无人机油电混合动力系统（五）

符长青

本文阐述电动垂直起降飞行器的概念，并对电动垂直起降飞行器的市场定位、优势、主要技术难点进行分析。

电动垂直起降飞行器（eVTOL）以电能作为推进系统的全部或部分能源，具有垂直起降和低噪声等优势，起降无须跑道。它的出现和应用，将开启航空领域的新一轮创新与变革热潮，推动航空技术和绿色航空创新发展，将对世界航空业产生革命性影响。其成熟技术和广泛应用将成为人类社会进入无人机新时代的主要标志。

电动垂直起降飞行器的基本概念

2016年10月，美国优步公司（Uber）发布《快速进入城市空中交通白皮书》，提出电动垂直起降飞行器和城市空中交通的概念。优步公司指出，正如摩天大楼能更有效地利用有限的城市土地一样，城市空中交通将利用三维空间缓解地面交通的拥堵，同时，基于电动垂直起降飞行器构成的交通网络，未来有望在郊区和城市之间，并最终在市区内实现快速运营而可靠的交通网络。该白皮书详细介绍了城市空中交通的应用前景、应用模式和技术规划等内容。优步公司以互联网企业的思维和风格，凭借强大的号召力和雄厚的资本，迅速在全球范围内掀起了面向城市空中交通应用的电动垂直起降飞行器的投资和研发热潮。

2018年11月，美国航空航天局（NASA）发布《城市空中交通发展报告》。该报告由多家研究机构联合撰写，将城市空中交通概念定义为：基于载人飞行器和无人机系统的安全、高效城市交通运营方式，提出了末端配送、空中巴士和空中出租车等典型且最具挑战性的城市空中运输模式和交通工具。

电动垂直起降飞行器发展概况

电动垂直起降飞行器技术和城市空中运输（UAM）市场的发展如火如荼，欧洲空客公司、美国波音公司和巴西航空工业公司等老牌飞机制造商正在加大电动垂直起降飞行器等非传统飞行器的研发投入。与此同时，丰田、戴姆勒、现代等汽车厂商也不甘落后，纷纷进军电动垂直起降飞行器市场，而许多新的初创公司推出了令人震惊的创新设计，旨在与大型飞机制造商在新的领域展开竞争。

众多科技公司都在紧锣密鼓地开发电动垂直起降飞行器，寻找各种渠道募集资金，同时开展一系列载人试飞。例如，总部位于美国加州的乔比航空公司（Joby Aviation）与特殊目的收购公司（SPAC）合并上市后，其市值接近60亿美元。除此之外，美国阿奇尔（Archer）、英国垂直宇航（Vertical Aerospace）、德国百合花（Lilium）和日本“天空驱动”（Skydrive）等公司也专注电动垂直起降飞行器开发。

其实，最早研制载人电动飞机的国家是德国，1973年，全球首架载人电动固定翼飞机在德国成功试飞。最早开发电动垂直起降飞行器的国家也是德国，2011年10月21日，世界第一架载人电动垂直起降多旋翼飞行器载人后首次离地，它是德国卡尔斯鲁厄大学研究团队研制的VC-1验证机（见图1），该项目团队后来发展为沃洛考普特公司（Volocopter），成为电动垂直起降飞行器行业的领军企业之一，该公司电动垂直起降飞行适航审定工作取得了较大进展。目前，有些电动垂直起降飞行器制造商的验证机已经试飞，但大部分公司仍处于探索阶段。

虽然电动垂直起降飞行器行业目前处于发展初期，但它的预期市场规模却非常可观。其中，最有发展潜力的市场是全世界商用油动直升机的替代品。这些油动直升机价格贵，噪声大，而电动垂直起降飞行器噪声非常低，且运营成本比直升机低30%。国际知名商业咨询机构研究与市场公司（Research and Markets）预 测：到2025年，电动垂直起降飞行器的市场规模将达到1.62亿美元，到2030年达到4.11亿美元，预测期间的复合年增长率（CAGR）为20.42%。

图1 2011年10月21日，世界上第一架电动垂直起降飞行器首次载人试飞。

图2 2009—2020年电动垂直起降飞行器销售额。

风险投资公司关注电动垂直起降飞行器的发展

长期来看，成熟的技术会降低零部件成本，应用需求增长将推动电动垂直起降飞行器行业的发展。短期内，政策驱动以及产业链的不断完善，将为电动垂直起降飞行器发展提供巨大发展空间。

2018年12月，摩根斯坦利公司发布行业研究报告。该报告称，电动垂直起降飞行器市场可达万亿美元。2020年1月，美国乔比航空公司及另外两家公司在短短一个多月内连续融资，说明行业发展达到一个阶段性高峰。

从产业整体发展看，虽然电动垂直起降飞行器产业仍然处在培育期，设计方案非常多。但是综合考虑科技发展、环保追求、服务方式和经济效益等方面的要求，它已经受到世界各国科技公司和全球投资者的广泛关注。2009—2020年电动垂直起降飞行器销售额详见图2，全球风险投资公司近10年在电动垂直起降飞行器领域的投资金额详见图3。例如，2020年，13笔风险投资投给了电动垂直起降飞行器制造商，总金额超过11亿美元。其中，乔比航空公司和百合花公司获得的资金占总投资额的85%。

电动垂直起降飞行器与飞行汽车的区别

19世纪80年代人类发明第一辆汽车。约20年后，美国莱特兄弟发明了第一架飞机。随后，人们产生了将汽车和飞机概念结合起来的想法。飞行汽车是一种既能在地面道路上行驶，又能在空中飞行的陆空两用交通工具。

图3 在2009—2020年期间，全球风险投资公司在电动垂直起降飞行器领域的投资金额。

1917年，飞机设计师和飞机制造企业家格林·寇蒂斯研制出世界第一个陆空两用飞行汽车，并申请了专利。该飞行汽车采用分体式设计，机翼与车体可以分离。在空中飞行时，机翼和车体结合在一起，在地面道路行驶时，机翼和车体分开，只使用车体部分。

1986年，美国人莫尔·泰勒将现代汽车与航空技术珠联璧合，制造出一种既能在地面行驶，又能在空中飞行的飞行汽车，并获得有关政府部门签发的飞行许可证。泰勒因此被人们誉为现代飞行汽车的先驱。但是，因该型飞行汽车的平直固定翼比车身宽5倍多，在公共道路上行驶或起降时，不仅会影响正常的交通秩序，而且车翼即飞行汽车的机翼向两边伸展张开时，会受到路旁障碍物的限制，很难真正投入实际应用。因此，泰勒首创的飞行汽车只能成为试验车。

另外，世界各国的交通法规都不允许包括飞行汽车在内的载人飞行器直接在公共道路上起降。公路不是跑道，仅允许救护和警用直升机紧急迫降。因此，陆空两用飞行汽车即使具备垂直起降能力，也不能在堵车时直接在公路上起降，而必须从专用起降场或机场起飞，这一规定使飞行汽车的应用场景大打折扣。

一百多年来，人们已经设计出上千种陆空两用飞行汽车方案，绝大部分方案采用了固定翼布局设计，几十个设计方案被造出原型机。但是，大多数设计方案都未获得人们的认可和推广应用，被束之高阁，只有个别设计方案获得美国联邦航空管理局（FAA）特种轻型飞机（LSA）的适航证书，可以投入实际使用。

2016年10月，美国优步公司推出的电动垂直起降飞行器概念与飞行汽车有很大不同，它属于一种飞行器，与汽车没有任何关系，在基础技术、应用场景、发展历程、市场预期、资本关注度等各个方面与陆空两用飞行汽车有着本质区别。美国联邦航空管理局、欧洲航空安全局（EASA）和中国民用航空局等部门颁发的规章从未使用飞行汽车来指代电动垂直起降飞行器。

在电动垂直起降飞行器发展初期，公众并不了解它的概念。可能是大众媒体和电动垂直起降飞行器行业为了吸引关注度，习惯使用飞行汽车来指代电动垂直起降飞行器，从而引起误导。

电动垂直起降飞行器利用垂直起降等优势，可从城市内设在大楼屋顶的起降场垂直起飞，在空中飞行，避开地面交通拥堵，直达目的地。因此，垂直起降和低噪声就是应用刚需，航程则不是最重要的设计指标要求，至于汽车的地面行驶功能，完全没有必要考虑。与传统油动直升机等旋翼飞行器相比，电动垂直起降飞行器具有运营成本更低、噪声更小、安全冗余度高和节能环保等优点。

电动垂直起降飞行器有两项最基本技术要求，一是动力装置应全部或部分采用电动系统（电动或混合动力）；二是气动布局采用具有旋翼的飞行器构型，以实现垂直起降。

电动垂直起降飞行器的市场定位

面对当前电动垂直起降飞行器高潮迭起的发展形势，制造商既要做好市场预测，又要破解各种技术难点。企业准确地预测市场，可以少走“错路”，而全面的技术发展预测可以让企业少走“弯路”。

电动垂直起降飞行器的主要市场定位是，作为一种飞行出租车和家庭用飞行小汽车，以及传统商用直升机的替代产品，最终变成一种经济、高效、快捷的中短途交通工具。例如，对于20~250km的出行距离，电动垂直起降飞行器可替代小汽车，缓解大城市和核心区的地面交通拥挤。

电动垂直起降飞行器实质上是一架新型多用途无人机，可以根据应用需求，搭载不同的任务载荷完成不同的任务。除作为飞行出租车外，电动垂直起降飞行器还可用作家庭飞行小汽车，并广泛应用于货运、消防灭火、应急救援、农林植保等领域。

电动垂直起降飞行器的优势

（1）大幅缩短旅程时间

传统民航客机的起降须要专门大型机场，使用流程比较复杂。对于同一段旅程的时间，电动垂直起降飞行器所花费的时间仅为传统民航客机的十分之一。

（2）提高民众的出行效率

在美国，特定距离的出行占到出行量的80%，这意味客运占据了运输市场的大部分市场份额。电动垂直起降飞行器使用灵活方便，有望成为广大民众的私人交通工具，从而大幅提升民众的出行效率。

图4 电动垂直起降飞行器可缓解地面交通拥挤。

（3）市场前景十分广阔

电动垂直起降飞行器能有效解决当前城市交通拥堵问题，打造全新的交通体系，其市场规模比私人飞机更大。

虽然电动垂直起降飞行器目前处在风口发展期。但是，从解决大城市拥堵、提供更加高效的出行模式看，它是一个比较好的选择。当然，在商业化发展进程中，电动垂直起降飞行器会面临航程较短、起降能耗较高、监管政策和空域管辖严格等多种问题。而这些问题无论在技术层面，还是政策层面，并非完全不可解决。例如，道路上行驶的电动汽车，与10年甚至5年前的项目相比，现在已经发生天差地别的变化。核心技术突破和工程手段都能尽力弥补技术缺陷。我们相信，在不远的将来，电动垂直起降飞行器有望实现规模化运营，虽然在规模化运营之前，业界要付出较大的努力。

电动垂直起降飞行器的主要技术难点

电动垂直起降飞行器包括动力、飞行控制与导航、航电、通信等核心分系统。当前，每一个分系统都面临着巨大的技术挑战。本文仅介绍和讨论动力系统的问题。

电池技术是一项伟大的发明，拥有精彩而悠久的历史。1749年，电池由美国发明家本杰明·富兰克林首次使用。那时，他使用一组串联电容器进行电学实验，用稀硫酸作电解液，解决了电池极化问题，制造出第一个不极化，且能保持平衡电流的锌—铜电池，该电池又称“丹尼尔电池”。目前，随着电动汽车、电动列车、电动自行车等地面电动交通工具的发展和普及，人们把为电动交通工具提供动力能源的电池称为动力电池。动力电池包括铅酸电池、镍氢电池以及锂电池等类型。

在电动垂直起降飞行器发展过程中，动力电池技术是目前急须解决的重大技术难题。尽管电动汽车的动力电池技术已经取得很大突破，但是电动垂直起降飞行器对电池的要求却与电动汽车和小型无人机不同。电动垂直起降飞行器要求最大起飞重量不能太大，电池应有足够长的供电时间，满足起降阶段须要的高功率密度要求，以及保证较长的续航时间；另一方面，电动垂直起降飞行器在空中飞行时，无法像汽车一样随时制动，因此动力电池应具有高可靠性和冗余配置，即使电池模块发生失效或者故障，电池所提供的电力也能支撑飞行器安全降落。在安全性方面，电动垂直起降飞行器对电池系统有着近乎苛刻的要求。尽管目前地面行驶的电动汽车已经进入大规模生产和应用，但电动垂直起降飞行器的动力电池发展才刚刚起步。