飛行從未止步電動垂直起降飛行器再續(xù)新篇

飛，或許是不同地域、不同時代人類共有的夢想。

因為向往飛，所以有神話小說里的騰云駕霧；因為追尋飛，所以有萊特兄弟和其他飛行先驅的創(chuàng)造；因為想飛得快，所以有發(fā)動機的推陳出新；因為想飛到更廣闊的天地，所以有火箭和航天飛機。

飛行場景的壁畫

如今，交通的擁堵引發(fā)了人們對航空器進入日常城市城際通勤領域的向往。目前，雖然各類飛機已遍及世界各大洲天空，但噴氣式飛機不適用短途日常飛行，而直升機噪音大、運行成本高等問題也限制了其作為一種日常交通工具在民用領域推廣，主要應用場景局限于軍事和特種任務，而非城市通勤。

城市和居民渴望使用便利、噪音低、維護方便、使用成本低、智能化并且環(huán)保的飛行器實現(xiàn)更自由更有效率的出行，于是，電動垂直起降飛行器為代表的次時代飛行器應運而生。

次時代飛行器的快速發(fā)展之路

2011 年， 世界直升機巨頭意大利AugustWestland發(fā)布的一款名為“零點項目”的原型機，電動垂直起降飛行器概念源首次以實際產(chǎn)品的形式被提出。

該機用于驗證全電力驅動、全新推進模式等一系列先進技術和設計理念。經(jīng)過這次嘗試，航空業(yè)開始意識到已有近百年歷史的直升機在民用領域還有巨大的改進空間，新一代飛行器在能源類型、結構設計和控制系統(tǒng)等層面的革新所產(chǎn)生的化學反應，足以對人類的出行和生活方式產(chǎn)生巨大影響。

Uber空中出租車

2014年，美國直升機國際協(xié)會、美國航空宇航協(xié)會在弗吉尼亞大會上正式將電動垂直起降飛行器概念引入。由于對行業(yè)的熟悉及判斷，全球范圍內傳統(tǒng)航空企業(yè)和造機新勢力開始啟動電動垂直起降飛行器項目的研究。

2016年，出行巨頭Uber提出的“Uber Elevate”空中出租車計劃，直接在歐美市場引發(fā)了電動垂直起降飛行器浪潮。在此之前，如果生產(chǎn)端企業(yè)入局或許還不足以說明電動垂直起降飛行器的巨大商業(yè)潛力，應用端企業(yè)入局，這場“出行革命”的關注者擴大至政府機構、投資者和普通民眾。

此時，已有超過70年歷史的垂直飛行協(xié)會也意識到，隨著電池和電源管理、電動機、輕型復合材料結構、電傳飛控等關鍵技術的發(fā)展，電動垂直起降飛行器技術具有引發(fā)新一次航空革命的潛力。垂直飛行協(xié)會將電動垂直起降飛行器技術定義為75年前直升機誕生以來航空業(yè)最重要的技術變革之一。

2017年，由垂直飛行協(xié)會編制的第一份電動垂直起降飛行器飛機目錄對外發(fā)布，希望通過相關工作，幫助業(yè)內的公司、研究人員和政府機構，共同突破技術、法規(guī)、基礎設施、交通管理和安全性等問題在內的諸多商業(yè)障礙。

2019年，歐洲航空安全局（European Aviation Safety Agency，EASA）發(fā)布了全新的航空管理規(guī)定，應用于小型電動垂直起降飛行器認證。其后持續(xù)發(fā)布相關規(guī)定拓展和細化相關要求，為新型飛行器建立更加適用的全新監(jiān)管框架。而美國聯(lián)邦航空局正在對其航空法規(guī)小型飛機認證部分進行修訂，允許飛機、發(fā)動機和螺旋槳作為一個整體進行認證，這使得推進系統(tǒng)和機體高度集成的VTOL設計理念受到了法律層面的支持。

至此，電動垂直起降飛行器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的外部條件逐漸完善，而行業(yè)內部在經(jīng)歷了早期的有無駕駛員、專業(yè)研發(fā)與隨意創(chuàng)新、適航及安全標準等技術和商業(yè)層面的爭論之后，也逐漸達成了有駕駛員、高安全標準和以城市空中運輸（UAM）為主要應用目標的電動垂直起降飛行器發(fā)展共識。

電動垂直起降飛行器產(chǎn)業(yè)快速生長，垂直飛行協(xié)會發(fā)布的電動垂直起降飛行器飛機目錄所收錄的產(chǎn)品已由最初的6個激增到接近300個。涌現(xiàn)出JobyAviation、Archer、Volocopter、Lilium、Beta等活躍在科技領域的一系列明星電動垂直起降飛行器公司和產(chǎn)品。

東風漸起，中國電動垂直起降飛行器展翅

全球電動垂直起降飛行器熱鬧非凡，中國市場也同樣是電動垂直起降飛行器發(fā)展的熱土。

在市場需求層面，相較于發(fā)達國家，中國重點城市的人口聚集效應更加顯著。根據(jù)中國城市規(guī)劃研究院發(fā)布的《中國主要城市通勤監(jiān)測報告》，處于超過1小時極端通勤狀況的人口大于2500萬，人們對便捷交通的需求較西方更加旺盛。

在技術層面，近幾年來，汽車產(chǎn)業(yè)全面向新能源轉型風潮推動上游能源系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，而使航空分布式電力推進技術（DEP）成為可能且趨于成熟。

在政策層面，考慮到電動垂直起降飛行器產(chǎn)業(yè)作為能創(chuàng)造綠色GDP的新興制造產(chǎn)業(yè)和緩解城市擁堵病的未來解決方案，中國的相關管理部門也展現(xiàn)出了積極開放的態(tài)度，湖南、安徽等省份率先嘗試推動低空域完全開放。

VOLANT eVTOL縮比樣機

此外，隨著ARJ21、C919 以及CR929、新舟系列等一批國家重大民機項目的開展，中國航空制造業(yè)取得了長足進步，人才儲備和航空供應鏈的支撐能力也不可同日而語。

此背景下，在這一條新賽道，中國電動垂直起降飛行器飛機技術企業(yè)正與歐美發(fā)達國家企業(yè)齊頭并進，以VOLANT沃蘭特為代表的高科技初創(chuàng)公司應運而生。

不同于諸多領域中國企業(yè)的“市場先行，技術補課”傳統(tǒng)發(fā)展思路，航空業(yè)作為高度監(jiān)管的行業(yè)，對于市場準入有著嚴格的要求，世界各國監(jiān)管當局代表公眾利益，對任何從業(yè)者，無論是央企還是初創(chuàng)公司都不會降低標準。這就使得沒有充足技術能力支撐的市場先行一定會變成無法交付的不可行，而技術補課的代價也高昂到絕大部分企業(yè)甚至整個行業(yè)都難以承受。

VOLANT團隊主要來自中國商飛、中航工業(yè)、通用電氣、柯林斯宇航等國內外頂尖航空企業(yè)，大多數(shù)具有國內國際航空名校碩士及以上專業(yè)背景，各專業(yè)負責人經(jīng)過平均10多年的ARJ21、C919、Bombardier C Series等重大型號研制的鍛煉，對航空業(yè)的規(guī)律和航空產(chǎn)品的研制具有深刻的理解。

VOLANT在成立后短短兩個半月內完成了1：3縮比樣機的研發(fā)制造，并順利完成了旋翼試飛，前后向轉換試飛和固定翼試飛工作，展現(xiàn)了扎實的技術功底和強大靈活的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)調能力。

東風漸起，中國電動垂直起降飛行器展翅

與3年～5年前的歐美市場相似，未來幾年，中國電動垂直起降飛行器產(chǎn)業(yè)一定會面對許多挑戰(zhàn)和紛爭，然而，中國的電動垂直起降飛行器行業(yè)能否健康發(fā)展，企業(yè)能否成長壯大，有賴于政府和監(jiān)管當局的支持，資本的支撐，更取決于從業(yè)者對行業(yè)和市場的理解，對競爭的態(tài)度，對科學與專業(yè)的尊重，以及對一系列重大問題的抉擇，比如適航路徑和飛機等級的選擇，飛機和動力構型的選擇，以及要不要可操縱飛機的駕駛員等。

適航路徑和飛機等級的選擇本質上是一個商業(yè)問題，而不是一個技術性問題。

根據(jù)CCAR21部民用航空產(chǎn)品和零部件合格審定規(guī)定第七章第21.171、21.175條和第八章的規(guī)定，有三種不同的情形可以允許航空器飛行：取得標準適航證，取得特殊適航證，或者取得特許飛行證，每種情形對應完全不同的要求和限制，從而決定了其用途和商業(yè)前景。

標準適航證頒發(fā)給按照規(guī)定取得21.21條型號合格證或者21.29條型號認可證的正常類、實用類、特技類、通勤類、運輸類航空器，載人自由氣球，特殊類別航空器（如滑翔機、飛艇、甚輕型飛機和其他非常規(guī)航空器）。取得標準適航證是實現(xiàn)商業(yè)載客運行的基礎條件。

特殊適航證頒發(fā)給上一條規(guī)定之外的，取得第21.24條、第21.25條或者第21.26條的型號合格證或者第21.29條的型號認可證的初級類、限用類、輕型運動類航空器，以及局方同意的其他情況，特殊適航證分為初級類、限用類和輕型運動類三類。航空器取得特殊適航證后，不得從事商業(yè)性載客運行，并且應當在局方規(guī)定的限制條件下進行，通常應避開空中交通繁忙的區(qū)域、人口稠密地區(qū)以及可能對公眾安全造成危害的區(qū)域。

貝爾 X-22A，1966年3月17日首飛

而對尚未取得適航證的飛機，包括試驗類飛機，可以依據(jù)21.212條申請?zhí)卦S飛行證。取得特許飛行證的航空器不得用于以營利為目的的運輸或者作業(yè)飛行，應當避開空中交通繁忙的區(qū)域、人口稠密地區(qū)以及可能對公眾安全造成危害的區(qū)域。

因此，如果以UAM市場為目標，在城市等人員密集區(qū)運行，或者是商業(yè)載客運行，按高標準研制并取得標準適航證是唯一可行的路徑。輕型運動類，初級類，試驗類飛行器，甚至一些按較低標準研制的標準適航證飛機，雖然可能研制難度較低，取證也較為容易，但在現(xiàn)行管理框架下低等級飛機無法也不應該進入真正的UAM市場。

飛機和動力系統(tǒng)構型是電動垂直起降飛行器飛機最直觀也是最重要的區(qū)別之一。不同的選項意味著在安全性、性能，優(yōu)化空間，適航風險，開發(fā)成本，研制及進入市場時間等方面的巨大差異，每家電動垂直起降飛行器企業(yè)應該基于對市場和技術的理解，結合公司自身的情況審慎決策。

傾轉翼是一種歷史悠久的技術，起源于20世紀五六十年代，經(jīng)過多年發(fā)展，20世紀80年代末成功應用于貝爾-波音V-22 Osprey多任務飛機，累計生產(chǎn)了400余架，但由于操縱復雜，維護要求高，安全記錄不佳，累計發(fā)生了12起全損事故，42人喪生。

近年來，Joby Aviation和Bell基于他們自身技術積累選擇再次嘗試將傾轉翼構型 Tilt-X引入民用領域，其中Bell Nexus的設計與其上世紀60年代研制的X-22A非常相似。傾轉翼不需要專用推力系統(tǒng)，重量較輕，推力較大，由此可以獲得較遠的航程，較快的飛行速度。

然而，在目前能源系統(tǒng)約束下，固定翼電動垂直起降飛行器航程在150千米～350千米之間，傾轉翼技術航程遠，航速快的優(yōu)勢無法得到有效發(fā)揮。

另一方面，傾轉翼復雜的控制，額外的傾轉機構和更高的維護要求，以及更加難以優(yōu)化的動力系統(tǒng)，對研制、運行、安全方面帶來了一系列難以解決的挑戰(zhàn)，對于沒有相關技術積累的公司則意味著非常高的研制風險和成本，更難的適航驗證過程，更長的研制周期。因此，傾轉翼構型并不適合沒有深厚相關技術儲備的公司冒然作為主技術構型。

貝爾 Nexus

Volocopter采用了由18個獨立旋翼組成的多旋翼構型，這一構型技術風險和研制難度較低，相較于傳統(tǒng)直升機，大大簡化了機械結構，提高了安全性，降低了運行成本和噪音，適合對航空技術和行業(yè)不夠熟悉的企業(yè)作為起步和學習，但多旋翼構型在一定程度上沿襲了直升機飛行效率較低的缺點，所以航程較短、速度較慢、使用場景相對有限。

Volocopter的18旋翼結構

Lilium選擇的技術路線最為吸引眼球，除傾轉翼外，還使用了小尺寸電涵道風扇、完全矢量控制等技術，飛機由多達36個可傾轉小尺寸電涵道風扇提供升力、推力和姿態(tài)控制，完全取消了傳統(tǒng)飛機的控制舵面，極具未來感。

涵道風扇技術尤其是大尺寸涵道風扇廣泛應用于高亞音速飛機，在噪音隔離、故障包容、流場干擾等方面具有一定優(yōu)勢，在中低速飛機上卻因為重量、成本、效率等方面的劣勢，而鮮有使用。

推力矢量控制技術一般應用于追求高機動性的戰(zhàn)斗機上，是戰(zhàn)斗機超機動能力的重要來源，而無控制舵面的完全矢量控制技術卻未被任何飛機采用或者完全驗證過，這意味著巨大的研制，適航、安全、周期等方面風險，而且，對于民用飛機而言，安全性、舒適性和成本控制比超機動性更加重要。

總體而言，Lilium構型技術、適航、商業(yè)化風險非常大，且其主要技術特征對中短航程、低速、民用電動垂直起降飛行器的適用性需要深入研究和探討，更適合學校和軍用科研單位進一步研究。

Lilium的小型管道式風扇設計

復合翼構型雖然是在分布式電動力系統(tǒng)DEP后才出現(xiàn)的全新飛機構型，卻最大程度上保留了傳統(tǒng)固定翼飛機的特征，而且在此基礎上顯著提高了飛機的安全特性，這意味著優(yōu)良的技術性能，較低的研制風險和成本，局方熟悉的適航路徑和符合性方法，以及較快的研制速度，是當前技術市場條件下，最為平衡合理的選項，也是大部分具有深刻行業(yè)經(jīng)驗和洞見的公司包括中國VOLANT公司、美國Beta公司、巴西航空旗下的 EVE 公司、波音旗下的Aurora公司等不約而同的選擇，德國Volocopter和歐洲空中客車經(jīng)過多年摸索，也轉向了這一構型。

Beta（左）及VOLANT（右）水平和垂直旋翼的復合結構

至于是否需要飛行員，更合理的問題應該是“什么時候以及該如何實現(xiàn)安全的無駕駛員全自主飛行？”，這個問題本質上也是兩條截然不同的路線的選擇：一條路線是無人機載人化，甚至客運化。這條路線貌似捷徑，實則非常激進，技術障礙和管理風險巨大，雖然有企業(yè)嘗試參考低等級航空器進行適航和運行管理，但目前仍看不到可行的實現(xiàn)路徑，且即便得到低等級適航證，運行區(qū)域和應用場景也將極大受限，商業(yè)前景非常有限。

另一條路線是客運飛機全自主化，即在現(xiàn)有高等級民用航空系統(tǒng)基礎上，以及傳統(tǒng)航空產(chǎn)品研制規(guī)范和體系下，不斷探索，穩(wěn)步研發(fā)，逐步實現(xiàn)飛機的全自主飛行。

這條路線的完全實現(xiàn)樂觀估計需要10年～15年和多個中間步驟，第一步通過SVO等先進飛控和駕駛艙技術降低對飛行員的要求，再逐步完善各系統(tǒng)功能，過渡到僅需系統(tǒng)操作員或者安全監(jiān)督員，最后實現(xiàn)無操作員飛行。

該路線在技術方面面臨許多挑戰(zhàn)，其中包括：一是對外界環(huán)境及其變化的可靠探測及處置；二是對飛機各系統(tǒng)的健康狀態(tài)監(jiān)測、故障隔離和復雜處置；正是因為這些問題，當前民航飛機雖然具備完善的自動飛行系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)，各系統(tǒng)健康監(jiān)控能力，故障隔離處置能力也遠高于包括無人機在內的絕大多數(shù)行業(yè)，飛機功能也完全具有全程自動飛行能力，卻仍需配備兩名飛行員，且法規(guī)要求在關鍵飛行階段和某些情況下必須由飛行員操縱飛機。

與第一條路線相比，客運飛機全自主化貌似更加復雜艱難， 保守緩慢， 但VOLANT和當前幾乎所有主要歐美電動垂直起降飛行器企業(yè)（僅除Wisk 以外），F(xiàn)AA、EASA等監(jiān)管當局和美國國家航空航天局等權威科研機構一樣，堅定的相信這才是最終實現(xiàn)無駕駛員全自主飛行的正確且最快的道路。

電動垂直起降飛行器或將改變居民日常出行方式

國外電動垂直起降飛行器企業(yè)獲得資本青睞的同時，中國電動垂直起降飛行器企業(yè)的發(fā)展?jié)摿ν瑯右脖毁Y本所看好。

近日，VOLANT成立不到一個月就完成了數(shù)千萬種子輪融資，由順為資本領投，Ventech China跟投。該輪融資資金將用于全力推進全尺寸技術驗證機的研制工作、搭建專業(yè)完備、規(guī)模適當?shù)墓こ剃犖椤⒀邪l(fā)實驗樓、實驗設備及總裝試飛設施購置等。

順為資本對VOLANT的投資，表明對電動垂直起降飛行器未來投上了堅定支持的一票，順為資本認為：“順應時代和產(chǎn)業(yè)的趨勢的時候到了，當提前對城市空中交通展開布局。”

從更長的發(fā)展尺度來看，或許已有百年發(fā)展歷史的航空業(yè)也僅僅剛走過0～1的歷程，未來從1～N的發(fā)展道路上，電動垂直起降飛行器很可能成為使居民日常出行方式發(fā)生改變的重要節(jié)點。