電動(dòng)垂直起降飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀研究

杜偉 孫娜

摘要：近年來(lái)，電動(dòng)垂直起降（eVTOL）飛行器在城市空運(yùn)中得到快速發(fā)展。本文介紹了近5年來(lái)世界范圍內(nèi)主要的在研電動(dòng)垂直起降飛行器項(xiàng)目，從飛行器布局形式、總體設(shè)計(jì)參數(shù)、推進(jìn)系統(tǒng)類型、飛行控制等級(jí)等方面進(jìn)行了歸納和總結(jié)，分析了不同構(gòu)型下相應(yīng)電動(dòng)垂直起降飛行器的主要特點(diǎn)，辨識(shí)了電動(dòng)垂直起降飛行器作為一類特殊飛行器在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過(guò)程中涵蓋的主要關(guān)鍵技術(shù)，提出了電動(dòng)垂直起降飛行器未來(lái)的發(fā)展路線，并指出了其商業(yè)化發(fā)展所面臨的主要挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)垂直起降飛行器；城市空運(yùn)；矢量推進(jìn)；避障；自主飛行

中圖分類號(hào)：V272文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.11.001

近年來(lái)，隨著航空電機(jī)、電池、電傳飛控、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)的快速發(fā)展，電動(dòng)垂直起降（electric Vertical Take-Off and Landing，eVTOL）飛行器因其自身特點(diǎn)在城市空中交通（UAM）領(lǐng)域正迎來(lái)革命性的發(fā)展，其主要用于城市短距離空中旅客與貨物運(yùn)輸，可有效緩解交通堵塞，減少交通時(shí)間，降低大氣污染[1-4]。

eVTOL區(qū)別于常規(guī)飛行器的主要技術(shù)特征有：（1）可實(shí)現(xiàn)垂直起降；（2）采用分布式推進(jìn)；（3）運(yùn)用全電/混合動(dòng)力技術(shù)。與常規(guī)直升機(jī)相比，eVTOL的顯著優(yōu)勢(shì)包括：低碳環(huán)保、噪聲低（采用電動(dòng)推進(jìn)）、自動(dòng)化等級(jí)高（多為自主飛行）、運(yùn)行成本低（簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)及維修成本）、高安全性和可靠性。因此，eVTOL被看作是最具發(fā)展前景的、可作為城市空中交通運(yùn)輸這個(gè)大眾市場(chǎng)的有效運(yùn)載工具，近幾年來(lái)得到迅猛發(fā)展[5-6]。

1 eVTOL發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.1 eVTOL分類

根據(jù)垂直飛行協(xié)會(huì)（VFS）的統(tǒng)計(jì)，截至2020年2月，世界范圍內(nèi)共有253個(gè)eVTOL項(xiàng)目，將近188個(gè)eVTOL廠家[7]。根據(jù)eVTOL News網(wǎng)站（VFS主辦）的分類，eVTOL重點(diǎn)分為以下三類[8-9]。

（1）矢量推力型（Tilt-X）：在不同使用階段，通過(guò)改變推力方向，實(shí)現(xiàn)垂直起降和巡航。典型的例子如LiliumJet、Joby-S4等，該類eVTOL數(shù)量達(dá)到97個(gè)。

（2）升力+巡航型（Lift+Cruise）：升力和巡航用的螺旋槳是獨(dú)立的，分別實(shí)現(xiàn)垂直起降和巡航。典型的例子如Boeing-PAV、Wisk-Cora等，該類eVTOL數(shù)量達(dá)到97個(gè)。

（3）多旋翼型（Multi-copters）：無(wú)巡航用螺旋槳，完全通過(guò)控制多旋翼的升力大小實(shí)現(xiàn)飛行。典型的例子如Ehang-216、Volocity、LIFT-Hexa等，該類eVTOL數(shù)量達(dá)到119個(gè)（其中含46個(gè)單人可懸停飛行器、19個(gè)電動(dòng)旋翼機(jī)）。

總的來(lái)看，三種類型的eVTOL數(shù)量大體相當(dāng)，均達(dá)到30%以上，其中多旋翼型占比接近40%。

1.2典型矢量推力型eVTOL分析

1.2.1A3（Airbus）-Vahana

Vahana是由空客公司硅谷創(chuàng)新中心（A3）于2016年初啟動(dòng)的研究項(xiàng)目，原型機(jī)在2018年1月31日實(shí)現(xiàn)首飛，此后進(jìn)行了一系列的驗(yàn)證測(cè)試。僅在2019年，就測(cè)試飛行達(dá)130多次，累計(jì)飛行將近14h，最遠(yuǎn)飛行距離將近50km，單次最長(zhǎng)飛行時(shí)間將近20min。Vahana原型機(jī)如圖1所示。Vahana主要特性信息見(jiàn)表1。

1.2.2 Lilium-Jet

Jet由位于德國(guó)慕尼黑的Lilium公司研制，是一型電動(dòng)5座垂直起降飛行器，其機(jī)翼上共布置12個(gè)可垂直偏轉(zhuǎn)的襟翼，每片襟翼上集成三個(gè)噴氣電動(dòng)機(jī)。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，Jet無(wú)需齒輪箱、螺旋槳和冷卻裝置。原型機(jī)已于2019年5月首飛，計(jì)劃2025年投入市場(chǎng)。Jet原型機(jī)如圖2所示，Jet主要特性信息見(jiàn)表2。

1.2.3 Bell-Nexus/6HX

Bell公司在2019年度國(guó)際消費(fèi)類電子博覽會(huì)上公開(kāi)了Nexus/6HX。該飛行器采用混合電推進(jìn)，航程可達(dá)240km，主要用于城際空運(yùn)。該項(xiàng)目的研制聯(lián)合了Moog、Thales、EPS、Safran、Garmin等全球知名供應(yīng)商。Nexus/6HX原型機(jī)如圖3所示，Nexus/6HX主要特性信息見(jiàn)表3。

1.2.4 Joby-S4

美國(guó)Joby Aviation公司主要生產(chǎn)用于快速、安靜、廉價(jià)空中出租車服務(wù)的全電動(dòng)垂直起降（eVTOL）飛行器。S4原型機(jī)已于2018年2月實(shí)現(xiàn)首飛，計(jì)劃2022年取得美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）適航證，并于2023年進(jìn)入商用。S4原型機(jī)如圖4所示，S4主要特性信息見(jiàn)表4。

1.3典型升力+巡航型eVTOL分析

1.3.1 Boeing-PAV

PAV飛行器由美國(guó)Aurora Flight Sciences公司開(kāi)發(fā)，于2017年11月被波音公司收購(gòu)。PAV飛行器采用升力螺旋槳實(shí)現(xiàn)垂直起降，利用尾部推進(jìn)螺旋槳實(shí)現(xiàn)向前飛行。該飛行器于2019年1月22日實(shí)現(xiàn)首飛。PAV原型機(jī)如圖5所示，PAV主要特性信息見(jiàn)表5。

1.3.2 Wisk-Cora

Cora由美國(guó)Wisk公司（由Beoing公司和KittyHawk公司合資成立）研制，并獲得了Google公司合伙人拉里佩奇的融資。Cora原型機(jī)于2018年3月13日實(shí)現(xiàn)首飛。Cora原型機(jī)如圖6所示，Cora主要特性信息見(jiàn)表6。

1.4典型多旋翼型eVTOL飛行器分析

1.4.1Airbus-CityAirbus

CityAirbus驗(yàn)證機(jī)是空客公司于2015年啟動(dòng)的，專為城市空中交通而設(shè)計(jì)的多乘員、自主無(wú)人駕駛的電動(dòng)垂直起降飛行器。CityAirbus驗(yàn)證機(jī)于2018年開(kāi)展地面測(cè)試， 2019年5月實(shí)現(xiàn)無(wú)人首飛，計(jì)劃2023年完成取證并投向市場(chǎng)。CityAirbus原型機(jī)如圖7所示，CityAirbus主要特性信息見(jiàn)表7。

1.4.2 EHang-216

EHang-216由位于廣州的億航智能公司于2018年2月發(fā)布，已在美國(guó)、荷蘭、卡塔爾等國(guó)以及中國(guó)的廣州、煙臺(tái)等地進(jìn)行過(guò)多次無(wú)人及有人飛行，并獲得了美國(guó)聯(lián)邦航空局、挪威民航局、中國(guó)民用航空局、加拿大交通部4個(gè)國(guó)家航空監(jiān)管機(jī)構(gòu)頒發(fā)的特許飛行運(yùn)行許可證。Ehang-216原型機(jī)如圖8所示，EHang-216主要特性信息見(jiàn)表8。

1.4.3 Volocopter-VoloCity

德國(guó)VoloCity是當(dāng)今世界上最引人注目的電動(dòng)垂直起降飛行器之一，它擁有18個(gè)螺旋槳，全部呈圓形對(duì)稱布局。自2011起，已累計(jì)完成超過(guò)1000次的飛行測(cè)試。該型產(chǎn)品計(jì)劃按照歐洲航空安全局（EASA）于2019年發(fā)布的垂直起降飛行器專用技術(shù)條件（SC-VTOL）取證，類別為增強(qiáng)型（Enhanced）[10]。VoloCity原型機(jī)如圖9所示，VoloCity主要特性信息見(jiàn)表9。

1.4.4 Lift-Hexa

Hexa由美國(guó)Lift Aircraft公司完成研制，該產(chǎn)品于2018年5月進(jìn)行首次飛行測(cè)試，同年11月完成有人飛行。產(chǎn)品按FAA的Powered Ultralight類型取證，因而無(wú)需飛行員駕照。Hexa原型機(jī)如圖10所示，Hexa主要特性信息見(jiàn)表10。

1.5不同類型eVTOL特點(diǎn)分析

從上述eVTOL飛行器信息來(lái)看，不同類別的eVTOL飛行器實(shí)現(xiàn)難易程度、飛行速度、航程和應(yīng)用場(chǎng)景都有所不同[2，11]。

（1）多旋翼型（Multi-copters）eVTOL飛行器包含三個(gè)以上（含）的旋翼，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)飛行控制，懸停飛行性能較好。由于飛行過(guò)程中并沒(méi)有采用氣動(dòng)力，因而其設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，但飛行速度慢、載荷小、航程短，僅適用城市內(nèi)短距離空運(yùn)。

（2）矢量推進(jìn)型（Tilt-X）eVTOL飛行器采用相同的推進(jìn)裝置，以可傾轉(zhuǎn)的方式兼顧懸停和巡航，在不同飛行階段采用不同的推進(jìn)方式并存在過(guò)渡過(guò)程，因而增加了總體設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。但是矢量推進(jìn)型（Tilt-X）可實(shí)現(xiàn)更高的飛行速度和更遠(yuǎn)的航程。

（3）升力與巡航復(fù)合型（Lift+Cruise）eVTOL飛行器融合了固定翼和旋翼飛行器的特征，機(jī)翼的設(shè)計(jì)有利于提升航程，旋翼則便于實(shí)現(xiàn)垂直起降。其推進(jìn)裝置各不相同、分開(kāi)設(shè)計(jì)，總體性能介于多旋翼型和矢量推進(jìn)型之間。三種構(gòu)型的綜合對(duì)比見(jiàn)表11。

2關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）總體構(gòu)型選擇與多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)

eVTOL總體上存在上述三種布局形式：多旋翼型、矢量推進(jìn)型、升力與巡航復(fù)合型，且為了提升飛行器綜合性能，降低噪聲水平，提高安全性，普遍采用了分布式電推進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)，使得eVTOL的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)飛行器設(shè)計(jì)思路完全不同[11]。結(jié)合任務(wù)使命和性能需求，在方案設(shè)計(jì)初期需要開(kāi)展總體構(gòu)型上的權(quán)衡分析及參數(shù)設(shè)計(jì)；綜合考慮氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、能源、電機(jī)及螺旋槳、適航等設(shè)計(jì)因素，以提升有效載荷，降低運(yùn)營(yíng)成本，確保飛行安全為目標(biāo)，開(kāi)展多學(xué)科分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[12-13]，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、推進(jìn)、飛控和性能的最佳優(yōu)化組合。

（2）自主飛行控制技術(shù)

eVTOL的商業(yè)化前景很大程度上取決于無(wú)人駕駛技術(shù)的發(fā)展。一方面，對(duì)于座位數(shù)有限的eVTOL來(lái)說(shuō)，配置駕駛員會(huì)顯著降低運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性；另一方面，eVTOL駕駛員培訓(xùn)和執(zhí)照管理也顯著影響其商業(yè)化進(jìn)程。因而eVTOL需要實(shí)現(xiàn)自主飛行控制，其主要研究?jī)?nèi)容包括：（1）冗余、多功能操縱面的控制分配與重構(gòu)；（2）基于人工智能的自主飛行控制和應(yīng)急著陸控制。其難點(diǎn)主要表現(xiàn)在其飛行區(qū)域（以城市上空為主）相對(duì)常規(guī)飛行器而言約束更多、對(duì)自動(dòng)駕駛的等級(jí)要求也更高。

（3）態(tài)勢(shì)感知與避障技術(shù)

由于eVTOL多是在人口密集、環(huán)境復(fù)雜的城市上空運(yùn)營(yíng)，在此飛行區(qū)域?qū)崿F(xiàn)快速、安全自主飛行，其感知并規(guī)避周圍危險(xiǎn)的能力顯得尤為重要，主要包括空間復(fù)雜環(huán)境下的多障礙物探測(cè)（如鳥(niǎo)、無(wú)人機(jī)、電塔等）和分類、障礙物定位及路徑預(yù)測(cè)與碰撞風(fēng)險(xiǎn)分析、避障策略選擇和航線重新規(guī)劃等技術(shù)。這涉及了感知傳感器構(gòu)型設(shè)計(jì)、多源信息融合、智能目標(biāo)識(shí)別、障礙物危險(xiǎn)評(píng)估與避障決策等諸多領(lǐng)域，同時(shí)還與空域管理、飛行安全規(guī)劃等政策法規(guī)相關(guān)，需要開(kāi)展專項(xiàng)研究。

3 eVTOL發(fā)展展望

3.1發(fā)展路線圖

結(jié)合德勤（Deloitte）對(duì)eVTOL行業(yè)未來(lái)發(fā)展態(tài)勢(shì)的分析，考慮到相關(guān)技術(shù)、適航等因素，提出從2020開(kāi)始到2030后eVTOL的發(fā)展路線，如圖11所示[14]。

依據(jù)eVTOL載人飛行的成熟度，按照載客和載貨（其運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)相比載客運(yùn)行要低）兩種運(yùn)營(yíng)使用模式，可分為三個(gè)階段：（1）2020—2025年，實(shí)施客運(yùn)型eVTOL的原型機(jī)測(cè)試與驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)型eVTOL的商業(yè)化運(yùn)行；（2）2025—2030年，通過(guò)貨運(yùn)型商用鋪路，實(shí)現(xiàn)有人駕駛客運(yùn)型eVTOL的商業(yè)化；（3）2030年后，依托有人駕駛客運(yùn)型eVTOL的商業(yè)化成功，伴隨民眾認(rèn)可度的顯著提升，開(kāi)展產(chǎn)品升級(jí)，實(shí)現(xiàn)eVTOL的無(wú)人駕駛飛行。

3.2主要挑戰(zhàn)

盡管eVTOL應(yīng)用前景廣闊，但在進(jìn)入大眾商業(yè)化市場(chǎng)之前，還面臨著如下幾個(gè)重大挑戰(zhàn)[15-16]。（1）技術(shù)成熟度：在能量及其管理、自主飛行控制、態(tài)勢(shì)感知與避障等技術(shù)領(lǐng)域還需進(jìn)一步提升；（2）適航規(guī)章：適航審定規(guī)章的制定及其符合性方法，以及解決如何運(yùn)營(yíng)的問(wèn)題（包括駕照、空域等）；（3）基礎(chǔ)設(shè)施：起降場(chǎng)地，?？俊⒊潆娂熬S修、應(yīng)用管理終端（基于Uber類似的應(yīng)用）的建立等；（4）空中交通管理：高效、安全、統(tǒng)一的空中交通管理（面對(duì)數(shù)量龐大的eVTOL飛行器）包括空域分配、航線管理等；（5）公眾認(rèn)可：一方面，其便捷性、經(jīng)濟(jì)性和安全性還有待時(shí)間的檢驗(yàn)；另一方面，對(duì)于自主飛行器，民眾在心理上短時(shí)間還難以接受。

4結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，eVTOL在城市空中交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注，在世界范圍內(nèi)也得到了一些大型公司（如Airbus、Boeing、Uber等），以及很多初創(chuàng)企業(yè)的立項(xiàng)研制，F(xiàn)AA和歐洲航空安全局（EASA）如今已收到不少eVTOL主制造商的適航申請(qǐng)，且EASA自2019年起已先后發(fā)布垂直起降飛行器的專用技術(shù)條件和符合性驗(yàn)證方法，為eVTOL進(jìn)入商業(yè)化提供了準(zhǔn)入證。此外，伴隨著無(wú)人自主飛控、態(tài)勢(shì)感知與避障等關(guān)鍵技術(shù)的突破和電池及能源等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，eVTOL自身的成功研制障礙會(huì)越來(lái)越少，但對(duì)于 eVTOL進(jìn)入大眾市場(chǎng)開(kāi)展廣泛的商業(yè)運(yùn)營(yíng)服務(wù)，還需結(jié)合城市空中交通運(yùn)輸整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃和建設(shè)，應(yīng)對(duì)配套基礎(chǔ)設(shè)施、空中交通管理等方面面臨的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)eVTOL產(chǎn)業(yè)的安全、環(huán)保、高效和可持續(xù)發(fā)展。

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Research on Development Status of eVTOL

Du Wei，Sun Na

China Special Vehicle Research Institute，Jinmen 448000，China

Abstract： Aiming at the rapid development of electric Vertical Take-Off and Landing（eVTOL） aircraft in urban air transportation in recent years， the main eVTOL aircraft projects under development worldwide in the past five years are introduced， from the layout of the aircraft， overall parameters， propulsion types， and flight control levels are summarized and the comparison of different configuration is analyzed. Moreover， the main key technologies covered by eVTOL as a special aircraft in the product realization process are sorted out. The future development route of eVTOL is proposed and the main challenges during its commercial development are also pointed out.

Key Words： eVTOL aircraft； UAM； vectored propulsion； collision avoidance； autonomous flight