飞行从未止步电动垂直起降飞行器再续新篇

2021-12-04

海外星云 2021年20期

飞，或许是不同地域、不同时代人类共有的梦想。

因为向往飞，所以有神话小说里的腾云驾雾；因为追寻飞，所以有莱特兄弟和其他飞行先驱的创造；因为想飞得快，所以有发动机的推陈出新；因为想飞到更广阔的天地，所以有火箭和航天飞机。

飞行场景的壁画

如今，交通的拥堵引发了人们对航空器进入日常城市城际通勤领域的向往。目前，虽然各类飞机已遍及世界各大洲天空，但喷气式飞机不适用短途日常飞行，而直升机噪音大、运行成本高等问题也限制了其作为一种日常交通工具在民用领域推广，主要应用场景局限于军事和特种任务，而非城市通勤。

城市和居民渴望使用便利、噪音低、维护方便、使用成本低、智能化并且环保的飞行器实现更自由更有效率的出行，于是，电动垂直起降飞行器为代表的次时代飞行器应运而生。

次时代飞行器的快速发展之路

2011 年，世界直升机巨头意大利AugustWestland发布的一款名为“零点项目”的原型机，电动垂直起降飞行器概念源首次以实际产品的形式被提出。

该机用于验证全电力驱动、全新推进模式等一系列先进技术和设计理念。经过这次尝试，航空业开始意识到已有近百年历史的直升机在民用领域还有巨大的改进空间，新一代飞行器在能源类型、结构设计和控制系统等层面的革新所产生的化学反应，足以对人类的出行和生活方式产生巨大影响。

Uber空中出租车

2014年，美国直升机国际协会、美国航空宇航协会在弗吉尼亚大会上正式将电动垂直起降飞行器概念引入。由于对行业的熟悉及判断，全球范围内传统航空企业和造机新势力开始启动电动垂直起降飞行器项目的研究。

2016年，出行巨头Uber提出的“Uber Elevate”空中出租车计划，直接在欧美市场引发了电动垂直起降飞行器浪潮。在此之前，如果生产端企业入局或许还不足以说明电动垂直起降飞行器的巨大商业潜力，应用端企业入局，这场“出行革命”的关注者扩大至政府机构、投资者和普通民众。

此时，已有超过70年历史的垂直飞行协会也意识到，随着电池和电源管理、电动机、轻型复合材料结构、电传飞控等关键技术的发展，电动垂直起降飞行器技术具有引发新一次航空革命的潜力。垂直飞行协会将电动垂直起降飞行器技术定义为75年前直升机诞生以来航空业最重要的技术变革之一。

2017年，由垂直飞行协会编制的第一份电动垂直起降飞行器飞机目录对外发布，希望通过相关工作，帮助业内的公司、研究人员和政府机构，共同突破技术、法规、基础设施、交通管理和安全性等问题在内的诸多商业障碍。

2019年，欧洲航空安全局（European Aviation Safety Agency，EASA）发布了全新的航空管理规定，应用于小型电动垂直起降飞行器认证。其后持续发布相关规定拓展和细化相关要求，为新型飞行器建立更加适用的全新监管框架。而美国联邦航空局正在对其航空法规小型飞机认证部分进行修订，允许飞机、发动机和螺旋桨作为一个整体进行认证，这使得推进系统和机体高度集成的VTOL设计理念受到了法律层面的支持。

至此，电动垂直起降飞行器产业发展的外部条件逐渐完善，而行业内部在经历了早期的有无驾驶员、专业研发与随意创新、适航及安全标准等技术和商业层面的争论之后，也逐渐达成了有驾驶员、高安全标准和以城市空中运输（UAM）为主要应用目标的电动垂直起降飞行器发展共识。

电动垂直起降飞行器产业快速生长，垂直飞行协会发布的电动垂直起降飞行器飞机目录所收录的产品已由最初的6个激增到接近300个。涌现出JobyAviation、Archer、Volocopter、Lilium、Beta等活跃在科技领域的一系列明星电动垂直起降飞行器公司和产品。

东风渐起，中国电动垂直起降飞行器展翅

全球电动垂直起降飞行器热闹非凡，中国市场也同样是电动垂直起降飞行器发展的热土。

在市场需求层面，相较于发达国家，中国重点城市的人口聚集效应更加显著。根据中国城市规划研究院发布的《中国主要城市通勤监测报告》，处于超过1小时极端通勤状况的人口大于2500万，人们对便捷交通的需求较西方更加旺盛。

在技术层面，近几年来，汽车产业全面向新能源转型风潮推动上游能源系统产业迅猛发展，而使航空分布式电力推进技术（DEP）成为可能且趋于成熟。

在政策层面，考虑到电动垂直起降飞行器产业作为能创造绿色GDP的新兴制造产业和缓解城市拥堵病的未来解决方案，中国的相关管理部门也展现出了积极开放的态度，湖南、安徽等省份率先尝试推动低空域完全开放。

VOLANT eVTOL缩比样机

此外，随着ARJ21、C919 以及CR929、新舟系列等一批国家重大民机项目的开展，中国航空制造业取得了长足进步，人才储备和航空供应链的支撑能力也不可同日而语。

此背景下，在这一条新赛道，中国电动垂直起降飞行器飞机技术企业正与欧美发达国家企业齐头并进，以VOLANT沃兰特为代表的高科技初创公司应运而生。

不同于诸多领域中国企业的“市场先行，技术补课”传统发展思路，航空业作为高度监管的行业，对于市场准入有着严格的要求，世界各国监管当局代表公众利益，对任何从业者，无论是央企还是初创公司都不会降低标准。这就使得没有充足技术能力支撑的市场先行一定会变成无法交付的不可行，而技术补课的代价也高昂到绝大部分企业甚至整个行业都难以承受。

VOLANT团队主要来自中国商飞、中航工业、通用电气、柯林斯宇航等国内外顶尖航空企业，大多数具有国内国际航空名校硕士及以上专业背景，各专业负责人经过平均10多年的ARJ21、C919、Bombardier C Series等重大型号研制的锻炼，对航空业的规律和航空产品的研制具有深刻的理解。

VOLANT在成立后短短两个半月内完成了1：3缩比样机的研发制造，并顺利完成了旋翼试飞，前后向转换试飞和固定翼试飞工作，展现了扎实的技术功底和强大灵活的产业链协调能力。

东风渐起，中国电动垂直起降飞行器展翅

与3年～5年前的欧美市场相似，未来几年，中国电动垂直起降飞行器产业一定会面对许多挑战和纷争，然而，中国的电动垂直起降飞行器行业能否健康发展，企业能否成长壮大，有赖于政府和监管当局的支持，资本的支撑，更取决于从业者对行业和市场的理解，对竞争的态度，对科学与专业的尊重，以及对一系列重大问题的抉择，比如适航路径和飞机等级的选择，飞机和动力构型的选择，以及要不要可操纵飞机的驾驶员等。

适航路径和飞机等级的选择本质上是一个商业问题，而不是一个技术性问题。

根据CCAR21部民用航空产品和零部件合格审定规定第七章第21.171、21.175条和第八章的规定，有三种不同的情形可以允许航空器飞行：取得标准适航证，取得特殊适航证，或者取得特许飞行证，每种情形对应完全不同的要求和限制，从而决定了其用途和商业前景。

标准适航证颁发给按照规定取得21.21条型号合格证或者21.29条型号认可证的正常类、实用类、特技类、通勤类、运输类航空器，载人自由气球，特殊类别航空器（如滑翔机、飞艇、甚轻型飞机和其他非常规航空器）。取得标准适航证是实现商业载客运行的基础条件。

特殊适航证颁发给上一条规定之外的，取得第21.24条、第21.25条或者第21.26条的型号合格证或者第21.29条的型号认可证的初级类、限用类、轻型运动类航空器，以及局方同意的其他情况，特殊适航证分为初级类、限用类和轻型运动类三类。航空器取得特殊适航证后，不得从事商业性载客运行，并且应当在局方规定的限制条件下进行，通常应避开空中交通繁忙的区域、人口稠密地区以及可能对公众安全造成危害的区域。

贝尔 X-22A，1966年3月17日首飞

而对尚未取得适航证的飞机，包括试验类飞机，可以依据21.212条申请特许飞行证。取得特许飞行证的航空器不得用于以营利为目的的运输或者作业飞行，应当避开空中交通繁忙的区域、人口稠密地区以及可能对公众安全造成危害的区域。

因此，如果以UAM市场为目标，在城市等人员密集区运行，或者是商业载客运行，按高标准研制并取得标准适航证是唯一可行的路径。轻型运动类，初级类，试验类飞行器，甚至一些按较低标准研制的标准适航证飞机，虽然可能研制难度较低，取证也较为容易，但在现行管理框架下低等级飞机无法也不应该进入真正的UAM市场。

飞机和动力系统构型是电动垂直起降飞行器飞机最直观也是最重要的区别之一。不同的选项意味着在安全性、性能，优化空间，适航风险，开发成本，研制及进入市场时间等方面的巨大差异，每家电动垂直起降飞行器企业应该基于对市场和技术的理解，结合公司自身的情况审慎决策。

倾转翼是一种历史悠久的技术，起源于20世纪五六十年代，经过多年发展，20世纪80年代末成功应用于贝尔-波音V-22 Osprey多任务飞机，累计生产了400余架，但由于操纵复杂，维护要求高，安全记录不佳，累计发生了12起全损事故，42人丧生。

近年来，Joby Aviation和Bell基于他们自身技术积累选择再次尝试将倾转翼构型 Tilt-X引入民用领域，其中Bell Nexus的设计与其上世纪60年代研制的X-22A非常相似。倾转翼不需要专用推力系统，重量较轻，推力较大，由此可以获得较远的航程，较快的飞行速度。

然而，在目前能源系统约束下，固定翼电动垂直起降飞行器航程在150千米～350千米之间，倾转翼技术航程远，航速快的优势无法得到有效发挥。

另一方面，倾转翼复杂的控制，额外的倾转机构和更高的维护要求，以及更加难以优化的动力系统，对研制、运行、安全方面带来了一系列难以解决的挑战，对于没有相关技术积累的公司则意味着非常高的研制风险和成本，更难的适航验证过程，更长的研制周期。因此，倾转翼构型并不适合没有深厚相关技术储备的公司冒然作为主技术构型。

贝尔 Nexus

Volocopter采用了由18个独立旋翼组成的多旋翼构型，这一构型技术风险和研制难度较低，相较于传统直升机，大大简化了机械结构，提高了安全性，降低了运行成本和噪音，适合对航空技术和行业不够熟悉的企业作为起步和学习，但多旋翼构型在一定程度上沿袭了直升机飞行效率较低的缺点，所以航程较短、速度较慢、使用场景相对有限。

Volocopter的18旋翼结构

Lilium选择的技术路线最为吸引眼球，除倾转翼外，还使用了小尺寸电涵道风扇、完全矢量控制等技术，飞机由多达36个可倾转小尺寸电涵道风扇提供升力、推力和姿态控制，完全取消了传统飞机的控制舵面，极具未来感。

涵道风扇技术尤其是大尺寸涵道风扇广泛应用于高亚音速飞机，在噪音隔离、故障包容、流场干扰等方面具有一定优势，在中低速飞机上却因为重量、成本、效率等方面的劣势，而鲜有使用。

推力矢量控制技术一般应用于追求高机动性的战斗机上，是战斗机超机动能力的重要来源，而无控制舵面的完全矢量控制技术却未被任何飞机采用或者完全验证过，这意味着巨大的研制，适航、安全、周期等方面风险，而且，对于民用飞机而言，安全性、舒适性和成本控制比超机动性更加重要。

总体而言，Lilium构型技术、适航、商业化风险非常大，且其主要技术特征对中短航程、低速、民用电动垂直起降飞行器的适用性需要深入研究和探讨，更适合学校和军用科研单位进一步研究。

Lilium的小型管道式风扇设计

复合翼构型虽然是在分布式电动力系统DEP后才出现的全新飞机构型，却最大程度上保留了传统固定翼飞机的特征，而且在此基础上显著提高了飞机的安全特性，这意味着优良的技术性能，较低的研制风险和成本，局方熟悉的适航路径和符合性方法，以及较快的研制速度，是当前技术市场条件下，最为平衡合理的选项，也是大部分具有深刻行业经验和洞见的公司包括中国VOLANT公司、美国Beta公司、巴西航空旗下的 EVE 公司、波音旗下的Aurora公司等不约而同的选择，德国Volocopter和欧洲空中客车经过多年摸索，也转向了这一构型。

Beta（左）及VOLANT（右）水平和垂直旋翼的复合结构

至于是否需要飞行员，更合理的问题应该是“什么时候以及该如何实现安全的无驾驶员全自主飞行？”，这个问题本质上也是两条截然不同的路线的选择：一条路线是无人机载人化，甚至客运化。这条路线貌似捷径，实则非常激进，技术障碍和管理风险巨大，虽然有企业尝试参考低等级航空器进行适航和运行管理，但目前仍看不到可行的实现路径，且即便得到低等级适航证，运行区域和应用场景也将极大受限，商业前景非常有限。

另一条路线是客运飞机全自主化，即在现有高等级民用航空系统基础上，以及传统航空产品研制规范和体系下，不断探索，稳步研发，逐步实现飞机的全自主飞行。

这条路线的完全实现乐观估计需要10年～15年和多个中间步骤，第一步通过SVO等先进飞控和驾驶舱技术降低对飞行员的要求，再逐步完善各系统功能，过渡到仅需系统操作员或者安全监督员，最后实现无操作员飞行。

该路线在技术方面面临许多挑战，其中包括：一是对外界环境及其变化的可靠探测及处置；二是对飞机各系统的健康状态监测、故障隔离和复杂处置；正是因为这些问题，当前民航飞机虽然具备完善的自动飞行系统、飞行管理系统，各系统健康监控能力，故障隔离处置能力也远高于包括无人机在内的绝大多数行业，飞机功能也完全具有全程自动飞行能力，却仍需配备两名飞行员，且法规要求在关键飞行阶段和某些情况下必须由飞行员操纵飞机。

与第一条路线相比，客运飞机全自主化貌似更加复杂艰难，保守缓慢，但VOLANT和当前几乎所有主要欧美电动垂直起降飞行器企业（仅除Wisk 以外），FAA、EASA等监管当局和美国国家航空航天局等权威科研机构一样，坚定的相信这才是最终实现无驾驶员全自主飞行的正确且最快的道路。