導(dǎo)語(yǔ)

長(zhǎng)期以來(lái)，跨過(guò)從深圳與珠海間的伶仃洋，需要靠2、3小時(shí)輪渡或者開(kāi)車(chē)?yán)@上一大圈。但在“低空經(jīng)濟(jì)”熱度加持下，不久將來(lái)通過(guò)eVTOL，兩地通勤只需一趟外賣(mài)的時(shí)間、僅需不到300塊就能抵達(dá)對(duì)方市中心。

一、eVTOL：低空經(jīng)濟(jì)新勢(shì)力

“低空經(jīng)濟(jì)”，是相對(duì)“高空經(jīng)濟(jì)”而來(lái)的概念。它通常指通過(guò)飛行于1000m下空域的飛行器進(jìn)行載貨或載人飛行、空中作業(yè)等活動(dòng)。該概念的出現(xiàn)意味著一個(gè)雖小于汽車(chē)工業(yè)但遠(yuǎn)比傳統(tǒng)航空工業(yè)廣闊的市場(chǎng)被發(fā)掘，也讓國(guó)內(nèi)廣大民營(yíng)企業(yè)，得以從長(zhǎng)期被西方大廠把持的民航工業(yè)體系撬開(kāi)一個(gè)缺口。而eVTOL，則是這片藍(lán)海中一塊重要版圖。

1.什么是eVTOL

eVTOL，是電動(dòng)（e）和垂直起降（VTOL）的英文縮寫(xiě)：前者表示動(dòng)力來(lái)源——以電池代替了油箱、以電機(jī)代替了燃機(jī)；后者表示飛行狀態(tài)。eVTOL很容易被認(rèn)為是直升機(jī)“換皮”： “垂直起降”與“直升”是高度相似概念,且和直升機(jī)有著類(lèi)似特征：由旋翼為航空器提供升力。

不同的是，以旋翼數(shù)量論大部分直升機(jī)通常是單旋翼，而eVTOL為多旋翼構(gòu)型。前者通過(guò)揮舞、擺振、扭轉(zhuǎn)旋翼維持升力平衡，既“變矩定速”，而后者則僅需調(diào)節(jié)不同旋翼的轉(zhuǎn)速以平衡扭力，即“定矩變速”。

隨著城市人口不斷增加、地面道路交通日益擁堵，2016年共享出行巨頭Uber乘勢(shì)推出城市空中出租車(chē)計(jì)劃，引發(fā)全球eVTOL浪潮：根據(jù)美國(guó)垂直飛行協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2022年全球共48個(gè)國(guó)家347家企業(yè)從事eVTOL的研發(fā)，我國(guó)有21家，位列全球第三。2021年，國(guó)內(nèi)僅6家企業(yè)獲得eVTOL融資，到2022年已超過(guò)10家——即有峰飛、御風(fēng)未來(lái)、億航等eVTOL創(chuàng)業(yè)企業(yè)，亦有吉利、小鵬等乘用車(chē)廠商入局。目前這一勢(shì)頭依然強(qiáng)勁：2025年，國(guó)內(nèi)8家頭部企業(yè)已在全球獲得3000+訂單，融資累計(jì)超15億美元。

2.eVTOL構(gòu)型有哪些

目前eVTOL按飛行原理大致分多旋翼、復(fù)合翼、傾轉(zhuǎn)旋翼型三類(lèi)。傾轉(zhuǎn)旋翼型在航程、速度方面優(yōu)勢(shì)最大，機(jī)械設(shè)計(jì)也最復(fù)雜、可靠性等方面仍有待克服，且在電能系統(tǒng)的束縛下航程、速度優(yōu)勢(shì)難以充分發(fā)揮。因此已投產(chǎn)的eVTOL中以多旋翼、復(fù)合翼型為主流。

多旋翼型eVTOL原理類(lèi)似傳統(tǒng)民用無(wú)人機(jī)，在設(shè)計(jì)構(gòu)型上最成熟簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性最高。如該構(gòu)型的eh-216s即我國(guó)也是全球最早“三證（型號(hào)合格證、生產(chǎn)許可證、適航證）齊全”的eVTOL。但該構(gòu)型因其旋翼阻力大、功率大部分用于維持升力，最大巡航速度通常僅有100+km/h，未與地面交通拉開(kāi)質(zhì)的差距；飛行包絡(luò)不及直升機(jī),使飛行氣象條件受限；商載續(xù)航里程更僅有數(shù)十公里，僅相當(dāng)于一臺(tái)插混汽車(chē)純電里程，目前應(yīng)用場(chǎng)景主要局限于觀光游覽。

復(fù)合翼構(gòu)型eVTOL則融合了固定翼和旋翼飛行器：升力&巡航分別由兩套動(dòng)力系統(tǒng)執(zhí)行，使電機(jī)&槳的調(diào)節(jié)頻率不必如普通多軸旋翼機(jī)那樣頻繁：在1h飛行任務(wù)中，升力旋翼工作時(shí)間不到1/3，更多功率專(zhuān)注于升力&巡航任務(wù)中；功率—載荷效率更加優(yōu)異，如國(guó)內(nèi)采用該構(gòu)型已載客試飛的“盛世龍”、“ 御風(fēng)M1”其巡航速度可達(dá)200+km/h，航程達(dá)250+km,超過(guò)同等級(jí)多旋翼類(lèi)eVTOL近一倍。復(fù)合翼構(gòu)型也成為包括我國(guó)在內(nèi)全球大部分行業(yè)龍頭公司的迭代新選擇。

二、“科幻”還是“復(fù)古”：eVTOL的前世今生

eVTOL這種多旋翼構(gòu)型的歷史甚至比（單旋翼）直升機(jī)更悠久——只是由于機(jī)械式操作系統(tǒng)無(wú)法有效控制飛行姿態(tài)、飛行可靠性難以保障而沉寂，當(dāng)年條件下更易控制的單旋翼直升機(jī)大行其道。

但當(dāng)“低空經(jīng)濟(jì)”的飛行場(chǎng)景從郊外搬到市區(qū)，因安全性與維護(hù)性較差、噪音等污染較大等問(wèn)題使其在城市內(nèi)應(yīng)用面臨多方掣肘；燃料、維護(hù)與人員配置等綜合運(yùn)營(yíng)成本高企業(yè)也讓直升機(jī)低空通勤的成本居高不下，僅100km-200km的城際航線票價(jià)即超過(guò)千元，傳統(tǒng)直升機(jī)愈難托起“低空經(jīng)濟(jì)”的熱度。而電氣化技術(shù)的發(fā)展解決了多旋翼機(jī)過(guò)往的諸多難題，并以其低噪音、結(jié)構(gòu)與維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)讓這種“古老”設(shè)計(jì)在eVTOL上再度復(fù)興。

與以往的直升機(jī)相比 eVTOL有著先天優(yōu)勢(shì)：省卻由發(fā)動(dòng)機(jī)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、變速箱將動(dòng)力分配給旋翼與尾槳這些二傳手，電池電能直接通過(guò)電纜輸送給無(wú)極變速的電機(jī)。加之旋翼定矩旋轉(zhuǎn)，力全作用于升力、不必像直升機(jī)旋翼不斷變矩以保持平衡，效率是內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力的2倍以上。

換言之，eVTOL以遠(yuǎn)低于直升機(jī)的軸上功率與轉(zhuǎn)速即可完成起降，降低了槳渦干擾帶來(lái)的氣動(dòng)噪聲；電力推動(dòng)更消除了燃機(jī)與變速箱帶來(lái)的機(jī)械噪音——在起降時(shí)的地面可感噪音由超過(guò)120db降低到65db，低空飛行時(shí)更低至45db（500m飛行高度以185km/h的速度飛越測(cè)量點(diǎn)上方）,僅相當(dāng)于汽車(chē)在城市內(nèi)道路胎噪，能在更多城市場(chǎng)景內(nèi)穿梭。

除了運(yùn)行更安靜，eVTOL的運(yùn)營(yíng)成本也顯著降低——能源綜合成本僅不到航空燃料的30%；又省卻了駕駛員培訓(xùn)和執(zhí)照管理成本以及對(duì)飛行器載荷的占用：諸如“盛世龍”、“御風(fēng)M1”這類(lèi)2噸級(jí)eVTOL僅此一項(xiàng)即能比同類(lèi)起飛重量與載荷直升機(jī)降低約26%的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。整套“組合拳”有望將深圳至珠海等類(lèi)城際交通控制在現(xiàn)有直升機(jī)空中航線價(jià)格的1/6。

三、從藍(lán)圖到現(xiàn)實(shí)，國(guó)內(nèi)eVTOL技術(shù)面臨哪些攔路虎

新概念的eVTOL與電動(dòng)汽車(chē)類(lèi)似,其核心是電池、電機(jī)、電控三大件。因此也很容易被聯(lián)系為“電動(dòng)汽車(chē)”上天。但投入運(yùn)營(yíng)在技術(shù)上不僅是將現(xiàn)有產(chǎn)品與技術(shù)放大或移植，想走入現(xiàn)實(shí)首先需克服“e”與“VTOL”的技術(shù)難題。

1.電從何處來(lái)？

從需求看，eVTOL采用的動(dòng)力電池在高比能量、高倍率、高安全性等性能要求比電動(dòng)汽車(chē)更高。目前電動(dòng)乘用車(chē)的能量密度約在140-200wh/kg,足夠驅(qū)動(dòng)車(chē)輛跑上數(shù)百公里，但這對(duì)航空器而言就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。除了讓eVTOL飛得遠(yuǎn)，還要滿(mǎn)足起降等特殊場(chǎng)景下功率迅速上升的需求，得經(jīng)受住瞬間充放電的考驗(yàn)：充放電倍率需在5C以上，是電動(dòng)車(chē)的3倍。

得益于我國(guó)電車(chē)領(lǐng)域迅猛發(fā)展，讓國(guó)內(nèi)外eVTOL都能找到成熟的電池供應(yīng)商,使之不至于成為 “電動(dòng)爹”。如eVTOL開(kāi)山企業(yè)JOBY采用的國(guó)內(nèi)正力新能供應(yīng)的811NMC（鎳、錳、鈷）電池其能量密度提升到270wh/kg，在20%的低電量狀態(tài)下仍能以12C以上水平大倍率放電，讓充電更迅捷——僅15min即可充電80%，一波乘客下機(jī)、換乘、登機(jī)的功夫即能投入到下一班運(yùn)營(yíng)；孚能科技為國(guó)內(nèi)部分eVTOL供應(yīng)的鋰金屬電池能量密度高達(dá)285wh/kg，較乘用車(chē)電池提高了近一倍水平；而國(guó)內(nèi)電池廠商的腳步不止于此，進(jìn)一步研發(fā)了能量密度高達(dá)370-400wh/kg的半固態(tài)電池。這也成國(guó)產(chǎn)eVTOL能“旱地拔蔥”航程“破百”的關(guān)鍵因素之一。

2.電往何處使？

無(wú)論哪種構(gòu)型的eVTOL，都采用分布式電推進(jìn)設(shè)計(jì)——由多個(gè)分布于機(jī)身或機(jī)翼上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋翼。想要實(shí)現(xiàn)“VTOL”，主要在于力與力矩如何被準(zhǔn)確分配。多旋翼eVTOL的飛控相對(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)多個(gè)定距螺旋槳以相反方向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力并抵消單個(gè)旋翼產(chǎn)生的扭力實(shí)現(xiàn)懸停飛行，靠不同螺旋槳轉(zhuǎn)速差以獲得水平方向加速度。這也是部分初創(chuàng)eVTOL企業(yè)選擇該類(lèi)構(gòu)型作為首發(fā)產(chǎn)品的因素之一。

復(fù)合翼構(gòu)型eVTOL就麻煩許多：由于飛行狀態(tài)在旋翼模式、過(guò)渡模式、固定翼模式三種飛行構(gòu)型切換，還需考慮多向力矩與滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航力矩，加之因不同旋翼與翼面的氣動(dòng)耦合效應(yīng)，需以每秒數(shù)百次以上精密調(diào)整動(dòng)力與氣動(dòng)面以保證飛行穩(wěn)定。傳統(tǒng)飛控設(shè)計(jì)針對(duì)不斷轉(zhuǎn)換階段、不同速度段分別設(shè)計(jì)一套控制率，使整個(gè)開(kāi)發(fā)工作巨大：三種模式六個(gè)力矩機(jī)制僅設(shè)計(jì)飛控的配平點(diǎn)就高達(dá)上百個(gè)。

高門(mén)檻使得全球完成復(fù)合翼轉(zhuǎn)換狀態(tài)飛行的eVTOL屈指可數(shù)，適用的飛控系統(tǒng)貨架產(chǎn)品更是稀缺。國(guó)產(chǎn)復(fù)合翼構(gòu)型eVTOL想“趕上風(fēng)口”，簡(jiǎn)單的拿來(lái)主義顯然行不通。

為此，國(guó)內(nèi)飛控廠商嘗試基于增量非線性動(dòng)態(tài)逆(INDI)的統(tǒng)一控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)在同一套系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)不同飛行姿態(tài)的控制——不同于以往調(diào)度控制式飛控分別設(shè)置旋翼控制器與固定翼控制器各一套，事先離線配平計(jì)算控制率速度、傾角的變化進(jìn)行輸出調(diào)節(jié)；INDI通過(guò)在線測(cè)量或估算加速度和角加速度信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制率更新，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化飛行品質(zhì)；并配合搭載的ADS-B、TCAS等空中防撞設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)城市低空復(fù)雜環(huán)境的感知、決策與控制。

結(jié)語(yǔ)

在此風(fēng)口上，eVTOL的前景不僅是運(yùn)客拉貨，更在于包括它在內(nèi)的低空經(jīng)濟(jì)將依托國(guó)內(nèi)成熟供應(yīng)鏈與龐大產(chǎn)能創(chuàng)造需對(duì)應(yīng)的消費(fèi)需求——目前已有45個(gè)城市啟動(dòng)低空經(jīng)濟(jì)政策規(guī)劃，涵蓋低空基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、飛行器制造、運(yùn)營(yíng)服務(wù)、飛行保障等諸多環(huán)節(jié)。站在新能源汽車(chē)、航空工業(yè)、人工智能三個(gè)板塊交匯點(diǎn)起飛的eVTOL，僅是通向未來(lái)的臺(tái)階。

參考文獻(xiàn)

1.環(huán)球網(wǎng)：空中出租車(chē)公司Joby Aviation首段飛行視頻曝光：噪音極低.

2.中國(guó)民航雜志（2024）.深圳珠海，一人300元直達(dá)；虹橋浦東，單程15分鐘……天空城市這誰(shuí)頂?shù)米?

3.航空之家（2024）.發(fā)力eVTOL誰(shuí)能捧得下一代動(dòng)力電池技術(shù)“圣杯”.

4.新華網(wǎng)（2024）.正力新能“三高一快”eVTOL航空航天電池挑戰(zhàn)動(dòng)力電池技術(shù)制高點(diǎn)正力新能“三高一快”eVTOL航空航天電池挑戰(zhàn)動(dòng)力電池技術(shù)制高點(diǎn).

5.邊界智控（2024）.不同構(gòu)型eVTOL飛控算法實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn).

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