evtol飞行汽车的现在和未来（中）

 

 

eVTOL技术路线

eVTOL设计研发的技术路线主要依据预设的应用场景与目标市场，需要极高的技术研发实力与垂直集成能力，重点从飞行器气动布局与总体构型角度进行抉择与调整。在eVTOL这个全新的高科技赛道，不同的eVTOL研发机构采取不一样的技术路线。根据全球现有的eVTOL开发情况，可以将其分为多旋翼构型、复合翼构型、倾转构型、倾转涵道风扇+完全矢量控制、隐藏式推进系统+无翼设计等5种技术路线（如图1所示）。eVTOL制造商基于不同的技术路线，需要建立相应的研发体系、供应体系和生产体系，其研制能力涵盖飞行机体、结构及强度、飞控核心算法、电气系统、航空特性等设计能力，也包括整机总体集成设计、动力能源系统、航电飞控系统、适航性设计等工程能力。

图1：eVTOL主流技术路线种类图示

 

多旋翼型eVTOL虽然可靠性可能高于直升机，但有效载荷和航程都相对有限，所面对的应用场景也相对固定，在噪声控制、地面损伤控制上尚无突破性解决方案，初创公司大多采用多旋翼型，或是eVTOL初创公司前期产品。倾转构型eVTOL在综合考虑航程、巡航速度和载重比方面优势明显，具有较好的有效载荷、最大起飞重量和运营经济性，使其在未来商业场景中为用户节约更多出行时间，但带来了额外的技术挑战。复合翼型受到了传统航空企业的偏爱，由于配置了专用的水平推进螺旋桨，而不是垂直阶段和水平阶段共用一套螺旋桨，可以有效地提升巡航效率、航程和安全性。倾转涵道风扇+完全矢量控制型由于在动力可靠性、噪声控制、气动效率上有可能获得更优的平衡。尽管涵道风扇在悬停模式下效率稍高，但在巡航模式下会产生更多阻力。不同技术路线的eVTOL都具各自的特点、优势、劣势及代表机型（如表2所示）。此外，由于复合翼构型方案死重大飞控系统就简单，倾转方案死重小而飞控系统复杂，于是也设计了复合翼结合倾转构型的综合方案（“死重”指的是对当前的飞行没有帮助，却因为种种因素，必须携带的部件重量）。目前，很难判断何种技术路线最佳，行业各参与方也尚未达成共识，复合翼方向兼顾实现可行性及先进性，倾旋翼方向更为先进，但实现的技术难度更大，今后也可能出现具有多种方案优点的新技术路线。

表2：不同技术路线eVTOL对比分析表

 

目前而言，各国近期推出的eVTOL项目倾转构型机型最多，多旋翼构型最少，复合翼成为大部分行业龙头公司的研发选择。国外eVTOL制造商的技术方向总体而言比较一致，如Joby、Archer、Lilium和Vertical等公司都采用倾转、倾转涵道或倾转旋翼的整体构型。在2021年通过SPAC方式上市的Joby Aviation、Lilium、Archer等公司，以及目前收到最多意向订单的Vertical Aerospace等公司均采用了倾转构型技术路线。最近两年发布的eVTOL多为倾转构型或复合翼构型，未来这两种机型增长潜力最大。主打多旋翼构型的头部企业Volocopter在深入研究和开发纯多旋翼布局的2座VoloCity后，在2021年也推出了复合翼构型的VoloConnect。虽然复合翼构型的运营经济性一般，但在eVTOL机型设计中是非常流行的配置，由于具有简单性和多功能性的特点，eVTOL厂商广泛采用该技术路线，以用于城市间出行或更远距离的飞行任务。同时，当前不少多旋翼eVTOL厂商正在考虑使用升力+巡航构型以获得高航程，例如亿航智能之前的旗舰载人eVTOL是采用纯多旋翼布局EH216，现在也开发2座升力+巡航构型技术方案的VT30。Embraer子公司Eve Urban Air Mobility的EVE均采用了此构型。对于短航程任务（7公里）而言，与多旋翼eVTOL相比，“升力+巡航”的复合翼及混合构型eVTOL的表现并不占优势，但对于更长航程的任务，推力矢量构型eVTOL的表现最优。复合翼及倾转旋翼机型在电池技术发展之后，续航里程会从100km扩展到300km，相对于多旋翼的优势会更明显，因此我们看到传统的多旋翼eVTOL厂商也纷纷开始复合翼机型（含倾转旋翼）的研发。

 

■ eVTOL发展态势

当前，世界主要航空国家都在积极迈进eVTOL新赛道，以抢占未来城市低空智能交通的制高点。eVTOL飞机的研发进展可分为四个阶段：概念设计、缩比验证机测试（包括地面试验、悬空试验、起降试验等）——全尺寸验证机测试（包括飞行模式测试、飞行姿态测试、飞行悬停试飞等）——试制原型机试飞（本场试飞、转场试飞、噪声检测、载人试飞载货试飞、模拟场景测试等）。eVTOL的设计研发与测试验证是一个复杂的系统工程，需要融合空气动力学、飞行力学、结构力学、仿生学、材料学、计算机、控制理论等多门学科知识，涉及理论计算、仿真实验、样件试制、生产组装、台架实验、静力实验、振动实验、系留实验、试飞实验等多项技术工作，通过动力系统台架试验、飞机静力试验、飞发耐久试验、半物理实物仿真试验等大量的地面试验，经过气动性能、倾转特性、操纵测试、组件测试、风洞测试、噪音测试等测试过程。当前，eVTOL的开发状态（具体如图2所示）总体上还处于从概念设计迈向商业化应用的早期阶段。

 

据粗略统计，全球1/4的eVTOL项目处于飞行测试阶段，50%左右的eVTOL项目处于概念设计阶段，多旋翼技术和混合布局技术飞行测试项目占比较高，达30%以上。据2022年8月的美国垂直飞行协会（VFS）发布的最新统计，全球超过700个eVTOL设计研发项目，其中235个矢量推进构型布局，124个升力+矢量推进构型布局，195个多旋翼构型布局，103个为悬停自行车和个人飞行器，47个电动旋翼机设计，涉及全球48个国家的347家公司或创新机构。其中，主要分布的国家是美国（124个）、英国（24个）、中国（21个）、德国（19个）和加拿大（17个），占所有设计实体的近60%。从eVTOL项目的投资金额来看，2021年eVTOL项目的投资总额较2020年增加了一倍。据《2021年度亚太地区城市空中交通报告》，亚太地区14家eVTOL制造商中，有2家仅提出了概念机型，4家已完成缩比验证机的测试，5家制造商已经发布了全尺寸的工程验证机，仅有3家制造商进入了载人飞行测试阶段。

图2：全球eVTOL项目开发状态分布图

（数据来源：VFS统计目录）

 

eVTOL制造商追求的是飞行器更好的续航能力、航程、爬升性能及运行能效比，创造平稳安静的飞行体验，并通过航空监管部门的运行性能（包括飞行性能、飞行特性、载荷条件等）、机体性能（结构特性、组件性能等）、安全性能（动力失效保护、冗余备件系统设计、能源失能处置等）等合规性认证。eVTOL开发工程团队需要通过建立先进的数字化开发体系，集成多学科仿真模型、验证外形气动效率和飞行控制逻辑，创建完善包括线路规划、后勤维护、检查放飞、安全保障的试飞体系，并搭建一定数量基础的飞行测试及数据库，在气动构型、飞控系统、电机、新能源电池、通讯导航系统、整机轻量化设计、机身复合材料等方面进行不断的优化改进与技术迭代，并达到工程设计与运行性能指标，最终设计定型和通过适航审定，才能投入市场销售推广与商业运营。

 

eVTOL作为新型飞行器，其电池、电机、驱动器、倾转机构、控制策略、载荷工况、操纵系统等方面均采用了新技术，其安全性、可靠性、性能等需要试验科目予以验证测试。由于eVTOL一般在人口稠密城市上空低空飞行的特性，其安全监管将比地面交通更加严格。目前，没有一家eVTOL制造商获得FAA（美国联邦航空局）或EASA（欧洲航空安全局）的完全认证，仅有极个别公司预计在未来两三年内获得相关认证。各国eVTOL制造商竞相加快认证进度，以在全球范围率先获得航空主管部门的适航许可，抢先开展商业运营取得市场先机。当前，欧美eVTOL领域的研究较为成熟，其中美国、德国处于领先地位，中国eVTOL研发不落后于欧美，在亚太地区处于领头羊地位（参见表3）。

表3：国内外主要eVTOL飞行测试与认证情况表

（信息来源：根据互联网公开发布信息整理）