电动垂直起降飞行器的发展现状

摘要

近年来,电动垂直起降（eVTOL）飞行器在城市空运中得到快速发展。本文介绍了近5年来世界范围内主要的在研电动垂直起降飞行器项目,从飞行器布局形式、总体设计参数、推进系统类型、飞行控制等级等方面进行了归纳和总结,分析了不同构型下相应电动垂直起降飞行器的主要特点,辨识了电动垂直起降飞行器作为一类特殊飞行器在产品实现过程中涵盖的主要关键技术,提出了电动垂直起降飞行器未来的发展路线,并指出了其商业化发展所面临的主要挑战。    

近年来,随着航空电机、电池、电传飞控、复合材料结构等关键技术的快速发展,电动垂直起降（electric Vertical Take-Off and Landing,eVTOL）飞行器因其自身特点在城市空中交通（UAM）领域正迎来革命性的发展,其主要用于城市短距离空中旅客与货物运输,可有效缓解交通堵塞,减少交通时间,降低大气污染。

eVTOL 区别于常规飞行器的主要技术特征有：（1）可实现垂直起降；（2）采用分布式推进；（3）运用全电/混合动力技术。与常规直升机相比,eVTOL 的显著优势包括：低碳环保、噪声低（采用电动推进）、自动化等级高（多为自主飞行）、运行成本低（简化了结构及维修成本）、高安全性和可靠性。因此,eVTOL 被看作是最具发展前景的、可作为城市空中交通运输这个大众市场的有效运载工具,近几年来得到迅猛发展。

eVTOL发展现状分析

一、eVTOL分类

根据垂直飞行协会（VFS）的统计,截至2020年2月,世界范围内共有253 个eVTOL 项目,将近188 个eVTOL 厂家[7]。根据eVTOL News 网站（VFS 主办）的分类,eVTOL重点分为以下三类。

（1）矢量推力型（Tilt-X）：在不同使用阶段,通过改变推力方向,实现垂直起降和巡航。典型的例子如Lilium-Jet、Joby-S4等,该类eVTOL数量达到97个；

（2）升力+巡航型（Lift+Cruise）：升力和巡航用的螺旋桨是独立的,分别实现垂直起降和巡航。典型的例子如Boeing-PAV、Wisk-Cora等,该类eVTOL数量达到97个；

（3）多旋翼型（Multi-copters）：无巡航用螺旋桨,完全通过控制多旋翼的升力大小实现飞行。典型的例子如Ehang-216、Volocity、LIFT-Hexa 等,该类eVTOL 数量达到119个（其中含46个单人可悬停飞行器、19个电动旋翼机）。

总的来看,三种类型的eVTOL 数量大体相当,均达到30%以上,其中多旋翼型占比接近40%。

二、典型矢量推力型eVTOL分析

1、 A3(Airbus)-Vahana

Vahana 是由空客公司硅谷创新中心（A3）于2016 年初启动的研究项目,原型机在2018 年1 月31 日实现首飞,此后进行了一系列的验证测试。仅在2019年,就测试飞行达130 多次,累计飞行将近14h,最远飞行距离将近50km,单次最长飞行时间将近20min。Vahana 原型机如图1 所示。Vahana主要特性信息见表1。

表1 Vahana主要特性信息

图1 Vahana原型机

2、Lilium-Jet

Jet由位于德国慕尼黑的Lilium公司研制,是一型电动5 座垂直起降飞行器,其机翼上共布置12 个可垂直偏转的襟翼,每片襟翼上集成三个喷气电动机。与传统设计相比,Jet无需齿轮箱、螺旋桨和冷却装