技术流｜浅谈eVTOL构型

编者按

最近国内eVTOL融资额融资额，说明了资本市场对这一领域越来越看好。不过回到产品本身而言，平台构型、飞控驾驶和动力推进仍是eVTOL的三大关键技术（张扬军：平台构型、飞控驾驶和动力推进是飞行汽车三大关键技术），今天就由eVTOL业内老兵“小飞侠”为大家带来一篇关于介绍eVTOL构型的文章。

定义：

美国垂直飞行协会（Vertical Flight Society）从2016年起对全球的eVTOL制造商和机型信息进行收集、整理、分类，是行业内影响力较大的组织。在其发布的全球eVTOL飞行器名录（WorldeVTOL Aircraft Directory）中，对eVTOL机型做出了以下分类和定义（https://evtol.news/aircraft）：

-      Vectored Thrust: an eVTOLaircraft that uses any of its thrusters for lift and cruise.

-       Lift + Cruise: completelyindependent thrusters used for cruise vs. for lift without any thrustvectoring.

-      Electric Rotorcraft: an eVTOLaircraft that utilizes a rotor, such as an electric helicopter or electricautogyr.

-       Wingless (Multicopter): nothruster for cruise – only for lift.

-    Hover Bikes/Personal FlyingDevices: the following single-person eVTOL aircrafts are considered to be inthe general class of hover bikes or personal flying devices with the primarydifferentiation being that the pilot sits on a saddle or is standing, orsomething similar. All are multicopter-type wingless configurations.

其中，Hover Bikes/Personal Flying Devices类被定义为Wingless类下的特殊分类，在后文中合并讨论。

保时捷咨询（Porsche Consulting）在2018年发布的《TheFuture of Vertical Mobility》中也对eVTOL构型进行了分类，其中未有超出垂直飞行协会定义的部分。

SMG咨询（SMG Consulting）在2021年发布了先进空中交通现实指数（Advanced Air Mobility Reality Index）https://aamrealityindex.com/）。其中引入了Augmented Lift类，笔者理解类似短距起降飞行器，由于不完全满足垂直起降的功能，在后文中不予讨论。

笔者将eVTOL机型分成以下四类，并描述其特征：

-      矢量推力构型(倾转构型），飞行器有机翼，有任一矢量推进器既提供升力也帮助巡航，实现矢量推力的方式包括但不限于倾转翼、倾转旋翼、倾转涵道。

-      复合翼构型，飞行器有机翼，有独立的推进器分别提供升力和帮助巡航，飞行器巡航时依靠机翼而非推进器提供升力。

-      多旋翼构型，飞行器有多个旋翼，没有机翼或有短机翼，飞行器巡航时也依靠推进器提供全部或部分升力。

-      单旋翼构型，飞行器有单旋翼，没有机翼或有短机翼，飞行器巡航时也依靠推进器提供全部或升力，例如电动直升机或电动自转旋翼机。

分析：

以美国垂直飞行协会（VFS)的飞行器名录为基础，选择SMG咨询录入指数且属于载客应用的机型，加上电动航空报道中较为活跃的机型，归纳了以下图表（参考了美国麻省理工学院2020年秋季课程MIT16.887-EM.427中关于全球eVTOL的研究方法（https://xlp.mit.edu/index.php/WorldWide_eVTOL），图表中没有收入采用混合动力的例如Dufour AerospaceAero3的机型以及属于载货应用的例如PipistrelNuvva V300的机型：

表1：全球主要eVTOL机型信息表

       在分类时Airbus的CityAirbus NextGen较为特殊，因为飞行器兼具了矢量推力、复合翼和多旋翼各自的一些特点，但最终被归入复合翼构型；同此机型类似的还有未列在表中的Opener的Blackfly。

图3：巡航速度 vs. 航程

图4：有效载荷 vs. 航程（按机型构型）

通个对收集样本的数据分析，可以发现不同构型的特点以及行业趋势：

-      从表1分析，倾转构型机型最多，单旋翼构型最少（1个）；且近两年公布的机型多为倾转构型或复合翼构型。

-      从图3分析，倾转构型在综合考虑航程和巡航速度时有明显优势（如果不考虑BETA Technologies的Alia-250），多旋翼构型最为劣势。

-      从图4分析，倾转构型在综合考虑航程和有效载荷时有明显优势（如果不考虑BETA Technologies的Alia-250），多旋翼构型最为劣势；

另外还有一些公开的案例作为分析结论的验证。

Airbus A3的Vahana：

负责Vahana开发的Airbus A3团队在项目初期，采用多学科优化设计（multidisciplinarydesign optimization）的方法对电动倾转翼和电动直升机构型进行了比较权衡，并得出了以下结论：

“At low design ranges a helicopter is shown to be a compellingconfiguration, while at longer ranges the improved cruise aerodynamics make thetilt-wing configuration more compelling. The exact DOC values and crossoverpoint are sensitive to many assumptions inherent in such a conceptual designtool.”

A3团队非常慷慨地在官方Blog上分享了他们的假设、方法和结论（https://acubed.airbus.com/blog/vahana/vahana-configuration-trade-study-part-i/和https://acubed.airbus.com/blog/vahana/vahana-configuration-trade-study-part-ii/），并在GitHub上共享了多学科优化设计的相关代码。

Kitty Hawk的Flyer、Cora和Heaviside：

Kitty Hawk团队在2017年推出了多旋翼构型的Flyer（此项目已于2020年终止），在2018年推出了复合翼构型的Cora（在2019年底Kitty Hawk将Cora机型并入了与Boeing成立的合资公司Wisk），并在2019年推出了倾转构型的Heaviside。

Kitty Hawk在2020年中发布的一个视频中表示Heaviside采用当时的锂电池技术可以实现100英里（约161公里）的最大航程，并声明宣传的性能均来自于飞行试验--（https://kittyhawk.aero/heaviside/）。Cora目前官网声明的航程为25英里（约40公里）加备用航程，之前声明的最大航程为62英里（约100公里）。

Joby的S4：

Joby Aviation在2021年中发布的声明表示其飞行器采用当时的锂电池技术实现了超过150英里（约248公里）的航程，并持续飞行了1小时17分钟。（通航圈注：77分钟248.8公里！美国电动航空公司Joby创造纯电动载人eVTOL单次充电飞行距离里程碑）（https://www.jobyaviation.com/news/joby-completes-flight-of-more-than-150-miles/）

推论或结论：

单旋翼构型同直升机相比，既没有解决单点失效相关的安全性问题，也没有解决旋翼带来的噪音问题，因此在行业中颇为受冷，仅Jaunt Air Mobility的Journey较为知名。

多旋翼构型的有效载荷和航程都相对有限，因此面对的应用场景也相对固定。主打此构型的头部企业Volocopter在2021年推出了复合翼构型的VoloConnect，而EHang也在2021年推出了复合翼构型的VT30。

复合翼构型受到了传统航空企业的偏爱，例如Airbus的CityAirbus NextGen，Boeing与Kitty Hawk合资公司Wisk的Cora，Boeing子公司AuroraFlight Sciences的Pegasus PAV（此项目的团队成员已调动到Wisk，项目疑似已经终止），Embraer子公司Eve Urban Air Mobility的EVE均采用了此构型。复合翼构型可以总结为中庸，运营经济性一般。

在2021年通过SPAC（SpecialPurpose Acquisition Company）方式上市的Joby Aviation、Lilium、Archer等，当前收到最多意向订单的Vertical Aerospace等均采用了倾转构型。此构型会带来额外的技术挑战，但回报的是最佳的有效载荷/最大起飞重量，而通常情况下这也代表了最佳的运营经济性。

站在未来看现在，我们需要什么样的飞行器呢？我会希望是一架安全的、舒适安静且价格亲民，并能更快速到达目的地的垂直起降飞行器。更少的时间在路上，更多的时间在HAPPY。

来源：飞行汽车eVTOL 作者：小飞侠  机型配图编辑：通航圈

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