一、eVTOL 螺旋桨设计概述

eVTOL（电动垂直起降航空器）螺旋桨设计在整个飞行器设计中起着至关重要的作用。不同的螺旋桨设计影响着 eVTOL 的性能、安全性和未来发展方向。

当前主流的 eVTOL 螺旋桨构型主要包括多旋翼、复合翼、倾转旋翼和倾转涵道四类。多旋翼构型以其紧凑的占地面积、垂直起降能力和精准悬停性能，适用于城市内短途运输、航拍、消防救援等场景，但能效较低、航程短。复合翼构型集旋翼飞机与固定翼飞机的优势于一体，通过旋翼提供垂直起降所需推力，机翼在平飞时提供升力与巡航效能，适用于城市间通勤、物流配送以及部分军事任务。倾转旋翼构型通过改变旋翼角度，既能像直升机般垂直起降，又能如固定翼飞机般高速巡航，兼具两者优点，不过机械设计复杂、控制难度高且有安全风险。倾转涵道构型利用涵道风扇提供推力和方向变化，消除开放式螺旋桨的安全隐患，实现从平飞到直飞的无缝切换，但完全矢量控制技术难度大，经验积累不足。

eVTOL 螺旋桨通常采用碳纤维和热塑复合材料，强度高、重量轻，部分螺旋桨及机翼主体设计采用 3D 打印制造，以实现复杂几何形状的精确成型。技术难点集中在优化气动布局、减小噪声、提高耐久性等方面。例如，要在有限的空间内设计出兼顾升力、推力分配和操纵性的翼形结构，同时通过材料科学与制造工艺的创新，提高复合材料的耐热、抗疲劳性能。

二、eVTOL 螺旋桨设计案例

 

介绍不同 eVTOL 机型如 Overair Butterfly、Joby S4、Archer's Midnight 等的螺旋桨尺寸、驱动方式和独特性能。

Overair Butterfly：

Overair Butterfly 是一款单人、五人座的 eVTOL 飞机。其螺旋桨超过 20 英尺（6.096 米），比其他电动出租车的螺旋桨长得多。该飞机采用矢量推力设计，其专利推进系统采用了非常大的螺旋桨，并与高效翼载飞行相结合。驱动方式为电动，由多个电动机驱动螺旋桨。独特性能包括没有单点故障、零碳排放、44 分贝的低噪音、最大速度为 200 英里（321.8688 千米）/ 小时、总续航里程为 100 英里（160.9344 千米），在紧急情况下可只用四个螺旋桨中的两个悬停。

Joby S4：

Joby S4 原型可以追溯到 10 多年前。螺旋桨尺寸文中未明确提及。其驱动方式为六个电力推进装置为飞机的每个倾斜螺旋桨提供动力，统一的飞行控制系统。独特性能包括与丰田公司密切合作，2023 年底与美国宇航局合作，在拥堵的空域模拟了 120 次操作，报告最高速度为每小时 200 英里。经过 3 万多英里的试飞，有望在 2025 年运作。

Archer's Midnight：

Archer's Midnight 使用由 12 台电动机驱动的矢量推力。螺旋桨尺寸文中未明确提及。独特性能包括最大续航里程为 100 英里，时速可达 150 英里，推进系统在飞机外的测量值仅为 45 分贝，比莱昂纳多 A109c 直升机更安静。已经通过了飞行测试的第一阶段，并有望在 2025 年获得适航认证。

三、eVTOL 螺旋桨设计原理

 

1. 多旋翼基本原理

多旋翼是一种通过多个旋转的机翼产生升力以实现飞行的设备。它由多个垂直安装的电动螺旋桨组成，这些螺旋桨可以同时或分别控制转动来实现飞行任务。当不同螺旋桨的转速发生变化时，会产生不同的升力，通过调整不同螺旋桨的转速和 / 或俯仰角度，多旋翼能够在垂直起降和水平飞行之间进行平滑过渡。例如，在垂直起降阶段，各个螺旋桨转速一致，产生向上的升力使飞行器离开地面；而在水平飞行时，通过调整不同螺旋桨的转速，产生向前的推力，同时保持一定的升力，实现平稳飞行。

2. eVTOL 概念解释

eVTOL 代表电动垂直起降，是一种使用电动螺旋桨或风扇进行垂直起降和水平飞行的飞行器。与传统的垂直起降机相比，eVTOL 采用了电动化推进系统，这使得它更加环保，因为没有燃油燃烧产生的废气排放；同时也更加安静，电动机运转的噪音远低于传统燃油发动机，特别适合在城市环境中应用；而且能效更高，电动机在能量转化过程中效率更高，减少了能耗。

3. 多旋翼 eVTOL 设计要点

·结构设计：多旋翼 eVTOL 的结构应该具有良好的强度和刚度，以确保在飞行过程中能够承受各种力的作用。同时，在不影响性能的前提下尽可能减小重量，这样可以提高飞行器的能效和续航能力。例如，可以采用高强度的碳纤维等复合材料，既保证了结构的强度，又降低了重量。

·动力系统：选择适合垂直起降和水平飞行的电动螺旋桨或风扇，并确保其能够提供足够的推力和续航能力。电动螺旋桨的性能取决于电机的功率、螺旋桨的设计以及电池的能量密度等因素。需要根据飞行器的设计用途和性能要求，选择合适的动力系统。

·飞行控制系统：使用先进的自动化飞行控制系统来实现稳定的飞行、准确的悬停和精确的姿态调整。飞行控制系统通过传感器收集环境数据和飞行状态信息，并计算出适当的控制指令来调节各个旋翼的输出，以维持平衡姿态。例如，采用闭环反馈控制系统，基于传感器获得的飞行状态信息，实时调整旋翼的转速和角度，实现稳定飞行。

·载荷与有效载荷：考虑多旋翼 eVTOL 的设计用途，确定合理的载荷需求，并确保有效载荷在设备中得到正确分配。如果是用于物流配送，需要考虑货物的重量和体积，合理设计货舱空间；如果是用于载人飞行，需要考虑乘客的数量和舒适度，确保座椅和安全设备的合理布局。

·可靠性与安全性：设计应考虑各种故障情况下的应急措施，并采用可靠的传感器和系统以确保飞行安全。例如，设计冗余的动力系统，在部分螺旋桨或电机出现故障时，仍能保持飞行器的稳定飞行；安装可靠的传感器，实时监测飞行器的状态，一旦发现异常，及时发出警报并采取相应的应急措施。

四、eVTOL 螺旋桨设计的关键技术

在高推进功率下，适配高电压体系成为 eVTOL 螺旋桨设计的关键挑战之一。从设计角度来看，电机电控的适航要求严格遵循 DO-178/D0-254/D0-160，这对设计的精准性和安全性提出了极高要求。在推进器螺旋桨叶片设计方面，需要考虑多种因素。首先，螺旋桨叶片的设计要适应高推进功率的需求，确保能够提供足够的推力。例如，采用大直径螺旋桨组件，如美国 Overair 公司的 “蝴蝶” 飞行器，其直径达到 6.1 米的螺旋桨是 eVTOL 领域中应用的最大尺寸，为更大的有效载荷提供高效率。同时，叶片的外形和叶片尖端需由全球知名的空气动力学家精心设计，打造出比普通吹风机还要安静的动力系统，实现低噪声运行。

在材料选择上，eVTOL 螺旋桨通常采用碳纤维和热塑复合材料。这类材料强度高、重量轻，有助于提升飞行器的整体性能。东丽公司新一代 T1100/3960 碳纤维 / 环氧树脂预浸料被美国 Overair 公司用于建造试飞飞行器上的主要机身部件，如机身、部分机翼组件以及旋翼叶片。然而，这种材料对精密切割技术有较高需求，以确保结构精度与稳定性。部分螺旋桨及机翼主体设计采用 3D 打印制造，以实现复杂几何形状的精确成型，降低制造成本并缩短开发周期。

从制造难点来看，高推进功率下适配高电压体系在制造端面临诸多挑战。首先，电机的高扭矩密度 / 高功率密度要求制造工艺能够实现小型体积内强大动力的输出，满足 eVTOL 对轻量化和高载荷的需求。其次，电控的高压耐受性和安全性需要严格的制造标准和质量控制。例如，要确保在高电压环境下，电控系统能够稳定运行，不出现故障或安全隐患。此外，螺旋桨叶片的制造也需要高精度的工艺，以保证其气动布局的优化、噪声的减小和耐久性的提高。例如，如何在有限的空间内设计出兼顾升力、推力分配和操纵性的翼形结构，以及如何通过材料科学与制造工艺的创新，提高复合材料的耐热、抗疲劳性能，都是螺旋桨制造过程中的重要课题。

五、eVTOL 螺旋桨设计特点

 

1. 不同类型 eVTOL 的螺旋桨特点

分析多旋翼型、升力 + 巡航型、矢量推力型 eVTOL 的螺旋桨在技术风险、研制难度、可靠性、悬停效果等方面的特点。

·多旋翼型：多旋翼型 eVTOL 的螺旋桨技术风险低、研制难度低、可靠性高、悬停效果好。其采用分布式旋翼设计，巡航和起飞、着陆都依靠旋翼提供升力。然而，由于依靠动力电池巡航，巡航时长受到动力电池技术限制，载重也相对有限。在噪声控制方面，目前尚无解决方案。初创公司大多选用此项技术创作前期产品。

·升力 + 巡航型：升力 + 巡航型 eVTOL 的螺旋桨设计和飞控系统相比矢量推力型较简单，研制风险和成本低，生产和维护也较为简单，并且市场准入较宽松。其使用独立的螺旋桨分别实现起飞和巡航，在平飞时，垂直系统会成为负担，产生额外阻力，经济效益较低。

·矢量推力型：矢量推力型 eVTOL 的螺旋桨运用倾转旋翼和函道等技术，在不同阶段通过改变推力方向实现起飞和巡航。在综合巡航、速度、载重方面优势突出，应用前景好。但由于涉及空气动力学，在技术、安全性、研发周期方面带来难题。同时适航认证时间长，市场准入晚。

2. 螺旋桨的噪音控制

以部分机型为例，介绍 eVTOL 螺旋桨在噪音控制方面的成果和挑战。

·目前，eVTOL 作为一种新兴的飞行器，要进一步发展，噪音问题是一个亟待解决的问题。美国著名电动航空初创公司 Whisper Aero 的首席执行官马克・摩尔指出，要使一款 eVTOL 产品在区域空中交通或城市空中交通领域实现盈利，每小时至少需要完成 20 次起降操作，每天需要完成数百次操作。而频繁的运行必须考虑在本地设置起降场地，但如果噪声很大，周边居民将难以忍受。例如，已经发生了一些对无人机送货的投诉，即使是十几千克重量的货物，由无人机在 100 米高度运送，依然会产生不小的噪声。

·Whisper Aero 公司目前专注于设计更安静的 eVTOL 产品，如其研发的 9 座型区域电动飞行器 Whisper Jet。此外，还为美国国防部开发了一款名为 Whisper Drone 的验证飞行器，主要为测试高效、低噪声电动飞行器推进技术，第一次飞行测试已在去年 3 月 15 日完成。

·美国 Archer 公司的 Midnight 电动垂直起降飞行器也在追求高性能、高安全性和低噪声特性，其公关总监曾表示：“Midnight 将比直升机等其他飞机安静得多。”

·NASA 也已经启动了一项 “革命性垂直升降技术”(RVLT) 项目，负责该项目的研究人员正在探索如何降低 eVTOL 多个部件的噪声。作为 RVLT 项目中的一部分，美国穆格飞机制造公司研发的 SureFly S250 电动垂直起降飞行器原型机，在 2022 年夏季接受了 NASA 的噪声测试。穆格公司表示，为了尽量减少飞行中的噪声，可以根据飞行方向引导噪声，并用特质材料研制螺旋桨，再以更低的速度飞行。还将对 eVTOL 转子和轮毂进行更多研究，以提高降噪效率。

·国际直升机协会一直在推进 Fly Neighborly 项目，旨在让航空器运营商、飞行员和当地社区的利益相关者共同努力减轻飞行器噪声。该项目组成员均为航空制造产业的领军企业，这些龙头公司拿出时间来研究噪声问题，并制定解决方案。2023 年初，举办了关于航空器噪声对居民社区影响的线上研讨会，重点关注几款主流的直升机发出的噪声。在会议上，有行业专家提出了可减少声音对居民影响的替代飞行操作，包括在不同高度飞行、寻找替代路线以及以降低噪声水平的方式着陆。

·根据 Whisper Aero 公司此前的研究发现，分贝水平并不是衡量噪声的唯一指标。人耳会分辨出某些声音频率，直升机的问题在于它们会发出低频噪声，而且不会被环境影响。相比之下，eVTOL 发出的噪声如果不超过人耳分辨出的环境背景噪声，那么对于人体的影响可以忽略不计。Whisper Aero 一直在推动一种被称为 “随时间变化的响度” 的新指标，该指标不仅考虑分贝，还考虑背景噪声。目前，在 eVTOL 噪声认证方面还没有提出独立的标准体系，FAA 已经建立了一些现有指标体系可供参考，例如其规定的直升机 EPNL (有效感知噪声级)。此外，国际民航组织也正在主导相关体系的建设。

·华羽先翔的全倾转旋翼的 eVTOL “鸿鹄 Mark1”，全倾转旋翼架构具备突出的经济性和安全性，但对螺旋桨的噪音控制也是一大挑战。白志亮希望能将 “鸿鹄 Mark1” 的飞行噪声控制在城市背景噪声以下，这将对其产品的市场接受度至关重要。

·在 Lilium 的设计中，涵道风扇被表示具有低噪音的特征，如风管可以抑制噪音，阻止噪音向各个方向辐射；管道在风扇叶片上产生直进流，低湍流，从而减少噪音产生；同时也可以像大型客机上的发动机一样，将声衬放进涵道中来进一步降低噪音。但 Joby 电动垂起飞机采用开放式旋翼，通过一定设计和研发也能满足低噪音需求。例如

六、eVTOL 螺旋桨设计未来发展趋势

1. 技术发展趋势

预测矢量推进型 eVTOL 将成为主流构型技术路线，以及应用涵道风扇设计的机型将进一步增加。

随着技术的进步以及产业界对电动航空器设计理解的加深，工程技术实力雄厚的头部厂商将大幅度提高矢量推进型 eVTOL 的可靠性。矢量推进型 eVTOL 的旋翼以可倾转的方式兼顾悬停和巡航，在不同飞行阶段采用不同的推进方式，可实现更高的飞行速度和更远的航程。这使得运营商的业务模式更加灵活，减少充电次数，提高任务响应速度和日利用率，同时也能进入更多时效性任务市场，如应急救援、医疗救援等。

应用涵道风扇设计的机型也将进一步增加。涵道风扇设计有诸多优点，如对航空器附近人员提供保护、有利于降噪设计和城市场景运行、能在螺旋桨的流场中产生可观的附加拉力进而提高动力系统的效能。虽然目前涵道风扇设计存在一些不足和难点，如制造成本和难度高、阻力问题等，但随着行业发展，这些问题有望得到缓解。部分厂商将涵道集成到机体或机翼上，降低重量、提高刚性和强度，如 Ascendance Atea、Horizon Cavorite X5/X7、AirMule 等。LiliumJet 在 100m 距离处的噪音水平预测降低了 6dB (A)，相同基础设施的乘客吞吐量几乎提高 4 倍，就是涵道风扇设计优势的一个案例。

2. 电池技术对螺旋桨设计的影响

分析电池技术的不断突破如何影响 eVTOL 螺旋桨设计，如提高航程和续航能力等。

目前绝大多数 eVTOL 机型都采用成熟的、功率密度较高的锂电池。但由于能量密度低，电池包重量过大，现有 eVTOL 航空器普遍存在有效荷载、航程和续航时间的局限。未来主机和电池开发厂商将综合权衡能量密度、放电功率、充电时间、循环数和寿命、安全特性等指标，逐步提高锂电池性能；厂商也将开发新的电池类型，如固态电池。固态电池利用固态电解质取代了易燃的有机液体电解质，理论上更安全，循环寿命更长、更耐用、工作温度范围更宽、堆叠紧密、电池设计简化、机械特性可能更灵活。随着电池技术的不断突破，eVTOL 的航程和续航能力将得到提高，这也将对螺旋桨设计产生影响。例如，为了适应更长的航程和续航能力，螺旋桨可能需要更加高效地利用动力，提高推进效率，同时在设计上也需要考虑与电池的匹配性，以实现最佳的性能表现。

3. 市场前景展望

探讨 eVTOL 螺旋桨设计在未来低空经济中的发展前景和应用领域的拓展。

随着技术的不断进步和商业化落地，eVTOL 有望在更多领域实现应用，为低空经济的发展带来新的机遇。eVTOL 螺旋桨设计作为 eVTOL 的关键部分，也将在未来低空经济中发挥重要作用。在城市空中交通方面，eVTOL 可以作为一种高效、环保的交通工具，缓解城市交通拥堵。螺旋桨设计需要满足城市空中交通的需求，如低噪音、高安全性、高可靠性等。在应急救援和医疗救援方面，eVTOL 的高速度和垂直起降能力使其具有很大的优势，螺旋桨设计需要保证在紧急情况下能够稳定运行，提供足够的推力。此外，在物流配送、观光旅游等领域，eVTOL 也有广阔的应用前景，螺旋桨设计需要根据不同的应用场景进行优化，提高性能和适应性。