eVTOL飞行器的发展态势与应用场景综述

■ eVTOL基本概念

       eVTOL是指以电力作为飞行动力来源且具备垂直起降功能的飞行器，具有垂直起降、智能操作、快捷机动、低成本、低噪音、零排放、易维护、高安全等特点，相对传统飞行器相比，安全性、智能性、经济性和环保性的优势显著，可使人和货物以无缝、经济的方式在城市低空快速流动与灵活作业，能高效开发城市低空空域资源，有效缓解日益严重的城市地面交通拥堵问题，并解决空中物资运输和交通出行的迫切需求，大幅提升快捷及时、按需响应效率，顺应了电气化、绿色化、智能化的发展趋势，是一种面向未来城市空中交通（UAM）场景、更符合未来城市综合立体交通系统的飞行器形态，为超大城市、都市圈及城市群创造了新的通勤方式。

       全球范围内新兴的eVTOL研制与开发种类繁多、形态各异，基于运行模式、整机构型、动力能源、设计载荷、目标客户、适航认证等维度，可将主流eVTOL分成不同的类别。根据运行模式，eVTOL可分为有人驾驶和无人驾驶两种类别，或者载人、载客及兼容载人载客三种类别。按照动力能源维度，eVTOL可分为全电动、混合动力两大类，全电动类别包括锂电池、氢燃料电池、太阳能电池三种，混合动力类别包括锂电池+氢燃料电池、锂电池+燃油两种。按照整机构型维度，eVTOL可分为多旋翼型、矢量推进型、升力与巡航复合型、可变构型等四大类，其中矢量推进型包括倾转旋翼、倾转机翼、倾转涵道三种。按照设计载荷维度，eVTOL可分为轻型（有效载荷100-200kg）、中型（有效载荷300-500kg）、重型（≥1000kg）三类。按照目标客户维度，eVTOL可分为2B（商业运营类，指载人客运、载物货运、低空旅游等）、2G（政府服务类，指城市管理、警务安防、国防军事、应急救援等）、2C（私人飞行类，个人或家庭出行）。按照适航认证维度，eVTOL可分为基本型（需要在升力系统、机载设备等发生严重故障时，可控着陆，不能用于人口聚集区上飞行或商业运营）和增强型（需要在升力系统、机载设备等发生严重故障时，仍保证安全飞行，可用于人口聚集区上空飞行和商业运营）。

       目前，对外公开的eVTOL项目主要面向城市的通勤市场，基于货物运输需求的项目占少部分，也有一些项目同时规划有载人版和物流版。eVTOL的整体构型设计路线、机体气动性、整体轻量化等，不同构型的整体构型，会产生不同的空中气动阻力、起降效率、推进效率与飞行距离，主要体现为最大航程、巡航速度、飞行高度、乘客数量与最大载荷等效能参数不同，也就决定了eVTOL的运行模式、服务范围与应用场景有异。基于推进动力考量eVTOL可分为三大类：矢量推进型、升力与巡航复合型以及多旋翼型，其中矢量推力可以再细分为倾转旋翼、倾转机翼、倾转涵道等类型（如表1所示）。

       eVTOL普遍采用了分布式电推进设计技术，由于目前电池能量密度快速提升，全电动技术项目数量占比达66%，混合动力技术项目占比约为28%。目前，混合动力eVTOL更适合短途城际航线垂直起降模式，是城市空运市场从传统动力飞机向全电动飞机发展的重要过渡。为加快符合适航审定与任务需求，部分全电项目转向了混合动力技术。碳氢化合物燃料比电池储存能量要好很多，而精心设计的混合动力eVTOL可能更清洁、安静、运行成本更低。另外，无人机货运方面也开展探索尝试开发太阳能eVTOL。

■ eVTOL技术路线

       eVTOL设计研发的技术路线主要依据预设的应用场景与目标市场，需要极高的技术研发实力与垂直集成能力，重点从飞行器气动布局与总体构型角度进行抉择与调整。在eVTOL这个全新的高科技赛道，不同的eVTOL研发机构采取不一样的技术路线。根据全球现有的eVTOL开发情况，可以将其分为多旋翼构型、复合翼构型、倾转构型、倾转涵道风扇+完全矢量控制、隐藏式推进系统+无翼设计等5种技术路线（如图1所示）。eVTOL制造商基于不同的技术路线，需要建立相应的研发体系、供应体系和生产体系，其研制能力涵盖飞行机体、结构及强度、飞控核心算法、电气系统、航空特性等设计能力，也包括整机总体集成设计、动力能源系统、航电飞控系统、适航性设计等工程能力。

图1：eVTOL主流技术路线种类图示

       多旋翼型eVTOL虽然可靠性可能高于直升机，但有效载荷和航程都相对有限，所面对的应用场景也相对固定，在噪声控制、地面损伤控制上尚无突破性解决方案，初创公司大多采用多旋翼型，或是eVTOL初创公司前期产品。倾转构型eVTOL在综合考虑航程、巡航速度和载重比方面优势明显，具有较好的有效载荷、最大起飞重量和运营经济性，使其在未来商业场景中为用户节约更多出行时间，但带来了额外的技术挑战。复合翼型受到了传统航空企业的偏爱，由于配置了专用的水平推进螺旋桨，而不是垂直阶段和水平阶段共用一套螺旋桨，可以有效地提升巡航效率、航程和安全性。倾转涵道风扇+完全矢量控制型由于在动力可靠性、噪声控制、气动效率上有可能获得更优的平衡。尽管涵道风扇在悬停模式下效率稍高，但在巡航模式下会产生更多阻力。不同技术路线的eVTOL都具各自的特点、优势、劣势及代表机型（如表2所示）。此外，由于复合翼构型方案死重大飞控系统就简单，倾转方案死重小而飞控系统复杂，于是也设计了复合翼结合倾转构型的综合方案（“死重”指的是对当前的飞行没有帮助，却因为种种因素，必须携带的部件重量）。目前，很难判断何种技术路线最佳，行业各参与方也尚未达成共识，复合翼方向兼顾实现可行性及先进性，倾旋翼方向更为先进，但实现的技术难度更大，今后也可能出现具有多种方案优点的新技术路线。

表2：不同技术路线eVTOL对比分析表

       目前而言，各国近期推出的eVTOL项目倾转构型机型最多，多旋翼构型最少，复合翼成为大部分行业龙头公司的研发选择。国外eVTOL制造商的技术方向总体而言比较一致，如Joby、Archer、Lilium和Vertical等公司都采用倾转、倾转涵道或倾转旋翼的整体构型。在2021年通过SPAC方式上市的Joby Aviation、Lilium、Archer等公司，以及目前收到最多意向订单的Vertical Aerospace等公司均采用了倾转构型技术路线。最近两年发布的eVTOL多为倾转构型或复合翼构型，未来这两种机型增长潜力最大。主打多旋翼构型的头部企业Volocopter在深入研究和开发纯多旋翼布局的2座VoloCity后，在2021年也推出了复合翼构型的VoloConnect。虽然复合翼构型的运营经济性一般，但在eVTOL机型设计中是非常流行的配置，由于具有简单性和多功能性的特点，eVTOL厂商广泛采用该技术路线，以用于城市间出行或更远距离的飞行任务。同时，当前不少多旋翼eVTOL厂商正在考虑使用升力+巡航构型以获得高航程，例如亿航智能之前的旗舰载人eVTOL是采用纯多旋翼布局EH216，现在也开发2座升力+巡航构型技术方案的VT30。Embraer子公司Eve Urban Air Mobility的EVE均采用了此构型。对于短航程任务（7公里）而言，与多旋翼eVTOL相比，“升力+巡航”的复合翼及混合构型eVTOL的表现并不占优势，但对于更长航程的任务，推力矢量构型eVTOL的表现最优。复合翼及倾转旋翼机型在电池技术发展之后，续航里程会从100km扩展到300km，相对于多旋翼的优势会更明显，因此我们看到传统的多旋翼eVTOL厂商也纷纷开始复合翼机型（含倾转旋翼）的研发。

■ eVTOL发展态势

       当前，世界主要航空国家都在积极迈进eVTOL新赛道，以抢占未来城市低空智能交通的制高点。eVTOL飞机的研发进展可分为四个阶段：概念设计、缩比验证机测试（包括地面试验、悬空试验、起降试验等）——全尺寸验证机测试（包括飞行模式测试、飞行姿态测试、飞行悬停试飞等）——试制原型机试飞（本场试飞、转场试飞、噪声检测、载人试飞\载货试飞、模拟场景测试等）。eVTOL的设计研发与测试验证是一个复杂的系统工程，需要融合空气动力学、飞行力学、结构力学、仿生学、材料学、计算机、控制理论等多门学科知识，涉及理论计算、仿真实验、样件试制、生产组装、台架实验、静力实验、振动实验、系留实验、试飞实验等多项技术工作，通过动力系统台架试验、飞机静力试验、飞发耐久试验、半物理实物仿真试验等大量的地面试验，经过气动性能、倾转特性、操纵测试、组件测试、风洞测试、噪音测试等测试过程。当前，eVTOL的开发状态（具体如图2所示）总体上还处于从概念设计迈向商业化应用的早期阶段。

       据粗略统计，全球1/4的eVTOL项目处于飞行测试阶段，50%左右的eVTOL项目处于概念设计阶段，多旋翼技术和混合布局技术飞行测试项目占比较高，达30%以上。据2022年8月的美国垂直飞行协会（VFS）发布的最新统计，全球超过700个eVTOL设计研发项目，其中235个矢量推进构型布局，124个升力+矢量推进构型布局，195个多旋翼构型布局，103个为悬停自行车和个人飞行器，47个电动旋翼机设计，涉及全球48个国家的347家公司或创新机构。其中，主要分布的国家是美国（124个）、英国（24个）、中国（21个）、德国（19个）和加拿大（17个），占所有设计实体的近60%。从eVTOL项目的投资金额来看，2021年eVTOL项目的投资总额较2020年增加了一倍。据《2021年度亚太地区城市空中交通报告》，亚太地区14家eVTOL制造商中，有2家仅提出了概念机型，4家已完成缩比验证机的测试，5家制造商已经发布了全尺寸的工程验证机，仅有3家制造商进入了载人飞行测试阶段。

（数据来源：VFS统计目录）

       eVTOL制造商追求的是飞行器更好的续航能力、航程、爬升性能及运行能效比，创造平稳安静的飞行体验，并通过航空监管部门的运行性能（包括飞行性能、飞行特性、载荷条件等）、机体性能（结构特性、组件性能等）、安全性能（动力失效保护、冗余备件系统设计、能源失能处置等）等合规性认证。eVTOL开发工程团队需要通过建立先进的数字化开发体系，集成多学科仿真模型、验证外形气动效率和飞行控制逻辑，创建完善包括线路规划、后勤维护、检查放飞、安全保障的试飞体系，并搭建一定数量基础的飞行测试及数据库，在气动构型、飞控系统、电机、新能源电池、通讯导航系统、整机轻量化设计、机身复合材料等方面进行不断的优化改进与技术迭代，并达到工程设计与运行性能指标，最终设计定型和通过适航审定，才能投入市场销售推广与商业运营。

       eVTOL作为新型飞行器，其电池、电机、驱动器、倾转机构、控制策略、载荷工况、操纵系统等方面均采用了新技术，其安全性、可靠性、性能等需要试验科目予以验证测试。由于eVTOL一般在人口稠密城市上空低空飞行的特性，其安全监管将比地面交通更加严格。目前，没有一家eVTOL制造商获得FAA（美国联邦航空局）或EASA（欧洲航空安全局）的完全认证，仅有极个别公司预计在未来两三年内获得相关认证。各国eVTOL制造商竞相加快认证进度，以在全球范围率先获得航空主管部门的适航许可，抢先开展商业运营取得市场先机。当前，欧美eVTOL领域的研究较为成熟，其中美国、德国处于领先地位，中国eVTOL研发不落后于欧美，在亚太地区处于领头羊地位（参见表3）。

（信息来源：根据互联网公开发布信息整理）

■ eVTOL应用场景

       eVTOL作为城市空中交通的载运工具，能够渗透到城市中心，进行点对点的交通运输。eVTOL应用场景主要有三个关键条件——人口密集的城市地区、100-1000米的低空领域、点对点。目前，eVTOL运行分为无人驾驶、有人驾驶两种模式，制造商主要聚焦城市客运与货运两个主要方向，并结合目标应用场景不断通过技术创新促进产品迭代升级。与民用客机比较，大型民机主要解决1000公里以上的空中运输，而eVTOL主要解决人口密集的城市空间内、城郊及城际点对点的空中运输，在拥挤的城市内、城郊、都市圈进行短程通勤时具有显著的成本效益。

       eVTOL制造商为布局载人、载物及特殊作业的不同应用场景而开发不同机型。例如，德国Volocopter公司开发的eVTOL项目有多旋翼、2座、航程80km的VoloCity适用于空中出租车，有复合翼、4座、航程100km的VoloConnect用于城郊/城际通勤，以及多旋翼、航程40km、最大载荷200kg的VoloDrone适用于空中物流。航空巨头空客公司研制的eVTOL项目有倾斜翼、1座、航程30km的Vahana适用于城市空客运和货运（项目现已中止），也有多旋翼、4座、航程60km的CityAirbus适用于城市空中出租车，还有固定翼+V型尾翼、4座、航程80km的CityAirbus NextGen适用于城市空中各类作业任务，以及多旋翼、2-5kg包裹载荷的Skyways适用于城市快递业务。我国亿航智能公司研发的eVTOL项目有多旋翼、1座、航程50km的EH184与多旋翼、2座、航程35km的EH216/EH216-S均为适用于载人交通和低空旅游，也有多旋翼、航程35km、最大承载200kg的EH216L适用于大载重空中物流和医疗急救，还有为高空消防作业定制开发了多旋翼、飞行高度600m、可携带6枚破窗弹和150kg灭火剂的EH216F（消防版），正在研制复合翼、混合动力、2座、设计航程300km、设计续航时间100分钟的EH-VT30适用于长航距城际空中交通，可应用空中通勤、空中游览、物流运输等场景。

       目前的eVTOL有效载荷较小，也还只能短距离行驶，但也能满足少量乘客的城市飞行或是包裹递送。eVTOL整机项目在基本性能上具备可以代替轻型直升机的能力，小型eVTOL在军事、航模、农业、安防等领域已有大量应用，但用于载人运营的eVTOL，离适航取证和商业运营还为时尚早，载客通勤服务可能不会很快实现，但终端用户希望eVTOL的通勤应用可以取代目前昂贵的直升机服务，且已经受到消防应急、医疗救助和特种行业客户的青睐，未来的eVTOL要实现实现常态化商业运营仍然需要覆盖更大的市场空间。随着全球eVTOL量产，其应用场景将大幅拓展，潜在应用场景涉及城市客运（UAM）、区域客运（RAM）、城市物流配送、商务出行、紧急医疗服务、私用飞行器等多种场景模式，大致可分为载人客运、载物货运、公共服务、警务安防、国防军事及私人飞行等六大类行业场景（如图3所示）。据劳斯莱斯和罗兰贝格的专题研究报告指出，eVTOL飞行器预计将用于城市和区域空中交通服务，包括机场班车和长达250公里的城际连接。eVTOL不仅可以消除交通拥堵的问题，也有望解决偏远岛屿或山区的运输，或灾区救援行动等问题，还可服务于空中物流、医疗救助、消防救援、应急管理、旅游观光、公共服务、私人航空出行、农业生产、警务治安和军事国防等关键领域，拓展野生动物保护、地质勘探、国土资源普查与监控、测绘、电力巡检等行业应用。

图3：eVTOL应用场景示意图

■ 结束语

       作为一种新型的中短途空中交通工具，eVTOL提供了一种颇具未来感的空中出行方式。随着人工智能、电池技术、通讯导航等发展，人们可将eVTOL飞行器作为通用平台并稍作改装，先用于货运，作为军用级、民用级（特别是工业级）大型垂直起降无人机使用，待经历足够的技术积累、知识产权获得及使用后的性能改进，达到较好的安全性水平，并取得适航认证，再用于载人运输。eVTOL在旅游观光、物流运输、医疗急救、消防应急等场景投入使用，紧急医疗服务（EMS）将会是最先实现的应用场景，消防、搜索救援和空中执法紧随其后，空中游览可能是通往载客服务的一个非常好的开端，最后实现空中出租车运营。空中出租车、飞行救护车和货物运输可能是未来eVTOL的常态化用途。在未来5G网络及6G星链网络构建的万物互联世界里，eVTOL可满足城市低空短距离通勤出行及物流等一切场景需求。不久的将来，eVTOL将沿循从载物到载人、从郊区到城市、从特需到日常、从公共服务到商业化运营的发展方向，深入融合到人类生产生活各领域，创建智能高效、安全可靠和可持续发展的城市空中智能交通生态体系。