電動垂直起降飛行器的發展現狀研究

杜偉 孫娜

摘要：近年來，電動垂直起降（eVTOL）飛行器在城市空運中得到快速發展。本文介紹了近5年來世界范圍內主要的在研電動垂直起降飛行器項目，從飛行器布局形式、總體設計參數、推進系統類型、飛行控制等級等方面進行了歸納和總結，分析了不同構型下相應電動垂直起降飛行器的主要特點，辨識了電動垂直起降飛行器作為一類特殊飛行器在產品實現過程中涵蓋的主要關鍵技術，提出了電動垂直起降飛行器未來的發展路線，并指出了其商業化發展所面臨的主要挑戰。

關鍵詞：電動垂直起降飛行器；城市空運；矢量推進；避障；自主飛行

中圖分類號：V272文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.11.001

近年來，隨著航空電機、電池、電傳飛控、復合材料結構等關鍵技術的快速發展，電動垂直起降（electric Vertical Take-Off and Landing，eVTOL）飛行器因其自身特點在城市空中交通（UAM）領域正迎來革命性的發展，其主要用于城市短距離空中旅客與貨物運輸，可有效緩解交通堵塞，減少交通時間，降低大氣污染[1-4]。

eVTOL區別于常規飛行器的主要技術特征有：（1）可實現垂直起降；（2）采用分布式推進；（3）運用全電/混合動力技術。與常規直升機相比，eVTOL的顯著優勢包括：低碳環保、噪聲低（采用電動推進）、自動化等級高（多為自主飛行）、運行成本低（簡化了結構及維修成本）、高安全性和可靠性。因此，eVTOL被看作是最具發展前景的、可作為城市空中交通運輸這個大眾市場的有效運載工具，近幾年來得到迅猛發展[5-6]。

1 eVTOL發展現狀分析

1.1 eVTOL分類

根據垂直飛行協會（VFS）的統計，截至2020年2月，世界范圍內共有253個eVTOL項目，將近188個eVTOL廠家[7]。根據eVTOL News網站（VFS主辦）的分類，eVTOL重點分為以下三類[8-9]。

（1）矢量推力型（Tilt-X）：在不同使用階段，通過改變推力方向，實現垂直起降和巡航。典型的例子如LiliumJet、Joby-S4等，該類eVTOL數量達到97個。

（2）升力+巡航型（Lift+Cruise）：升力和巡航用的螺旋槳是獨立的，分別實現垂直起降和巡航。典型的例子如Boeing-PAV、Wisk-Cora等，該類eVTOL數量達到97個。

（3）多旋翼型（Multi-copters）：無巡航用螺旋槳，完全通過控制多旋翼的升力大小實現飛行。典型的例子如Ehang-216、Volocity、LIFT-Hexa等，該類eVTOL數量達到119個（其中含46個單人可懸停飛行器、19個電動旋翼機）。

總的來看，三種類型的eVTOL數量大體相當，均達到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新中心（A3）于2016年初啟動的研究項目，原型機在2018年1月31日實現首飛，此后進行了一系列的驗證測試。僅在2019年，就測試飛行達130多次，累計飛行將近14h，最遠飛行距離將近50km，單次最長飛行時間將近20min。Vahana原型機如圖1所示。Vahana主要特性信息見表1。

1.2.2 Lilium-Jet

Jet由位于德國慕尼黑的Lilium公司研制，是一型電動5座垂直起降飛行器，其機翼上共布置12個可垂直偏轉的襟翼，每片襟翼上集成三個噴氣電動機。與傳統設計相比，Jet無需齒輪箱、螺旋槳和冷卻裝置。原型機已于2019年5月首飛，計劃2025年投入市場。Jet原型機如圖2所示，Jet主要特性信息見表2。

1.2.3 Bell-Nexus/6HX

Bell公司在2019年度國際消費類電子博覽會上公開了Nexus/6HX。該飛行器采用混合電推進，航程可達240km，主要用于城際空運。該項目的研制聯合了Moog、Thales、EPS、Safran、Garmin等全球知名供應商。Nexus/6HX原型機如圖3所示，Nexus/6HX主要特性信息見表3。

1.2.4 Joby-S4

美國Joby Aviation公司主要生產用于快速、安靜、廉價空中出租車服務的全電動垂直起降（eVTOL）飛行器。S4原型機已于2018年2月實現首飛，計劃2022年取得美國聯邦航空局（FAA）適航證，并于2023年進入商用。S4原型機如圖4所示，S4主要特性信息見表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Aurora Flight Sciences公司開發，于2017年11月被波音公司收購。PAV飛行器采用升力螺旋槳實現垂直起降，利用尾部推進螺旋槳實現向前飛行。該飛行器于2019年1月22日實現首飛。PAV原型機如圖5所示，PAV主要特性信息見表5。

1.3.2 Wisk-Cora

Cora由美國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原型機于2018年3月13日實現首飛。Cora原型機如圖6所示，Cora主要特性信息見表6。

1.4典型多旋翼型eVTOL飛行器分析

1.4.1Airbus-CityAirbus

CityAirbus驗證機是空客公司于2015年啟動的，專為城市空中交通而設計的多乘員、自主無人駕駛的電動垂直起降飛行器。CityAirbus驗證機于2018年開展地面測試， 2019年5月實現無人首飛，計劃2023年完成取證并投向市場。CityAirbus原型機如圖7所示，CityAirbus主要特性信息見表7。

1.4.2 EHang-216

EHang-216由位于廣州的億航智能公司于2018年2月發布，已在美國、荷蘭、卡塔爾等國以及中國的廣州、煙臺等地進行過多次無人及有人飛行，并獲得了美國聯邦航空局、挪威民航局、中國民用航空局、加拿大交通部4個國家航空監管機構頒發的特許飛行運行許可證。Ehang-216原型機如圖8所示，EHang-216主要特性信息見表8。

1.4.3 Volocopter-VoloCity

德國VoloCity是當今世界上最引人注目的電動垂直起降飛行器之一，它擁有18個螺旋槳，全部呈圓形對稱布局。自2011起，已累計完成超過1000次的飛行測試。該型產品計劃按照歐洲航空安全局（EASA）于2019年發布的垂直起降飛行器專用技術條件（SC-VTOL）取證，類別為增強型（Enhanced）[10]。VoloCity原型機如圖9所示，VoloCity主要特性信息見表9。

1.4.4 Lift-Hexa

Hexa由美國Lift Aircraft公司完成研制，該產品于2018年5月進行首次飛行測試，同年11月完成有人飛行。產品按FAA的Powered Ultralight類型取證，因而無需飛行員駕照。Hexa原型機如圖10所示，Hexa主要特性信息見表10。

1.5不同類型eVTOL特點分析

從上述eVTOL飛行器信息來看，不同類別的eVTOL飛行器實現難易程度、飛行速度、航程和應用場景都有所不同[2，11]。

（1）多旋翼型（Multi-copters）eVTOL飛行器包含三個以上（含）的旋翼，通過調節轉速實現飛行控制，懸停飛行性能較好。由于飛行過程中并沒有采用氣動力，因而其設計較為簡單，但飛行速度慢、載荷小、航程短，僅適用城市內短距離空運。

（2）矢量推進型（Tilt-X）eVTOL飛行器采用相同的推進裝置，以可傾轉的方式兼顧懸停和巡航，在不同飛行階段采用不同的推進方式并存在過渡過程，因而增加了總體設計的復雜性。但是矢量推進型（Tilt-X）可實現更高的飛行速度和更遠的航程。

（3）升力與巡航復合型（Lift+Cruise）eVTOL飛行器融合了固定翼和旋翼飛行器的特征，機翼的設計有利于提升航程，旋翼則便于實現垂直起降。其推進裝置各不相同、分開設計，總體性能介于多旋翼型和矢量推進型之間。三種構型的綜合對比見表11。

2關鍵技術分析

（1）總體構型選擇與多學科設計優化技術

eVTOL總體上存在上述三種布局形式：多旋翼型、矢量推進型、升力與巡航復合型，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設計技術，使得eVTOL的設計與傳統飛行器設計思路完全不同[11]。結合任務使命和性能需求，在方案設計初期需要開展總體構型上的權衡分析及參數設計；綜合考慮氣動、結構、能源、電機及螺旋槳、適航等設計因素，以提升有效載荷，降低運營成本，確保飛行安全為目標，開展多學科分析與優化設計[12-13]，實現氣動、結構、推進、飛控和性能的最佳優化組合。

（2）自主飛行控制技術

eVTOL的商業化前景很大程度上取決于無人駕駛技術的發展。一方面，對于座位數有限的eVTOL來說，配置駕駛員會顯著降低運營經濟性；另一方面，eVTOL駕駛員培訓和執照管理也顯著影響其商業化進程。因而eVTOL需要實現自主飛行控制，其主要研究內容包括：（1）冗余、多功能操縱面的控制分配與重構；（2）基于人工智能的自主飛行控制和應急著陸控制。其難點主要表現在其飛行區域（以城市上空為主）相對常規飛行器而言約束更多、對自動駕駛的等級要求也更高。

（3）態勢感知與避障技術

由于eVTOL多是在人口密集、環境復雜的城市上空運營，在此飛行區域實現快速、安全自主飛行，其感知并規避周圍危險的能力顯得尤為重要，主要包括空間復雜環境下的多障礙物探測（如鳥、無人機、電塔等）和分類、障礙物定位及路徑預測與碰撞風險分析、避障策略選擇和航線重新規劃等技術。這涉及了感知傳感器構型設計、多源信息融合、智能目標識別、障礙物危險評估與避障決策等諸多領域，同時還與空域管理、飛行安全規劃等政策法規相關，需要開展專項研究。

3 eVTOL發展展望

3.1發展路線圖

結合德勤（Deloitte）對eVTOL行業未來發展態勢的分析，考慮到相關技術、適航等因素，提出從2020開始到2030后eVTOL的發展路線，如圖11所示[14]。

依據eVTOL載人飛行的成熟度，按照載客和載貨（其運行風險相比載客運行要低）兩種運營使用模式，可分為三個階段：（1）2020—2025年，實施客運型eVTOL的原型機測試與驗證，實現貨運型eVTOL的商業化運行；（2）2025—2030年，通過貨運型商用鋪路，實現有人駕駛客運型eVTOL的商業化；（3）2030年后，依托有人駕駛客運型eVTOL的商業化成功，伴隨民眾認可度的顯著提升，開展產品升級，實現eVTOL的無人駕駛飛行。

3.2主要挑戰

盡管eVTOL應用前景廣闊，但在進入大眾商業化市場之前，還面臨著如下幾個重大挑戰[15-16]。（1）技術成熟度：在能量及其管理、自主飛行控制、態勢感知與避障等技術領域還需進一步提升；（2）適航規章：適航審定規章的制定及其符合性方法，以及解決如何運營的問題（包括駕照、空域等）；（3）基礎設施：起降場地，停靠、充電及維修、應用管理終端（基于Uber類似的應用）的建立等；（4）空中交通管理：高效、安全、統一的空中交通管理（面對數量龐大的eVTOL飛行器）包括空域分配、航線管理等；（5）公眾認可：一方面，其便捷性、經濟性和安全性還有待時間的檢驗；另一方面，對于自主飛行器，民眾在心理上短時間還難以接受。

4結束語

近年來，eVTOL在城市空中交通運輸領域的應用受到越來越多的關注，在世界范圍內也得到了一些大型公司（如Airbus、Boeing、Uber等），以及很多初創企業的立項研制，FAA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，且EASA自2019年起已先后發布垂直起降飛行器的專用技術條件和符合性驗證方法，為eVTOL進入商業化提供了準入證。此外，伴隨著無人自主飛控、態勢感知與避障等關鍵技術的突破和電池及能源等產業的發展，eVTOL自身的成功研制障礙會越來越少，但對于 eVTOL進入大眾市場開展廣泛的商業運營服務，還需結合城市空中交通運輸整個生態系統來進行統籌規劃和建設，應對配套基礎設施、空中交通管理等方面面臨的挑戰，實現eVTOL產業的安全、環保、高效和可持續發展。

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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