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新概念的eVTOL與電動汽車類似,其核心是電池、電機、電控三大件。因此也很容易被聯(lián)系為“電動汽車”上天。但投入運營在技術(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)實首先需克服“e”與“VTOL”的技術(shù)難題。

圖注：1899年法國插畫家讓·馬克幻想的2000年空中的士

1.電從何處來？

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

圖注：新能源汽車動力電池與eVTOL電池技術(shù)指標對比。 圖源：新華網(wǎng)

得益于我國電車領(lǐng)域迅猛發(fā)展，讓國內(nèi)外eVTOL都能找到成熟的電池供應(yīng)商,使之不至于成為 “電動爹”。如eVTOL開山企業(yè)JOBY采用的國內(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、換乘、登機的功夫即能投入到下一班運營；孚能科技為國內(nèi)部分eVTOL供應(yīng)的鋰金屬電池能量密度高達285wh/kg，較乘用車電池提高了近一倍水平；而國內(nèi)電池廠商的腳步不止于此，進一步研發(fā)了能量密度高達370-400wh/kg的半固態(tài)電池。這也成國產(chǎn)eVTOL能“旱地拔蔥”航程“破百”的關(guān)鍵因素之一。

圖注：國內(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？

無論哪種構(gòu)型的eVTOL，都采用分布式電推進設(shè)計——由多個分布于機身或機翼上的電機驅(qū)動旋翼。想要實現(xiàn)“VTOL”，主要在于力與力矩如何被準確分配。多旋翼eVTOL的飛控相對簡單，通過多個定距螺旋槳以相反方向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力并抵消單個旋翼產(chǎn)生的扭力實現(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耦合效應(yīng)，需以每秒數(shù)百次以上精密調(diào)整動力與氣動面以保證飛行穩(wěn)定。傳統(tǒng)飛控設(shè)計針對不斷轉(zhuǎn)換階段、不同速度段分別設(shè)計一套控制率，使整個開發(fā)工作巨大：三種模式六個力矩機制僅設(shè)計飛控的配平點就高達上百個。

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。國產(chǎn)復(fù)合翼構(gòu)型eVTOL想“趕上風(fēng)口”，簡單的拿來主義顯然行不通。

圖注：霍尼韋爾用于evtol的電傳飛控模塊

為此，國內(nèi)飛控廠商嘗試基于增量非線性動態(tài)逆(INDI)的統(tǒng)一控制策略來實現(xiàn)在同一套系統(tǒng)下實現(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，事先離線配平計算控制率速度、傾角的變化進行輸出調(diào)節(jié)；INDI通過在線測量或估算加速度和角加速度信號實現(xiàn)控制率更新，從而簡化設(shè)計、優(yōu)化飛行品質(zhì)；并配合搭載的ADS-B、TCAS等空中防撞設(shè)備實現(xiàn)對城市低空復(fù)雜環(huán)境的感知、決策與控制。

圖注：適用與國內(nèi)evtol的國產(chǎn)飛控與機載組合導(dǎo)航系統(tǒng)。 圖源：邊界智控

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