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一、eVTOL飛行器概述

 

電動(dòng)垂直起降（Electric Vertical Take-Off and Landing；eVTOL）飛行器代表著航空技術(shù)領(lǐng)域的革命性突破。這種創(chuàng)新航空器將電力推進(jìn)的高效性與垂直起降的靈活性相結(jié)合，使其能夠在空間有限、傳統(tǒng)跑道不切實(shí)際的城市環(huán)境中運(yùn)行。它們不僅有望徹底改變城市交通方式，緩解交通擁堵，還能顯著減少傳統(tǒng)航空運(yùn)輸帶來(lái)的環(huán)境影響。

 

二、eVTOL發(fā)展歷程

 

垂直起降技術(shù)的雛形可追溯至20世紀(jì)中葉，如1960年代開(kāi)發(fā)的"鷂式"噴氣動(dòng)力垂直起降戰(zhàn)機(jī)。但真正意義上的現(xiàn)代eVTOL革命始于2010年代，電力推進(jìn)技術(shù)突破、電池能量密度提升以及對(duì)可持續(xù)城市交通的迫切需求共同推動(dòng)了這一進(jìn)程。

 

eVTOL領(lǐng)域的重要里程碑包括Joby Aviation和Volocopter等先驅(qū)企業(yè)的成立，它們率先開(kāi)發(fā)了電動(dòng)垂直起降原型機(jī)。過(guò)去十年間，大量初創(chuàng)企業(yè)與傳統(tǒng)航空巨頭紛紛入局，加速了eVTOL技術(shù)的研發(fā)與商業(yè)化進(jìn)程。

 

三、eVTOL飛機(jī)的工作原理

 

（一）電力推進(jìn)

 

eVTOL技術(shù)的核心在于電力推進(jìn)，這一系統(tǒng)依賴(lài)于由電池或其他電力源驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)飛機(jī)形成鮮明對(duì)比。電動(dòng)機(jī)擁有眾多優(yōu)勢(shì)，如更低的噪音、更少的排放以及更高的效率。eVTOL的電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)通常由電池組、電動(dòng)機(jī)以及負(fù)責(zé)能量分配的電力電子設(shè)備組成。

 

（二）垂直起降

 

eVTOL飛機(jī)設(shè)計(jì)之初便旨在實(shí)現(xiàn)類(lèi)似直升機(jī)的垂直起降功能，這一特性通過(guò)采用多種旋翼、涵道風(fēng)扇或傾轉(zhuǎn)旋翼的配置得以實(shí)現(xiàn)。飛機(jī)周?chē)植嫉亩鄠€(gè)旋翼是垂直升力的主要來(lái)源，這些旋翼能夠靈活傾斜或調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)從垂直飛行到水平飛行的平穩(wěn)過(guò)渡。在起飛和降落階段，旋翼保持特定位置以提供必要的垂直推力；而在巡航飛行時(shí)，它們則傾斜一定角度，以同時(shí)產(chǎn)生前向推力和升力。

 

（三）自主和有人駕駛操作

 

眾多eVTOL設(shè)計(jì)融合了尖端的航空電子設(shè)備與自主飛行系統(tǒng)，旨在顯著提升飛行安全性與操作效率。自主飛行技術(shù)使得這些飛機(jī)能夠在極低的人工干預(yù)下自主運(yùn)行，從而大幅降低人為錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。此外，部分eVTOL機(jī)型還具備遠(yuǎn)程駕駛或機(jī)上飛行員駕駛的功能，這不僅為操作提供了極大的靈活性，還有助于確保飛行符合現(xiàn)行航空法規(guī)的要求。

 

四、eVTOL的多種類(lèi)型

 

eVTOL市場(chǎng)種類(lèi)繁多，有各種設(shè)計(jì)和配置，以滿(mǎn)足特定的使用場(chǎng)景和操作環(huán)境。這些設(shè)計(jì)可以大致分為以下幾種類(lèi)型：

 

多旋翼eVTOL

 

升力+巡航eVTOL

 

傾轉(zhuǎn)旋翼和傾轉(zhuǎn)翼eVTOL

 

矢量推力eVTOL

 

（一）多旋翼eVTOL

 

多旋翼eVTOL飛機(jī)與大型無(wú)人機(jī)相似，配備有多個(gè)旋翼（通常為四到八個(gè)），用以產(chǎn)生升力和推力。這類(lèi)飛機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、飛行穩(wěn)定且易于操控而著稱(chēng)。它們特別適用于短距離的城市空中出行場(chǎng)景，例如作為空中出租車(chē)和配送無(wú)人機(jī)。Volocopter 2X和EHang 216便是其中的典型代表。

 

（二）升力+巡航eVTOL

 

升力+巡航型eVTOL采用不同的旋翼或螺旋槳實(shí)現(xiàn)垂直升力和水平巡航。這種設(shè)計(jì)使得飛機(jī)能夠在不同飛行階段實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化。垂直升力由起飛和著陸時(shí)運(yùn)行的旋翼提供；而在巡航飛行階段，前向推力則由固定翼上的螺旋槳產(chǎn)生。典型的代表有Archer Midnight。

 

（三）傾轉(zhuǎn)旋翼和傾轉(zhuǎn)翼eVTOL

 

傾轉(zhuǎn)旋翼和傾轉(zhuǎn)翼eVTOL具備可在垂直與水平飛行模式間轉(zhuǎn)換的旋翼或機(jī)翼，其獨(dú)特設(shè)計(jì)使得飛行更為靈活。在傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型中，旋翼被安裝在可旋轉(zhuǎn)的吊艙上，這樣既能在起飛和降落階段提供必要的垂直升力，又能在巡航飛行時(shí)提供前向推力。而傾轉(zhuǎn)翼設(shè)計(jì)則突出于機(jī)翼與旋翼同步傾斜的特性。這兩種配置均賦予了飛機(jī)高速飛行和遠(yuǎn)距離航行的能力。Joby S4，Lilium Jet和Bell Nexus便是此類(lèi)設(shè)計(jì)的典型代表。

 

（四）矢量推力eVTOL

 

矢量推力型eVTOL融合了固定翼與可矢量調(diào)節(jié)的旋翼或風(fēng)扇，以提供垂直升力和前向推力。這一設(shè)計(jì)不僅提升了巡航飛行效率，還顯著增強(qiáng)了飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性能。盡管矢量推力系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，但在飛行性能和航程方面展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。Archer Aviation Maker便是矢量推力型eVTOL的典型代表。

 

五、eVTOL的測(cè)試與認(rèn)證

 

eVTOL飛機(jī)的測(cè)試與認(rèn)證是一個(gè)嚴(yán)格的過(guò)程，旨在確保安全、可靠并符合監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試階段通常包括幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

 

（一）開(kāi)發(fā)與原型制作

 

在開(kāi)發(fā)階段，工程師會(huì)首先構(gòu)建原型并進(jìn)行初步測(cè)試，以驗(yàn)證eVTOL的設(shè)計(jì)合理性和性能表現(xiàn)。這一過(guò)程涉及廣泛的計(jì)算機(jī)模擬、風(fēng)洞測(cè)試以及小規(guī)模模型試驗(yàn)，旨在優(yōu)化飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性、推進(jìn)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)完整性。

 

（二）地面測(cè)試

 

地面測(cè)試旨在在不進(jìn)行飛行的情況下，全面評(píng)估飛機(jī)的各項(xiàng)系統(tǒng)和部件性能。這一環(huán)節(jié)包括電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)、航空電子設(shè)備、控制系統(tǒng)以及電池的測(cè)試。通過(guò)地面測(cè)試以確保所有系統(tǒng)均能正常運(yùn)行，并具備承受飛行過(guò)程中可能遭遇的各類(lèi)應(yīng)力和環(huán)境條件的能力。

 

（三）飛行測(cè)試

 

飛行測(cè)試分為多個(gè)階段進(jìn)行，從低空低速飛行開(kāi)始，逐漸過(guò)渡到更復(fù)雜、要求更高的飛行條件。在此過(guò)程中，工程師對(duì)eVTOL的性能、穩(wěn)定性、操控性以及安全特性進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)這些測(cè)試收集到的數(shù)據(jù)，將用于進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)并妥善解決潛在問(wèn)題。

 

（四）電氣系統(tǒng)測(cè)試

 

對(duì)eVTOL（電動(dòng)垂直起降）飛機(jī)電氣系統(tǒng)的測(cè)試包含了一系列嚴(yán)格的程序，旨在確保其安全、可靠及高性能。這些測(cè)試涉及電動(dòng)馬達(dá)、逆變器、電池等關(guān)鍵部件。以下是各部件常規(guī)測(cè)試方法的簡(jiǎn)要概述：

 

1.電動(dòng)馬達(dá)

 

（1）臺(tái)架測(cè)試：

 

性能測(cè)試：在臺(tái)架上測(cè)試馬達(dá)，測(cè)量諸如扭矩、每分鐘轉(zhuǎn)速（RPM）、效率和功率輸出等性能參數(shù)。

 

熱測(cè)試：將馬達(dá)置于熱循環(huán)中，評(píng)估其在不同溫度下的性能，并識(shí)別潛在的超溫問(wèn)題。

 

（2）耐久性測(cè)試：

 

耐久測(cè)試：馬達(dá)在負(fù)載下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，以評(píng)估其長(zhǎng)期耐久性，并識(shí)別磨損情況。

 

振動(dòng)測(cè)試：馬達(dá)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，模擬操作條件，檢查結(jié)構(gòu)完整性。

 

（3）環(huán)境測(cè)試：

 

濕度和腐蝕測(cè)試：將馬達(dá)暴露在潮濕和腐蝕性環(huán)境中，評(píng)估其對(duì)環(huán)境因素的抵抗力。

 

海拔測(cè)試：在不同海拔條件下測(cè)試馬達(dá)，確保性能一致性。

 

2.逆變器

 

（1）功能測(cè)試：

 

功率轉(zhuǎn)換效率：測(cè)試逆變器在將直流電（DC）轉(zhuǎn)換為交流電（AC）及其反向轉(zhuǎn)換時(shí)的效率。

 

開(kāi)關(guān)性能：測(cè)試開(kāi)關(guān)能力和響應(yīng)時(shí)間，確保有效的功率調(diào)制。

 

（2）熱管理測(cè)試：

 

散熱測(cè)試：測(cè)試逆變器在不同負(fù)載條件下有效散熱的能力。

 

熱循環(huán)：將逆變器置于反復(fù)的加熱和冷卻循環(huán)中，測(cè)試熱穩(wěn)定性和可靠性。

 

（3）安全測(cè)試：

 

短路測(cè)試：模擬短路條件，測(cè)試逆變器的保護(hù)機(jī)制。

 

過(guò)載測(cè)試：使逆變器超出其額定容量運(yùn)行，確保其能安全處理過(guò)載條件。

 

3.電池性能測(cè)試：

 

容量和能量密度：測(cè)量電池的容量和能量密度，確保其符合設(shè)計(jì)規(guī)格。

 

充放電循環(huán)：反復(fù)充放電，評(píng)估電池的生命周期和退化速率。

 

（五）認(rèn)證測(cè)試

 

eVTOL飛行器必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的認(rèn)證流程，以符合航空安全標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（Federal Aviation Administration；FAA）和歐盟航空安全局（European Union Aviation Safety Agency；EASA）等監(jiān)管機(jī)構(gòu)已經(jīng)建立了eVTOL飛機(jī)的認(rèn)證框架。認(rèn)證測(cè)試對(duì)車(chē)輛的設(shè)計(jì)、制造和操作程序進(jìn)行全面審查。這一過(guò)程可能需要數(shù)年時(shí)間，并需要大量的文件和測(cè)試。

 

六、eVTOL市場(chǎng)的主要參與者

 

eVTOL市場(chǎng)正迅猛擴(kuò)展，眾多公司及初創(chuàng)企業(yè)正競(jìng)相開(kāi)發(fā)下一代城市空中交通解決方案。主要參與企業(yè)包括：

 

（一）Joby Aviation

 

Joby Aviation位于美國(guó)，是eVTOL市場(chǎng)的領(lǐng)先公司之一。該公司以其S4飛機(jī)而著稱(chēng)，該飛機(jī)采用了升力+巡航的設(shè)計(jì)理念，配備了六個(gè)傾斜旋翼，其航程超過(guò)150英里。Joby已獲得巨額資金支持，并攜手豐田、優(yōu)步等知名企業(yè)共同開(kāi)發(fā)空中出租車(chē)服務(wù)。2024年2月，Joby成功簽署了一項(xiàng)合同，計(jì)劃于2026年在阿聯(lián)酋正式推出空中出租車(chē)服務(wù)。

 

2023年9月20日，在加利福尼亞州愛(ài)德華茲空軍基地完成地面測(cè)試后，一架Joby Aviation公司的實(shí)驗(yàn)性電動(dòng)垂直起降飛機(jī)停放在滑行道上?？哲姅z影師哈蘭·亨廷頓攝，公共領(lǐng)域，通過(guò)維基媒體共享。

 

（二）Volocopter

 

Volocopter是一家德國(guó)企業(yè)，專(zhuān)注于提供城市空中出行的解決方案。其旗艦產(chǎn)品Volocopter 2X，是一款專(zhuān)為城市區(qū)域內(nèi)短途飛行設(shè)計(jì)的多旋翼eVTOL。該公司已多次進(jìn)行公開(kāi)演示，并正積極開(kāi)發(fā)城市空中出行所需的基礎(chǔ)設(shè)施。其合作伙伴和投資者陣容強(qiáng)大，包括梅賽德斯、日本航空、漢莎航空及辛克等知名企業(yè)和機(jī)構(gòu)。

 

（三）億航

 

中國(guó)公司億航以其自動(dòng)駕駛eVTOL飛行器而聲名遠(yuǎn)揚(yáng)，其中代表作包括億航216。這款多旋翼eVTOL專(zhuān)為客運(yùn)設(shè)計(jì)，已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)試點(diǎn)項(xiàng)目和公開(kāi)演示。億航致力于構(gòu)建一個(gè)涵蓋客運(yùn)和貨運(yùn)的全面城市空中出行生態(tài)系統(tǒng)。

 

（四）Lilium

 

德國(guó)航空航天公司Lilium正致力于研發(fā)Lilium Jet，一款創(chuàng)新的傾轉(zhuǎn)翼eVTOL。該飛機(jī)的機(jī)翼中巧妙集成了36臺(tái)電動(dòng)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，創(chuàng)造了全球首架電動(dòng)垂直起降噴氣式飛機(jī)。Lilium Jet設(shè)計(jì)用于高速、長(zhǎng)距離飛行，預(yù)計(jì)航程可達(dá)186英里。Lilium正與霍尼韋爾、東麗、CustomCells、NetJets和Aciturri等知名企業(yè)緊密合作。2024年7月，沙特航空集團(tuán)宣布已確認(rèn)訂購(gòu)50架Lilium vTOL噴氣機(jī)，并保留再訂購(gòu)50架的選擇權(quán)。這些飛機(jī)將服務(wù)于沙特阿拉伯王國(guó)。

 

（五）Archer Aviation

 

Archer Aviation，是一家位于美國(guó)的公司，正研發(fā)名為Maker的矢量推力eVTOL，該機(jī)型擁有60英里的航程。2021年2月，聯(lián)合航空宣布訂購(gòu)200架Archer eVTOL飛機(jī)，并保留額外訂購(gòu)100架的權(quán)利。此次合作旨在共同打造城市空中出行網(wǎng)絡(luò)，有效減少擁堵城市地區(qū)的旅行時(shí)間及排放量。聯(lián)合航空計(jì)劃在2025年之前，在芝加哥率先推出基于A(yíng)rcher的Midnight eVTOL空中出租車(chē)提供的空中拼車(chē)服務(wù)。屆時(shí)，從芝加哥奧黑爾機(jī)場(chǎng)至Vertiport Chicago的短途飛行僅需約10分鐘，相較于高峰時(shí)段駕車(chē)所需的一個(gè)小時(shí)，大幅提升了出行效率。

 

（六）Eve Air Mobility

 

Eve Air Mobility，這家總部設(shè)在美國(guó)的公司，是巴西著名航空航天企業(yè)Embraer的子公司。Embraer以其生產(chǎn)的商用、公務(wù)和軍用飛機(jī)而享譽(yù)全球。Eve計(jì)劃推出有人駕駛的vTOL，并致力于在未來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。2022年，聯(lián)合航空與該公司達(dá)成協(xié)議，訂購(gòu)了最多200架eVTOL，并保留了再訂購(gòu)200架的權(quán)利。

 

（七）Vertical Aerospace

 

Vertical Aerospace是一家總部位于英國(guó)的公司，

 

正致力于研發(fā)VA-X4，一款四座eVTOL飛機(jī)。該公司已與霍尼韋爾、達(dá)索、萊昂納多、GKN等眾多知名航空航天公司建立了緊密的合作伙伴關(guān)系。在2024年7月發(fā)布的一份新聞稿中，他們宣布成功獲得了價(jià)值60億美元的1,500架VX4預(yù)訂單，客戶(hù)包括維珍大西洋航空、美國(guó)航空、日本航空、GOL和Bristow等業(yè)界巨頭。

 

七、eVTOL飛機(jī)的未來(lái)

 

eVTOL飛機(jī)的未來(lái)前景廣闊，有望改變城市交通和物流格局。以下幾個(gè)關(guān)鍵趨勢(shì)和發(fā)展預(yù)計(jì)將塑造該行業(yè)的未來(lái)：

 

（一）城市空中出行網(wǎng)絡(luò)（Urban air mobility；UAM）

 

建立城市空中出行網(wǎng)絡(luò)（UAM網(wǎng)絡(luò)）是充分發(fā)揮eVTOL飛機(jī)潛力的關(guān)鍵所在。隨著電動(dòng)汽車(chē)的普及，電動(dòng)充電基礎(chǔ)設(shè)施的需求日益增長(zhǎng)。鑒于eVTOL電動(dòng)飛機(jī)的獨(dú)特性質(zhì)，它們需要專(zhuān)門(mén)的基礎(chǔ)設(shè)施，即專(zhuān)屬的運(yùn)營(yíng)設(shè)施。Vertiports，是專(zhuān)為支持eVTOL飛機(jī)運(yùn)營(yíng)而設(shè)計(jì)的機(jī)場(chǎng)，將包括：

 

1.多個(gè)用于垂直起降的著陸和起飛坪

 

2.供乘客辦理登機(jī)手續(xù)和登機(jī)的終端

 

3.為電池電動(dòng)和氫動(dòng)力eVTOL提供充電和加油的站點(diǎn)

 

4.用于例行檢查和維修的維護(hù)與修理設(shè)施

 

此外，Vertiports還整合了先進(jìn)的空中交通管理系統(tǒng)，以確?？臻g協(xié)調(diào)的安全與高效，并設(shè)有控制中心以監(jiān)督地面和飛行操作。

 

（二）電池技術(shù)的進(jìn)步

 

電池技術(shù)對(duì)于eVTOL飛機(jī)的性能和可行性而言至關(guān)重要。能量密度、充電速度以及電池壽命的進(jìn)步，將顯著提升eVTOL的航程、載重能力和運(yùn)營(yíng)效率。固態(tài)電池、快速充電系統(tǒng)以及電池管理技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，將在eVTOL技術(shù)的未來(lái)發(fā)展中扮演關(guān)鍵角色。

 

（三）自主飛行和AI整合

 

自主飛行系統(tǒng)與人工智能（AI）的深度融合，將對(duì)eVTOL行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。自主飛行技術(shù)不僅能夠提升飛行安全水平，還能有效降低運(yùn)營(yíng)成本，并顯著提高空中空間的利用效率。同時(shí)，AI技術(shù)在路線(xiàn)優(yōu)化、預(yù)測(cè)性維護(hù)以及實(shí)時(shí)決策等方面發(fā)揮著重要作用，從而全面提升eVTOL操作的整體性能和可靠性。

 

（四）環(huán)境影響和可持續(xù)性

 

eVTOL飛機(jī)有望通過(guò)減少對(duì)化石燃料的依賴(lài)和緩解交通擁堵，從而降低城市交通對(duì)環(huán)境的影響。采用電動(dòng)推進(jìn)技術(shù)，使得這類(lèi)飛機(jī)相較于傳統(tǒng)飛機(jī)具有更低的排放和噪音水平。隨著行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，將更加注重可持續(xù)實(shí)踐，包括利用可再生能源和采用環(huán)保材料。

 

（五）監(jiān)管框架和公眾接受度

 

eVTOL飛機(jī)的成功部署需要支持性的監(jiān)管框架和公眾接受。監(jiān)管機(jī)構(gòu)正在努力制定eVTOL認(rèn)證和運(yùn)營(yíng)的標(biāo)準(zhǔn)和指南。公眾接受程度將取決于能否充分展示eVTOL技術(shù)的安全性、可靠性和所帶來(lái)的益處。社區(qū)參與和透明溝通在建立信任、解決噪音、隱私和安全問(wèn)題等方面起著至關(guān)重要的作用。

 

八、結(jié)論

 

eVTOL飛機(jī)標(biāo)志著航空技術(shù)的一次突破性飛躍，有可能徹底改變城市出行，并能解決交通擁堵、排放超標(biāo)和交通效率低下等緊迫問(wèn)題。其發(fā)展與應(yīng)用涉及技術(shù)創(chuàng)新、監(jiān)管框架構(gòu)建以及公眾接受度之間的復(fù)雜互動(dòng)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和監(jiān)管體系的完善，eVTOL有望成為未來(lái)城市和區(qū)域出行解決方案的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。