickelt. Beta sagte, der Lehrplan werde speziell auf die Alia-250-Flugzeuge zugeschnitten und seinen Kundenbetreibern zur Schulung ihrer Teams zur Verfügung gestellt.

Beta arbeitet außerdem mit dem Burlington Technical Center und anderen örtlichen Berufsschulen zusammen, um sicherzustellen, dass die Schüler in den Bereichen Fly-by-Wire-Flugsteuerung, Kohlefaserverbundwerkstoffe und Elektromotoren geschult werden, damit sie auf die Arbeit an zukünftigen eVTOL vorbereitet sind Flugzeug.

Insgesamt behauptet Caputo, dass Betas Fahrzeug ein „einfach zu wartendes Flugzeug“ sei und viele der vorhandenen Fähigkeiten in der Luft- und Raumfahrttechnik auf den eVTOL-Sektor übertragbar seien. Das Unternehmen ist außerdem davon überzeugt, dass die neuartige eVTOL-Technologie tatsächlich angehende Piloten und Wartungsingenieure dazu bewegen wird, in den aufstrebenden Sektor einzusteigen.

So landete Colton Poulin bei Beta. Poulin ist ein Elektronikingenieur und Praktikant, der vor drei Jahren zum Unternehmen kam, nachdem er die Anlage besichtigt und die Entwicklung von Elektroflugzeugen der nächsten Generation miterlebt hatte.

„Ich war fasziniert davon und wusste, dass es etwas war, dem ich nachgehen wollte“, sagte Poulin, der mit den Flugsteuerungs- und Simulationsteams bei Beta zusammenarbeitet. „Ich habe Elektrotechnik studiert, das schien mir also eine gute Lösung zu sein.“

Beta bietet Praktikanten wie Poulin neue Möglichkeiten, praktische Erfahrungen bei der Arbeit an Elektroflugzeugen zu sammeln.

„Jeden Tag erlebe ich eine neue Chance, auch wenn es sich um eine Kleinigkeit handelt, wie die Suche nach einer neuen Komponente oder einem neuen Sensor, die ich noch nicht verwendet habe“, sagte Poulin. „Jeder bei Beta möchte sein Wissen teilen. Daher war es wirklich großartig, die Möglichkeit zu haben, alle Informationen aufzunehmen, die jeder Ingenieur bei Beta teilen möchte.“