什么是eVTOL？

eVTOL即电动垂直起降飞行器（electric Vertical Take-off and Landing），顾名思义，eVTOL的核心在于电动+垂直起降。eVTOL最早的概念机型出现在2010年前后。2009年，全球第一家eVTOL企业JOBY成立。2011年，世界直升机巨头意大利August Westland提出eVTOL概念。2014年，美国直升机国际协会（AHA）和美国航空宇航协会（AIAA）在弗吉尼亚大会上正式将eVTOL概念引入。2016年，Uber提出Uber Elevate空中出租车计划，引发eVTOL在欧美市场的浪潮。2016年1月，亿航智能在美国CES发布全球首款无人驾驶载人 eVTOL航空器“亿航 184”。2017年，由垂直飞行协会编制的第一份eVTOL飞机目录对外发布。2019年，欧洲航空安全局（EASA）发布了全新的航空管理规定，应用于小型eVTOL飞行器的适航认证工作。自此，eVTOL概念正式得到官方认可，初创公司、汽车、航空产业巨头等玩家开始纷纷进入eVTOL市场。2019年，中国亿航智能在纳斯达克上市，成为全球首家上市的UAM（城市空中交通）企业。2021年，美国Joby、德国Lilium、美国Archer、英国Vertical Aerospace等公司陆续上市，eVTOL商业化加速。

 

 

目前各大主机厂采用的eVTOL按飞行原理分类可分为多旋翼型、复合翼型、倾转旋翼型三种。多旋翼型原理类似于传统民用无人机和直升机，研制难度相对较小，设计构型简单，稳定性更强，且体积较小，可以在城市内环境灵活部署，基建要求更低；复合翼型有两套旋翼，一套垂直旋翼控制起飞降落，一套水平推进旋翼控制巡航，复合型的起飞降落与推进动力系统分离因此飞行安全性高；倾转旋翼型原理类似于传统的倾转旋翼直升机，在起飞阶段，旋翼像直升机螺旋桨一样提供升力，到了平飞阶段，旋翼会向前倾转，提供向前的推力，倾转旋翼型在速度和航程上优势最大，但因机械设计过于复杂，高速飞行中旋翼倾转易发生故障，沿袭了传统的倾转旋翼直升机的高事故率。

 

 

eVTOL各技术路线齐头并进，各自锚定适用需求场景

多旋翼型原理类似于传统民用无人机，效率较低，目前飞行里程较短，短时间内无法大规模应用于低空交通出行领域，多旋翼型具有冗余度高，稳定安全，可灵活部署，基建要求低，适航风险低，经济性好等优点，市场准入较快，有望率先在eVTOL密度较低、航程需求较小的旅游观光市场放量。

 

复合翼型起降与推进系统相独立，在飞行中遇到风切变、失控、失速等情况时，能够立即启动独立升力系统，把eVTOL在空中悬停并且受控下降着陆，动力系统的准备和响应时间非常短，因此安全性高，同时噪声低、航程可观，复合翼型综合性能优良，相比其他类型安全系数高， 有望在短时救援、医药紧急运送等领域放量。

 

据《不同构型电动垂直起降飞行器动力系统的安全性评估》（刘巨江，【哈尔滨工程大学学报】，2023年），倾转机翼构型eVTOL动力系统具有动力冗余不足的特征，任意一侧丧失两个推力之后，不足以进行推力配平完成垂直着陆；在飞行中遇到风切变、失控、失速等情况时，倾转机翼型需要数秒到数十秒的倾转过程，倾转机翼速度慢，无法实现保护功能，失效概率为1.265×10-6，远高于航空业确立的对于大型客机和大型通航飞机10-9飞行小时的特征事故率标准，若倾转机翼型eVTOL解决飞行安全问题，凭借其航速快的优势，倾转旋翼和复合翼型eVTOL是日后大规模低空城市交通出行优异的主力军，有望在低空出行政策进一步释放后打开较大市场，潜力高。

 

 

多旋翼型eVTOL：原理来源于多旋翼型无人机，易实现升降巡航，多旋翼设计稳定安全

根据《2022电动垂直起降飞行器主要进展》（韩玉琪，【航空动力】，2023年），多旋翼型的eVTOL由多个旋翼提供升力，通过调整各旋翼转速来控制姿态及巡飞，无机翼，原理来源于传统的多旋翼型民用无人机，技术难度最小。以小型四旋翼无人机为例，通过控制不同旋翼转速可实现悬停、垂直升降、仰俯或滚转、偏航运动等功能。多旋翼型eVTOL多为四轴或六轴布局，EH216-S采用共轴双桨16旋翼布局，冗余度高，飞行灵活稳定安全。

 

 

复合翼型eVTOL：起源于复合式垂直起降固定翼直升机，电动化驱动下效率提升

根据《复合式直升机技术发展分析》（李建波，【南京航空航天大学学报】，2016年），早在1954年，前苏联卡莫夫公司Ka-22发明了复合式直升机，该复合直升机采用双旋翼横列布局，旋翼下方的发动机同时驱动推进螺旋桨，在1961年取得了356km/h的飞行记录，这类复合式垂直起降固定翼直升机即是复合翼型eVTOL的灵感来源。受益于轻量化的电机，复合翼型eVTOL死重相对传统复合式直升机减小，飞行效率提高。

 

 

倾转旋翼型eVTOL：气动、动力学、飞行控制问题亟待解决

1972年，美国航空航天局和陆军开展倾转旋翼机计划，贝尔直升机公司于1973年获得研制合同，并将原型机取名为XV-15（V-22“鱼鹰”飞机的雏形），该飞机即为倾转旋翼型直升机的鼻祖；倾转旋翼型eVTOL的飞行原理和倾转旋翼型直升机类似，同时也沿袭了倾转旋翼型直升机高事故率的特点，自测试以来V-22“鱼鹰”飞机已发生5起机身损坏事故，总共导致54人死亡，主要原因是倾转旋翼型飞行器在飞行过程中存在旋翼-机翼的气动干扰、旋翼倾转过程中的气动特性、飞行动力学、过渡走廊的飞行控制等一系列难题。

 

 

为什么是eVTOL?

低空经济是以各种有人驾驶和无人驾驶航空器的各类低空飞行活动为牵引，辐射带动相关领域融合发展的综合性经济形态。随着近年来智能化无人驾驶航空器的发展，城市空中交通（urban air mobility，UAM）在全球范围内大热，UAM是利用短距起降或垂直起降飞行器及有关系统设施实现城市低空空域载人载货的运输活动，是未来智能交通运输系统的重要一环。

 

 

中国的城市低空交通属于强监管行业，由中国民用航空局负责空中交通管理工作，对我国和外国民用飞行器进行统一管理和空域划分。民航客机的巡航高度下限为3000米，由空中交通管控中心进行统一管理和调配。在300米以下中低空开展飞行作业的属于低空通用航空范畴。

 

 

低空经济与通用航空有着天然的联系。根据我国民用航空法，通用航空是指民用航空器从事公共航空运输以外的民用航空活动，包括从事工业、农业、林业、渔业和建筑业的作业飞行以及医疗卫生、抢险救灾、气象探测、海洋监测、科学实验、教育训练、文化体育等方面的飞行活动。

 

2016年5月，国务院办公厅印发《关于促进通用航空业发展的指导意见》，通用航空被列入国家战略性新兴产业，被赋予调整经济结构、转变经济发展方式、改善民生和升级消费的历史使命。国家发改委也于2016年11月和2017年1月相继印发《关于做好通用航空示范推广有关工作的通知》和《关于建设通用航空产业综合示范区的实施意见》，提出首批建设26个通用航空产业综合示范区和41项通用航空示范工程。

 

尽管有政策加持，我国通用航空依然面临发展困境，主要体现在低空空域资源供给不足、低空飞行活动审批程序繁琐、通用机场建设滞后。低空空域作为国家重要战略资源，由国家空管委统一领导使用管理工作，对通航开发的低空空域少，难以适应通航多点飞行、便捷高效的特点，适合私用和娱乐飞行的空域数量有限，范围小、分布散、可用性差。部分民用机场拒绝或限制通航飞机进入作业，缺乏专用低空航线，通航飞行的审批程序繁琐，审批效率低。飞机起飞需要长距离滑行，需要有足够大的面积去铺设跑道。通用机场建设标准整体过严，成本过高，建设几百米的跑道就需要上亿元，同时为了避免重复审批还会一次修建几千米跑道，每班飞机都需要高额航线补贴得以运行，持续性难以为继。

 

固定翼飞机需要较长的跑道辅助起飞，而高楼耸立、人流密集的城市中心无法为其提供完备的起飞条件，只能执行城市间大型客运和货运任务，无法服务城市内部或临近城市市区点对点交通。

 

直升机具有载重大、机动性强的优点，起降条件也不需要专门跑道与机场，能够节省通用航空机场的基建成本。但是其飞行时噪声大、运营成本高，维护保养贵，难以进一步普及。

 

相比于前两者，eVTOL集成了自动驾驶、电动、低空航空元素为一体，噪音更小，成本更低，且能够垂直起降，省去了建造机场的成本，随时随地可以起飞和降落。

 

 

如何看eVTOL整机的壁垒：分系统配套及气动布局可“迁移”，重点关注整机设计及集成能力

UAM各类型载运工具在机型、气动布局、动力模式等方面差距很大，载运工具作为UAM能否实现运营的关键。UAM载运工具中，直升机最早得到应用，但关注度远低于eVTOL航空器，主要原因是eVTOL航空器具有噪音小、环保、安全、维护成本低，机型多样等特点。

 

 

气动布局方面，无论是多旋翼、复合翼和倾转旋翼，都有对应类似气动布局的直升机、无人机等机型可参考借鉴，技术牵引性较强。

 

 

eVTOL航空器是以电气和自动控制为主，技术基础是飞控、电机、锂电池等，这些因素与自动控制和电气化技术密切相关，而这些相关技术在最近几十年才发展成熟到可以应用在载人航空器上。也正因此，eVTOL航空器设计才能在最近十余年开始出现。与常规飞行器相比，eVTOL有以下技术特征：

 

1）垂直起降技术。大多数eVTOL飞行器采用电力驱动系统，通常采用多旋翼设计，配备先进的飞行控制系统，包括传感器、舵面和螺旋桨的电动调节等，以实现精确的飞行控制和姿态调整，通常具备自主飞行和自动驾驶的能力；

 

2）电池技术。电池是eVTOL技术的核心，主流为锂离子电池。电池技术不仅会影响飞机续航，也会影响飞机的形态。提高电池比能量和比功率，并实现快速充电和长使用寿命是eVTOL电池面临的主要技术挑战；

 

3）分布式电推进技术。分布式电推进技术可以提供更高的推力控制精度和灵活性，在eVTOL中被普遍使用。通过将多个电动发动机分布在飞行器的不同位置，实现对飞行器的推进和控制，在提高飞行性能、增强机动性、提供冗余性发面具有显著的优势。

 

eVTOL使用电池为动力系统和机载系统提供能量，电池性能是制约eVTOL发展的关键因素。目前，锂电池技术相对成熟稳定，能量密度比最高，绝大多数制造商采用锂电池。电池能量密度、电池瞬间充放电倍率、电池充放电寿命、电池安全性四大参数是eVTOL电池中的关键指标，显著影响eVTOL的航程、升降平稳性、更换寿命、乘坐安全性等技术性能。目前随着eVTOL的应用需求场景不断扩宽，为了打破eVTOL面临的有效荷载低、航程短、续航时间短的发展局限，高能量密度、高充放电寿命、高瞬间充放电倍率、高安全性的“四高”的航空电池需求不断扩张，电池成为限制eVTOL发展的一大关键技术。

 

 

现有的电池技术仍有欠缺，能量密度与安全性等指标都需要进一步突破，否则eVTOL将面临有效荷载低、航程短、续航时间短、乘坐不安全等发展局限。当前电池技术还不能完全达到满足eVTOL对运行场景的航程、生命周期、快充技术和能量密度等水平。目前锂电池使用最多和发展最快的领域是新能源电车领域，但是eVTOL使用的电池（以Joby S4使用的锂电池为例）在能量密度、瞬间充放电倍率、循环寿命、安全性角度全面领先于乘用车使用的三元锂电池。

 

 

航空电池市场高速发展方兴未艾，逐渐打破eVTOL性能限制瓶颈。目前限制eVTOL性能的最大问题是航空电池，目前各方在航空电池领域都有全面布局，工业和信息化部等四部门绿色航空制造业发展纲要（2023-2035年）指出要大力发展绿色航空锂电池，突破高能量密度锂电池，实现能量密度400Wh/kg级的航空锂电池产品量产，500Wh/kg级产品小规模验证；NASA、宁德时代开发出了具有高稳定性的新型高能量密度航空电池，旨在解决载人电动航空器领域的里程焦虑与安全焦虑；正力新能发布了高能量密度和高充放电倍率的新型航空电池破解了高能量密度和高倍率不可兼得的行业难题。航空电池全角度、高水平的发展将充分带动eVTOL性能端的腾飞，使得eVTOL应用场景更加广泛，空域电动化领域有望全面铺开。

 

 

 

根据美国航空航天、国防和汽车技术领域的咨询公司SMG报告，其基于五个维度：融资情况、领导团队、技术、认证进度、生产状况，对UAM厂商进行打分，得到了对主流UAM载运工具厂商的排名。