無人機油電混合動力系統(tǒng)（五）

符長青

本文闡述電動垂直起降飛行器的概念，并對電動垂直起降飛行器的市場定位、優(yōu)勢、主要技術(shù)難點進行分析。

電動垂直起降飛行器（eVTOL）以電能作為推進系統(tǒng)的全部或部分能源，具有垂直起降和低噪聲等優(yōu)勢，起降無須跑道。它的出現(xiàn)和應(yīng)用，將開啟航空領(lǐng)域的新一輪創(chuàng)新與變革熱潮，推動航空技術(shù)和綠色航空創(chuàng)新發(fā)展，將對世界航空業(yè)產(chǎn)生革命性影響。其成熟技術(shù)和廣泛應(yīng)用將成為人類社會進入無人機新時代的主要標(biāo)志。

電動垂直起降飛行器的基本概念

2016年10月，美國優(yōu)步公司（Uber）發(fā)布《快速進入城市空中交通白皮書》，提出電動垂直起降飛行器和城市空中交通的概念。優(yōu)步公司指出，正如摩天大樓能更有效地利用有限的城市土地一樣，城市空中交通將利用三維空間緩解地面交通的擁堵，同時，基于電動垂直起降飛行器構(gòu)成的交通網(wǎng)絡(luò)，未來有望在郊區(qū)和城市之間，并最終在市區(qū)內(nèi)實現(xiàn)快速運營而可靠的交通網(wǎng)絡(luò)。該白皮書詳細(xì)介紹了城市空中交通的應(yīng)用前景、應(yīng)用模式和技術(shù)規(guī)劃等內(nèi)容。優(yōu)步公司以互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的思維和風(fēng)格，憑借強大的號召力和雄厚的資本，迅速在全球范圍內(nèi)掀起了面向城市空中交通應(yīng)用的電動垂直起降飛行器的投資和研發(fā)熱潮。

2018年11月，美國航空航天局（NASA）發(fā)布《城市空中交通發(fā)展報告》。該報告由多家研究機構(gòu)聯(lián)合撰寫，將城市空中交通概念定義為：基于載人飛行器和無人機系統(tǒng)的安全、高效城市交通運營方式，提出了末端配送、空中巴士和空中出租車等典型且最具挑戰(zhàn)性的城市空中運輸模式和交通工具。

電動垂直起降飛行器發(fā)展概況

電動垂直起降飛行器技術(shù)和城市空中運輸（UAM）市場的發(fā)展如火如荼，歐洲空客公司、美國波音公司和巴西航空工業(yè)公司等老牌飛機制造商正在加大電動垂直起降飛行器等非傳統(tǒng)飛行器的研發(fā)投入。與此同時，豐田、戴姆勒、現(xiàn)代等汽車廠商也不甘落后，紛紛進軍電動垂直起降飛行器市場，而許多新的初創(chuàng)公司推出了令人震驚的創(chuàng)新設(shè)計，旨在與大型飛機制造商在新的領(lǐng)域展開競爭。

眾多科技公司都在緊鑼密鼓地開發(fā)電動垂直起降飛行器，尋找各種渠道募集資金，同時開展一系列載人試飛。例如，總部位于美國加州的喬比航空公司（Joby Aviation）與特殊目的收購公司（SPAC）合并上市后，其市值接近60億美元。除此之外，美國阿奇爾（Archer）、英國垂直宇航（Vertical Aerospace）、德國百合花（Lilium）和日本“天空驅(qū)動”（Skydrive）等公司也專注電動垂直起降飛行器開發(fā)。

其實，最早研制載人電動飛機的國家是德國，1973年，全球首架載人電動固定翼飛機在德國成功試飛。最早開發(fā)電動垂直起降飛行器的國家也是德國，2011年10月21日，世界第一架載人電動垂直起降多旋翼飛行器載人后首次離地，它是德國卡爾斯魯厄大學(xué)研究團隊研制的VC-1驗證機（見圖1），該項目團隊后來發(fā)展為沃洛考普特公司（Volocopter），成為電動垂直起降飛行器行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)之一，該公司電動垂直起降飛行適航審定工作取得了較大進展。目前，有些電動垂直起降飛行器制造商的驗證機已經(jīng)試飛，但大部分公司仍處于探索階段。

雖然電動垂直起降飛行器行業(yè)目前處于發(fā)展初期，但它的預(yù)期市場規(guī)模卻非?？捎^。其中，最有發(fā)展?jié)摿Φ氖袌鍪侨澜缟逃糜蛣又鄙龣C的替代品。這些油動直升機價格貴，噪聲大，而電動垂直起降飛行器噪聲非常低，且運營成本比直升機低30%。國際知名商業(yè)咨詢機構(gòu)研究與市場公司（Research and Markets）預(yù) 測：到2025年，電動垂直起降飛行器的市場規(guī)模將達到1.62億美元，到2030年達到4.11億美元，預(yù)測期間的復(fù)合年增長率（CAGR）為20.42%。

圖1 2011年10月21日，世界上第一架電動垂直起降飛行器首次載人試飛。

圖2 2009—2020年電動垂直起降飛行器銷售額。

風(fēng)險投資公司關(guān)注電動垂直起降飛行器的發(fā)展

長期來看，成熟的技術(shù)會降低零部件成本，應(yīng)用需求增長將推動電動垂直起降飛行器行業(yè)的發(fā)展。短期內(nèi)，政策驅(qū)動以及產(chǎn)業(yè)鏈的不斷完善，將為電動垂直起降飛行器發(fā)展提供巨大發(fā)展空間。

2018年12月，摩根斯坦利公司發(fā)布行業(yè)研究報告。該報告稱，電動垂直起降飛行器市場可達萬億美元。2020年1月，美國喬比航空公司及另外兩家公司在短短一個多月內(nèi)連續(xù)融資，說明行業(yè)發(fā)展達到一個階段性高峰。

從產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展看，雖然電動垂直起降飛行器產(chǎn)業(yè)仍然處在培育期，設(shè)計方案非常多。但是綜合考慮科技發(fā)展、環(huán)保追求、服務(wù)方式和經(jīng)濟效益等方面的要求，它已經(jīng)受到世界各國科技公司和全球投資者的廣泛關(guān)注。2009—2020年電動垂直起降飛行器銷售額詳見圖2，全球風(fēng)險投資公司近10年在電動垂直起降飛行器領(lǐng)域的投資金額詳見圖3。例如，2020年，13筆風(fēng)險投資投給了電動垂直起降飛行器制造商，總金額超過11億美元。其中，喬比航空公司和百合花公司獲得的資金占總投資額的85%。

電動垂直起降飛行器與飛行汽車的區(qū)別

19世紀(jì)80年代人類發(fā)明第一輛汽車。約20年后，美國萊特兄弟發(fā)明了第一架飛機。隨后，人們產(chǎn)生了將汽車和飛機概念結(jié)合起來的想法。飛行汽車是一種既能在地面道路上行駛，又能在空中飛行的陸空兩用交通工具。

圖3 在2009—2020年期間，全球風(fēng)險投資公司在電動垂直起降飛行器領(lǐng)域的投資金額。

1917年，飛機設(shè)計師和飛機制造企業(yè)家格林·寇蒂斯研制出世界第一個陸空兩用飛行汽車，并申請了專利。該飛行汽車采用分體式設(shè)計，機翼與車體可以分離。在空中飛行時，機翼和車體結(jié)合在一起，在地面道路行駛時，機翼和車體分開，只使用車體部分。

1986年，美國人莫爾·泰勒將現(xiàn)代汽車與航空技術(shù)珠聯(lián)璧合，制造出一種既能在地面行駛，又能在空中飛行的飛行汽車，并獲得有關(guān)政府部門簽發(fā)的飛行許可證。泰勒因此被人們譽為現(xiàn)代飛行汽車的先驅(qū)。但是，因該型飛行汽車的平直固定翼比車身寬5倍多，在公共道路上行駛或起降時，不僅會影響正常的交通秩序，而且車翼即飛行汽車的機翼向兩邊伸展張開時，會受到路旁障礙物的限制，很難真正投入實際應(yīng)用。因此，泰勒首創(chuàng)的飛行汽車只能成為試驗車。

另外，世界各國的交通法規(guī)都不允許包括飛行汽車在內(nèi)的載人飛行器直接在公共道路上起降。公路不是跑道，僅允許救護和警用直升機緊急迫降。因此，陸空兩用飛行汽車即使具備垂直起降能力，也不能在堵車時直接在公路上起降，而必須從專用起降場或機場起飛，這一規(guī)定使飛行汽車的應(yīng)用場景大打折扣。

一百多年來，人們已經(jīng)設(shè)計出上千種陸空兩用飛行汽車方案，絕大部分方案采用了固定翼布局設(shè)計，幾十個設(shè)計方案被造出原型機。但是，大多數(shù)設(shè)計方案都未獲得人們的認(rèn)可和推廣應(yīng)用，被束之高閣，只有個別設(shè)計方案獲得美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）特種輕型飛機（LSA）的適航證書，可以投入實際使用。

2016年10月，美國優(yōu)步公司推出的電動垂直起降飛行器概念與飛行汽車有很大不同，它屬于一種飛行器，與汽車沒有任何關(guān)系，在基礎(chǔ)技術(shù)、應(yīng)用場景、發(fā)展歷程、市場預(yù)期、資本關(guān)注度等各個方面與陸空兩用飛行汽車有著本質(zhì)區(qū)別。美國聯(lián)邦航空管理局、歐洲航空安全局（EASA）和中國民用航空局等部門頒發(fā)的規(guī)章從未使用飛行汽車來指代電動垂直起降飛行器。

在電動垂直起降飛行器發(fā)展初期，公眾并不了解它的概念?？赡苁谴蟊娒襟w和電動垂直起降飛行器行業(yè)為了吸引關(guān)注度，習(xí)慣使用飛行汽車來指代電動垂直起降飛行器，從而引起誤導(dǎo)。

電動垂直起降飛行器利用垂直起降等優(yōu)勢，可從城市內(nèi)設(shè)在大樓屋頂?shù)钠鸾祱龃怪逼痫w，在空中飛行，避開地面交通擁堵，直達目的地。因此，垂直起降和低噪聲就是應(yīng)用剛需，航程則不是最重要的設(shè)計指標(biāo)要求，至于汽車的地面行駛功能，完全沒有必要考慮。與傳統(tǒng)油動直升機等旋翼飛行器相比，電動垂直起降飛行器具有運營成本更低、噪聲更小、安全冗余度高和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。

電動垂直起降飛行器有兩項最基本技術(shù)要求，一是動力裝置應(yīng)全部或部分采用電動系統(tǒng)（電動或混合動力）；二是氣動布局采用具有旋翼的飛行器構(gòu)型，以實現(xiàn)垂直起降。

電動垂直起降飛行器的市場定位

面對當(dāng)前電動垂直起降飛行器高潮迭起的發(fā)展形勢，制造商既要做好市場預(yù)測，又要破解各種技術(shù)難點。企業(yè)準(zhǔn)確地預(yù)測市場，可以少走“錯路”，而全面的技術(shù)發(fā)展預(yù)測可以讓企業(yè)少走“彎路”。

電動垂直起降飛行器的主要市場定位是，作為一種飛行出租車和家庭用飛行小汽車，以及傳統(tǒng)商用直升機的替代產(chǎn)品，最終變成一種經(jīng)濟、高效、快捷的中短途交通工具。例如，對于20~250km的出行距離，電動垂直起降飛行器可替代小汽車，緩解大城市和核心區(qū)的地面交通擁擠。

電動垂直起降飛行器實質(zhì)上是一架新型多用途無人機，可以根據(jù)應(yīng)用需求，搭載不同的任務(wù)載荷完成不同的任務(wù)。除作為飛行出租車外，電動垂直起降飛行器還可用作家庭飛行小汽車，并廣泛應(yīng)用于貨運、消防滅火、應(yīng)急救援、農(nóng)林植保等領(lǐng)域。

電動垂直起降飛行器的優(yōu)勢

（1）大幅縮短旅程時間

傳統(tǒng)民航客機的起降須要專門大型機場，使用流程比較復(fù)雜。對于同一段旅程的時間，電動垂直起降飛行器所花費的時間僅為傳統(tǒng)民航客機的十分之一。

（2）提高民眾的出行效率

在美國，特定距離的出行占到出行量的80%，這意味客運占據(jù)了運輸市場的大部分市場份額。電動垂直起降飛行器使用靈活方便，有望成為廣大民眾的私人交通工具，從而大幅提升民眾的出行效率。

圖4 電動垂直起降飛行器可緩解地面交通擁擠。

（3）市場前景十分廣闊

電動垂直起降飛行器能有效解決當(dāng)前城市交通擁堵問題，打造全新的交通體系，其市場規(guī)模比私人飛機更大。

雖然電動垂直起降飛行器目前處在風(fēng)口發(fā)展期。但是，從解決大城市擁堵、提供更加高效的出行模式看，它是一個比較好的選擇。當(dāng)然，在商業(yè)化發(fā)展進程中，電動垂直起降飛行器會面臨航程較短、起降能耗較高、監(jiān)管政策和空域管轄嚴(yán)格等多種問題。而這些問題無論在技術(shù)層面，還是政策層面，并非完全不可解決。例如，道路上行駛的電動汽車，與10年甚至5年前的項目相比，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生天差地別的變化。核心技術(shù)突破和工程手段都能盡力彌補技術(shù)缺陷。我們相信，在不遠的將來，電動垂直起降飛行器有望實現(xiàn)規(guī)模化運營，雖然在規(guī)?；\營之前，業(yè)界要付出較大的努力。

電動垂直起降飛行器的主要技術(shù)難點

電動垂直起降飛行器包括動力、飛行控制與導(dǎo)航、航電、通信等核心分系統(tǒng)。當(dāng)前，每一個分系統(tǒng)都面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。本文僅介紹和討論動力系統(tǒng)的問題。

電池技術(shù)是一項偉大的發(fā)明，擁有精彩而悠久的歷史。1749年，電池由美國發(fā)明家本杰明·富蘭克林首次使用。那時，他使用一組串聯(lián)電容器進行電學(xué)實驗，用稀硫酸作電解液，解決了電池極化問題，制造出第一個不極化，且能保持平衡電流的鋅—銅電池，該電池又稱“丹尼爾電池”。目前，隨著電動汽車、電動列車、電動自行車等地面電動交通工具的發(fā)展和普及，人們把為電動交通工具提供動力能源的電池稱為動力電池。動力電池包括鉛酸電池、鎳氫電池以及鋰電池等類型。

在電動垂直起降飛行器發(fā)展過程中，動力電池技術(shù)是目前急須解決的重大技術(shù)難題。盡管電動汽車的動力電池技術(shù)已經(jīng)取得很大突破，但是電動垂直起降飛行器對電池的要求卻與電動汽車和小型無人機不同。電動垂直起降飛行器要求最大起飛重量不能太大，電池應(yīng)有足夠長的供電時間，滿足起降階段須要的高功率密度要求，以及保證較長的續(xù)航時間；另一方面，電動垂直起降飛行器在空中飛行時，無法像汽車一樣隨時制動，因此動力電池應(yīng)具有高可靠性和冗余配置，即使電池模塊發(fā)生失效或者故障，電池所提供的電力也能支撐飛行器安全降落。在安全性方面，電動垂直起降飛行器對電池系統(tǒng)有著近乎苛刻的要求。盡管目前地面行駛的電動汽車已經(jīng)進入大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用，但電動垂直起降飛行器的動力電池發(fā)展才剛剛起步。