eVTOL飛行器的發展態勢與應用場景綜述

隨著世界主要大城市人口不斷增加，城市地面交通道路建設逐漸飽和，大都市圈及超級城市群內部的地鐵、輕軌因功能和覆蓋區域有限且投資成本巨大，現有的城市交通模式面臨極限，導致城市交通出行擁堵問題越來越嚴峻，已經影響到城市的運行效率、生活便利、環境保護等諸多領域，形勢的發展使得UAM（Urban Air Mobility，城市空中交通）概念及eVTOL（Electric Vertical Takeoff and Landing，電動垂直起降）飛行器應運而生，以解決日益嚴重的大城市交通擁堵問題，并推動航空業向低噪聲零排放轉型實現綠色發展，現已成為目前全球航空界的新興領域和最熱門的新賽道。

eVTOL基本概念

eVTOL是指以電力作為飛行動力來源且具備垂直起降功能的飛行器，具有垂直起降、智能操作、快捷機動、低成本、低噪音、零排放、易維護、高安全等特點，相對傳統飛行器相比，安全性、智能性、經濟性和環保性的優勢顯著，可使人和貨物以無縫、經濟的方式在城市低空快速流動與靈活作業，能高效開發城市低空空域資源，有效緩解日益嚴重的城市地面交通擁堵問題，并解決空中物資運輸和交通出行的迫切需求，大幅提升快捷及時、按需響應效率，順應了電氣化、綠色化、智能化的發展趨勢，是一種面向未來城市空中交通（UAM）場景、更符合未來城市綜合立體交通系統的飛行器形態，為超大城市、都市圈及城市群創造了新的通勤方式。

全球范圍內新興的eVTOL研制與開發種類繁多、形態各異，基于運行模式、整機構型、動力能源、設計載荷、目標客戶、適航認證等維度，可將主流eVTOL分成不同的類別。根據運行模式，eVTOL可分為有人駕駛和無人駕駛兩種類別，或者載人、載客及兼容載人載客三種類別。按照動力能源維度，eVTOL可分為全電動、混合動力兩大類，全電動類別包括鋰電池、氫燃料電池、太陽能電池三種，混合動力類別包括鋰電池+氫燃料電池、鋰電池+燃油兩種。按照整機構型維度，eVTOL可分為多旋翼型、矢量推進型、升力與巡航復合型、可變構型等四大類，其中矢量推進型包括傾轉旋翼、傾轉機翼、傾轉涵道三種。按照設計載荷維度，eVTOL可分為輕型（有效載荷100-200kg）、中型（有效載荷300-500kg）、重型（≥1000kg）三類。按照目標客戶維度，eVTOL可分為2B（商業運營類，指載人客運、載物貨運、低空旅游等）、2G（政府服務類，指城市管理、警務安防、國防軍事、應急救援等）、2C（私人飛行類，個人或家庭出行）。按照適航認證維度，eVTOL可分為基本型（需要在升力系統、機載設備等發生嚴重故障時，可控著陸，不能用于人口聚集區上飛行或商業運營）和增強型（需要在升力系統、機載設備等發生嚴重故障時，仍保證安全飛行，可用于人口聚集區上空飛行和商業運營）。

目前，對外公開的eVTOL項目主要面向城市的通勤市場，基于貨物運輸需求的項目占少部分，也有一些項目同時規劃有載人版和物流版。eVTOL的整體構型設計路線、機體氣動性、整體輕量化等，不同構型的整體構型，會產生不同的空中氣動阻力、起降效率、推進效率與飛行距離，主要體現為最大航程、巡航速度、飛行高度、乘客數量與最大載荷等效能參數不同，也就決定了eVTOL的運行模式、服務范圍與應用場景有異?；谕七M動力考量eVTOL可分為三大類：矢量推進型、升力與巡航復合型以及多旋翼型，其中矢量推力可以再細分為傾轉旋翼、傾轉機翼、傾轉涵道等類型（如表1所示）。

eVTOL普遍采用了分布式電推進設計技術，由于目前電池能量密度快速提升，全電動技術項目數量占比達66%，混合動力技術項目占比約為28%。目前，混合動力eVTOL更適合短途城際航線垂直起降模式，是城市空運市場從傳統動力飛機向全電動飛機發展的重要過渡。為加快符合適航審定與任務需求，部分全電項目轉向了混合動力技術。碳氫化合物燃料比電池儲存能量要好很多，而精心設計的混合動力eVTOL可能更清潔、安靜、運行成本更低。另外，無人機貨運方面也開展探索嘗試開發太陽能eVTOL。

eVTOL技術路線

eVTOL設計研發的技術路線主要依據預設的應用場景與目標市場，需要極高的技術研發實力與垂直集成能力，重點從飛行器氣動布局與總體構型角度進行抉擇與調整。在eVTOL這個全新的高科技賽道，不同的eVTOL研發機構采取不一樣的技術路線。根據全球現有的eVTOL開發情況，可以將其分為多旋翼構型、復合翼構型、傾轉構型、傾轉涵道風扇+完全矢量控制、隱藏式推進系統+無翼設計等5種技術路線（如圖1所示）。eVTOL制造商基于不同的技術路線，需要建立相應的研發體系、供應體系和生產體系，其研制能力涵蓋飛行機體、結構及強度、飛控核心算法、電氣系統、航空特性等設計能力，也包括整機總體集成設計、動力能源系統、航電飛控系統、適航性設計等工程能力。

圖1：eVTOL主流技術路線種類圖示

多旋翼型eVTOL雖然可靠性可能高于直升機，但有效載荷和航程都相對有限，所面對的應用場景也相對固定，在噪聲控制、地面損傷控制上尚無突破性解決方案，初創公司大多采用多旋翼型，或是eVTOL初創公司前期產品。傾轉構型eVTOL在綜合考慮航程、巡航速度和載重比方面優勢明顯，具有較好的有效載荷、最大起飛重量和運營經濟性，使其在未來商業場景中為用戶節約更多出行時間，但帶來了額外的技術挑戰。復合翼型受到了傳統航空企業的偏愛，由于配置了專用的水平推進螺旋槳，而不是垂直階段和水平階段共用一套螺旋槳，可以有效地提升巡航效率、航程和安全性。傾轉涵道風扇+完全矢量控制型由于在動力可靠性、噪聲控制、氣動效率上有可能獲得更優的平衡。盡管涵道風扇在懸停模式下效率稍高，但在巡航模式下會產生更多阻力。不同技術路線的eVTOL都具各自的特點、優勢、劣勢及代表機型（如表2所示）。此外，由于復合翼構型方案死重大飛控系統就簡單，傾轉方案死重小而飛控系統復雜，于是也設計了復合翼結合傾轉構型的綜合方案（“死重”指的是對當前的飛行沒有幫助，卻因為種種因素，必須攜帶的部件重量）。目前，很難判斷何種技術路線最佳，行業各參與方也尚未達成共識，復合翼方向兼顧實現可行性及先進性，傾旋翼方向更為先進，但實現的技術難度更大，今后也可能出現具有多種方案優點的新技術路線。

表2：不同技術路線eVTOL對比分析表

目前而言，各國近期推出的eVTOL項目傾轉構型機型最多，多旋翼構型最少，復合翼成為大部分行業龍頭公司的研發選擇。國外eVTOL制造商的技術方向總體而言比較一致，如Joby、Archer、Lilium和Vertical等公司都采用傾轉、傾轉涵道或傾轉旋翼的整體構型。在2021年通過SPAC方式上市的Joby Aviation、Lilium、Archer等公司，以及目前收到最多意向訂單的Vertical Aerospace等公司均采用了傾轉構型技術路線。最近兩年發布的eVTOL多為傾轉構型或復合翼構型，未來這兩種機型增長潛力最大。主打多旋翼構型的頭部企業Volocopter在深入研究和開發純多旋翼布局的2座VoloCity后，在2021年也推出了復合翼構型的VoloConnect。雖然復合翼構型的運營經濟性一般，但在eVTOL機型設計中是非常流行的配置，由于具有簡單性和多功能性的特點，eVTOL廠商廣泛采用該技術路線，以用于城市間出行或更遠距離的飛行任務。同時，當前不少多旋翼eVTOL廠商正在考慮使用升力+巡航構型以獲得高航程，例如億航智能之前的旗艦載人eVTOL是采用純多旋翼布局EH216，現在也開發2座升力+巡航構型技術方案的VT30。Embraer子公司Eve Urban Air Mobility的EVE均采用了此構型。對于短航程任務（7公里）而言，與多旋翼eVTOL相比，“升力+巡航”的復合翼及混合構型eVTOL的表現并不占優勢，但對于更長航程的任務，推力矢量構型eVTOL的表現最優。復合翼及傾轉旋翼機型在電池技術發展之后，續航里程會從100km擴展到300km，相對于多旋翼的優勢會更明顯，因此我們看到傳統的多旋翼eVTOL廠商也紛紛開始復合翼機型（含傾轉旋翼）的研發。

eVTOL發展態勢

當前，世界主要航空國家都在積極邁進eVTOL新賽道，以搶占未來城市低空智能交通的制高點。eVTOL飛機的研發進展可分為四個階段：概念設計、縮比驗證機測試（包括地面試驗、懸空試驗、起降試驗等）——全尺寸驗證機測試（包括飛行模式測試、飛行姿態測試、飛行懸停試飛等）——試制原型機試飛（本場試飛、轉場試飛、噪聲檢測、載人試飛載貨試飛、模擬場景測試等）。eVTOL的設計研發與測試驗證是一個復雜的系統工程，需要融合空氣動力學、飛行力學、結構力學、仿生學、材料學、計算機、控制理論等多門學科知識，涉及理論計算、仿真實驗、樣件試制、生產組裝、臺架實驗、靜力實驗、振動實驗、系留實驗、試飛實驗等多項技術工作，通過動力系統臺架試驗、飛機靜力試驗、飛發耐久試驗、半物理實物仿真試驗等大量的地面試驗，經過氣動性能、傾轉特性、操縱測試、組件測試、風洞測試、噪音測試等測試過程。當前，eVTOL的開發狀態（具體如圖2所示）總體上還處于從概念設計邁向商業化應用的早期階段。

據粗略統計，全球1/4的eVTOL項目處于飛行測試階段，50%左右的eVTOL項目處于概念設計階段，多旋翼技術和混合布局技術飛行測試項目占比較高，達30%以上。據2022年8月的美國垂直飛行協會（VFS）發布的最新統計，全球超過700個eVTOL設計研發項目，其中235個矢量推進構型布局，124個升力+矢量推進構型布局，195個多旋翼構型布局，103個為懸停自行車和個人飛行器，47個電動旋翼機設計，涉及全球48個國家的347家公司或創新機構。其中，主要分布的國家是美國（124個）、英國（24個）、中國（21個）、德國（19個）和加拿大（17個），占所有設計實體的近60%。從eVTOL項目的投資金額來看，2021年eVTOL項目的投資總額較2020年增加了一倍。據《2021年度亞太地區城市空中交通報告》，亞太地區14家eVTOL制造商中，有2家僅提出了概念機型，4家已完成縮比驗證機的測試，5家制造商已經發布了全尺寸的工程驗證機，僅有3家制造商進入了載人飛行測試階段。

圖2：全球eVTOL項目開發狀態分布圖（數據來源：VFS統計目錄）

eVTOL制造商追求的是飛行器更好的續航能力、航程、爬升性能及運行能效比，創造平穩安靜的飛行體驗，并通過航空監管部門的運行性能（包括飛行性能、飛行特性、載荷條件等）、機體性能（結構特性、組件性能等）、安全性能（動力失效保護、冗余備件系統設計、能源失能處置等）等合規性認證。eVTOL開發工程團隊需要通過建立先進的數字化開發體系，集成多學科仿真模型、驗證外形氣動效率和飛行控制邏輯，創建完善包括線路規劃、后勤維護、檢查放飛、安全保障的試飛體系，并搭建一定數量基礎的飛行測試及數據庫，在氣動構型、飛控系統、電機、新能源電池、通訊導航系統、整機輕量化設計、機身復合材料等方面進行不斷的優化改進與技術迭代，并達到工程設計與運行性能指標，最終設計定型和通過適航審定，才能投入市場銷售推廣與商業運營。

eVTOL作為新型飛行器，其電池、電機、驅動器、傾轉機構、控制策略、載荷工況、操縱系統等方面均采用了新技術，其安全性、可靠性、性能等需要試驗科目予以驗證測試。由于eVTOL一般在人口稠密城市上空低空飛行的特性，其安全監管將比地面交通更加嚴格。目前，沒有一家eVTOL制造商獲得FAA（美國聯邦航空局）或EASA（歐洲航空安全局）的完全認證，僅有極個別公司預計在未來兩三年內獲得相關認證。各國eVTOL制造商競相加快認證進度，以在全球范圍率先獲得航空主管部門的適航許可，搶先開展商業運營取得市場先機。當前，歐美eVTOL領域的研究較為成熟，其中美國、德國處于領先地位，中國eVTOL研發不落后于歐美，在亞太地區處于領頭羊地位（參見表3）。表3：國內外主要eVTOL飛行測試與認證情況表

（信息來源：根據互聯網公開發布信息整理）

eVTOL應用場景

eVTOL作為城市空中交通的載運工具，能夠滲透到城市中心，進行點對點的交通運輸。eVTOL應用場景主要有三個關鍵條件——人口密集的城市地區、100-1000米的低空領域、點對點。目前，eVTOL運行分為無人駕駛、有人駕駛兩種模式，制造商主要聚焦城市客運與貨運兩個主要方向，并結合目標應用場景不斷通過技術創新促進產品迭代升級。與民用客機比較，大型民機主要解決1000公里以上的空中運輸，而eVTOL主要解決人口密集的城市空間內、城郊及城際點對點的空中運輸，在擁擠的城市內、城郊、都市圈進行短程通勤時具有顯著的成本效益。

eVTOL制造商為布局載人、載物及特殊作業的不同應用場景而開發不同機型。例如，德國Volocopter公司開發的eVTOL項目有多旋翼、2座、航程80km的VoloCity適用于空中出租車，有復合翼、4座、航程100km的VoloConnect用于城郊/城際通勤，以及多旋翼、航程40km、最大載荷200kg的VoloDrone適用于空中物流。航空巨頭空客公司研制的eVTOL項目有傾斜翼、1座、航程30km的Vahana適用于城市空客運和貨運（項目現已中止），也有多旋翼、4座、航程60km的CityAirbus適用于城市空中出租車，還有固定翼+V型尾翼、4座、航程80km的CityAirbus NextGen適用于城市空中各類作業任務，以及多旋翼、2~5kg包裹載荷的Skyways適用于城市快遞業務。我國億航智能公司研發的eVTOL項目有多旋翼、1座、航程50km的EH184與多旋翼、2座、航程35km的EH216/EH216-S均為適用于載人交通和低空旅游，也有多旋翼、航程35km、最大承載200kg的EH216L適用于大載重空中物流和醫療急救，還有為高空消防作業定制開發了多旋翼、飛行高度600m、可攜帶6枚破窗彈和150kg滅火劑的EH216F（消防版），正在研制復合翼、混合動力、2座、設計航程300km、設計續航時間100分鐘的EH-VT30適用于長航距城際空中交通，可應用空中通勤、空中游覽、物流運輸等場景。

目前的eVTOL有效載荷較小，也還只能短距離行駛，但也能滿足少量乘客的城市飛行或是包裹遞送。eVTOL整機項目在基本性能上具備可以代替輕型直升機的能力，小型eVTOL在軍事、航模、農業、安防等領域已有大量應用，但用于載人運營的eVTOL，離適航取證和商業運營還為時尚早，載客通勤服務可能不會很快實現，但終端用戶希望eVTOL的通勤應用可以取代目前昂貴的直升機服務，且已經受到消防應急、醫療救助和特種行業客戶的青睞，未來的eVTOL要實現實現常態化商業運營仍然需要覆蓋更大的市場空間。隨著全球eVTOL量產，其應用場景將大幅拓展，潛在應用場景涉及城市客運（UAM）、區域客運（RAM）、城市物流配送、商務出行、緊急醫療服務、私用飛行器等多種場景模式，大致可分為載人客運、載物貨運、公共服務、警務安防、國防軍事及私人飛行等六大類行業場景（如圖3所示）。據勞斯萊斯和羅蘭貝格的專題研究報告指出，eVTOL飛行器預計將用于城市和區域空中交通服務，包括機場班車和長達250公里的城際連接。eVTOL不僅可以消除交通擁堵的問題，也有望解決偏遠島嶼或山區的運輸，或災區救援行動等問題，還可服務于空中物流、醫療救助、消防救援、應急管理、旅游觀光、公共服務、私人航空出行、農業生產、警務治安和軍事國防等關鍵領域，拓展野生動物保護、地質勘探、國土資源普查與監控、測繪、電力巡檢等行業應用。

圖3：eVTOL應用場景示意圖

結束語

作為一種新型的中短途空中交通工具，eVTOL提供了一種頗具未來感的空中出行方式。隨著人工智能、電池技術、通訊導航等發展，人們可將eVTOL飛行器作為通用平臺并稍作改裝，先用于貨運，作為軍用級、民用級（特別是工業級）大型垂直起降無人機使用，待經歷足夠的技術積累、知識產權獲得及使用后的性能改進，達到較好的安全性水平，并取得適航認證，再用于載人運輸。eVTOL在旅游觀光、物流運輸、醫療急救、消防應急等場景投入使用，緊急醫療服務（EMS）將會是最先實現的應用場景，消防、搜索救援和空中執法緊隨其后，空中游覽可能是通往載客服務的一個非常好的開端，最后實現空中出租車運營?？罩谐鲎廛?、飛行救護車和貨物運輸可能是未來eVTOL的常態化用途。在未來5G網絡及6G星鏈網絡構建的萬物互聯世界里，eVTOL可滿足城市低空短距離通勤出行及物流等一切場景需求。不久的將來，eVTOL將沿循從載物到載人、從郊區到城市、從特需到日常、從公共服務到商業化運營的發展方向，深入融合到人類生產生活各領域，創建智能高效、安全可靠和可持續發展的城市空中智能交通生態體系。

審核編輯 ：李倩