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新概念的eVTOL與電動(dòng)汽車類似,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”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。

圖注：1899年法國(guó)插畫(huà)家讓·馬克幻想的2000年空中的士

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)汽車更高。目前電動(dòng)乘用車的能量密度約在140-200wh/kg,足夠驅(qū)動(dòng)車輛跑上數(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)車的3倍。

圖注：新能源汽車動(dòng)力電池與eVTOL電池技術(shù)指標(biāo)對(duì)比。 圖源：新華網(wǎng)

得益于我國(guó)電車領(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。

圖注：國(guó)內(nèi)evtol電池技術(shù)能量密度路線圖。 圖源：新華網(wǎng)

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)選擇該類構(gòu)型作為首發(fā)產(chǎn)品的因素之一。

圖注：evtol 螺旋槳尾流影響示意圖 圖源：邊界智控

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)。

圖注：飛控在復(fù)合翼evtol不同飛行階段的功能需求。 圖源：邊界智控

高門檻使得全球完成復(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。

圖注：霍尼韋爾用于evtol的電傳飛控模塊

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。

圖注：適用與國(guó)內(nèi)evtol的國(guó)產(chǎn)飛控與機(jī)載組合導(dǎo)航系統(tǒng)。 圖源：邊界智控

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