敏捷至上项目推动eVTOL技术发展

■ 谭米/中国航发研究院

电动垂直起降（eVTOL）飞行器在城市空中交通（UAM）等短距离商用运输场景下具有巨大的发展潜力，同时又可较好地适用于特种作战、救援搜索和短距运输等军事任务。在商用技术发展与军事任务需求的双重推动下，美国空军于2020年2月启动了敏捷至上（Agility Prime）项目，探索eVTOL飞行器在军事领域的应用前景。

美国空军敏捷至上项目于2023年4月25日向eVTOL制造商乔比（Joby）公司授予了总额5500万美元的9架S4飞机采购合同，首批2架S4飞机将于2024年3月前交付。这是敏捷至上项目首次签署采购合同，意味着eVTOL在军用领域获得重大进展。项目涉及的S4飞机预计将于2024年完成飞行器适航审定，2025年年初具备规模化应用的水平。

乔比公司的S4电动垂直起降飞行器

项目特点

敏捷至上项目旨在开展军民合作，在美国联邦航空局（FAA）适航审定程序之前，通过军方先行测试，推动eVTOL相关技术发展与应用，项目的核心是竞争性的演示验证活动。美国空军为参与方提供资金和包括电磁干扰实验室、风洞、试飞空域和声学实验室等在内的基础设施资源，支持其开展多种环境条件、任务场景下的飞行演示验证；基于参与方飞行测试表现，进而评估后续是否授予采办合同。除了空军之外，还有美国海军陆战队、海岸警卫队、海军试飞员学校和其他政府机构也对该项目进行支持。

项目由美国空军下属的创新部门AFWerx负责运营和监管。AFWerx成立于2017年，旨在以开放式、非传统途径聚合创意和创新，促进民用市场了解和参与军方项目，推动新兴技术的成熟和在军事领域的应用。从项目启动到签订第一份采购合同，敏捷至上项目只用了3年时间，这离不开管理方AFWerx在管理模式上的创新。项目进展中，AFWerx只主导测试工作，将飞行器研发流程释放至工业界，通过“简政放权”最大程度激发参与者的主观能动性。项目给予企业的扶持资金是无偿投资，既不稀释股权，也不干涉企业经营管理，有利于企业进一步融资。此外，AFWerx还积极促进人才、基础设施等要素的流通，简化采办流程，有效地提高企业创新效率，加快了成果的转化。

应用场景及技术需求

敏捷至上项目将军用eVTOL飞行器命名为“适应性保障飞行器”（ORB），应满足的技术要求主要包括5个方面：一是机械结构较传统垂直起降飞行器简化，从而降低维护成本和研制周期；二是应用自主飞行技术，提高安全性、降低人员操作需求；三是经济性，可批量生产应用；四是低排放、低噪声；五是灵活、敏捷，减少对基础设施的依赖。

项目应用场景（AIO）可分为3类，场景与相应技术指标需求具体见表1。

表1 场景与相应技术指标需求

项目进展

截止目前， 敏捷至上项目的参研机构将近300家，涵盖企业、科研机构、院校和其他的一些非政府组织（NGO）等；项目授出的合同金额累计超过2亿美元，撬动了110亿美元的市场投资金额，发挥出巨大的杠杆效应。

从2021年开始，敏捷至上项目通过小企业创新研究（SBIR）基金和小企业技术转让（STTR）基金向超过250家小企业与高等院校广泛授予小型合同，开启了一种通过小企业合同探索创新的新模式。这些合同旨在发展eVTOL的关键设计技术，包括：高敏感的态势感知与空中避障技术、高精度的智能驾驶技术、高韧性的航路规划设计技术、低噪声紧凑型混合推进技术和低成本材料制造技术等。

此外，项目还向15家整机制造商授予23份研发合同。目前，3个应用场景均已有相应的产品项目，推进方式包括全电推进、混合动力与氢能源。在所有产品项目中，美国乔比公司的S4飞机进展最快。S4是一型5座推力矢量电动飞机，最大飞行速度320km/h，航程240km。2023年2月，乔比公司宣布进入原型机总装阶段，预计2023年上半年开始飞行测试，2024年取得FAA适航证。

项目关键挑战分析

推进技术有待完善

eVTOL普遍采用分布式电推进（DEP）技术。小型分布式电推进飞机所需的电池、电机、电力电子与系统控制技术相对成熟，需加强对高能量密度电池、高效高功率密度电机和功率变换器等技术的研究；中大型分布式电推进飞机需要兆瓦级电机和功率变换器，适合采用混合电推进系统。为此，敏捷至上项目与Elroy Air和Verdego等公司合作开发了微型涡轮发电机。同时，项目还在关注用于混电推进的储能系统、能量管理系统、热管理系统和一体化控制技术等。

综合性能亟需提升

传统机型的很大一部分费用是运营和维护成本，美国政府希望eVTOL的运维成本有所下降，为此于2022年10月专门发布针对于eVTOL飞机运营成本效益的信息征询书（RFI）。与此同时，美空军表示敏捷至上项目的采购型号与商用版本完全一致，而军事任务的环境条件与城市存在显著差异，需要考虑结冰防护等多种问题，这就对飞机的环境适应性提出了更高要求。因此，项目参与者需要在保证产品安全性的同时，着力提升可靠性和经济性，以满足军民两用需求。

适航认定尚未成熟

敏捷至上项目规定军方作为启动用户，可以在未取证的情况下先行试用飞行器，但企业必须说明其适航审定计划。目前，FAA所受理的eVTOL飞机取证工作中，不同制造商（如阿彻（Archer）和乔比公司）产品的设计特征差别较大，且诸如自主飞行、分布式电推进和高压能源存储等新技术特征更是超越了现有规章规定的范畴。鉴于此，FAA选择了一事一议的方式，以签发会议纪要的形式同申请人确定各项审定基础和符合性方法。FAA对于eVTOL的认证分为5个阶段，目前进度最快的乔比公司已完成第三阶段的大部分工作，向FAA提交了11份局部特定认证计划（ASCP）（总数13份）。但总的来看，后续认证过程仍存在许多不确定性，可能对项目的进度造成影响。

结束语

eVTOL是典型的技术密集型产品，是电动航空技术、无人驾驶、人工智能、信息通信等相关领域的跨界技术融合，具有较高的基础科研和工程应用价值。敏捷至上项目之所以立项，一方面是因为eVTOL已具有一定的技术基础与较为明朗的军民两用应用前景；另一方面在于eVTOL的参与者多为初创企业，这些企业更需要政府和军方提供技术、政策与资金方面的支持，以降低生存风险。事实上，民营企业尤其是初创企业创新意向强烈，市场嗅觉灵敏，但容易陷入无序发展，恶性竞争的困境。军方挑选具有前沿性、可行性的项目开展军民合作，进行适当的引导和支持，既能够推动技术在军用领域的应用，又能够促进行业良性发展，可谓一举两得。在此基础上，创新组织管理模式，构建以创新型企业为内核的更加开放的创新生态系统，能够有力推动军民融合深度发展。