电动垂直起降飞行器气动布局分析（六）

符长青

维斯克公司第六代复合电动垂直起降飞行器

从美国小鹰航空公司（Kittyhawk Aero）的发展史，人们可以追溯到维斯克公司（Wisk）的起源。小鹰航空公司是一家研制电动垂直起降飞行器的初创公司，成立于2010年，从提出第一个复合电动垂直起降飞行器设计方案开始，历经10年，共研制了6种具有不同气动布局的电动垂直起降飞行器。2019年，美国波音公司和小鹰航空公司组建了一家专注复合电动垂直起降飞行器研制的合资企业，取名维斯克公司。

维斯克公司第六代复合电动垂直起降飞行器采用常规气动布局倾转旋翼构型。12副升力螺旋桨安装在固定翼下方的机梁上，其中，6副前螺旋桨固定安装在机梁上，不能倾转；6副后螺旋桨可以倾转。在电动垂直起降飞行器起飞、悬停和降落阶段，12副螺旋桨的旋转平面与地面平行，产生向上的升力，以克服重力，让电动垂直起降飞行完成向上飛行或空中悬停。当电动垂直起降飞行器前飞时，6副后螺旋桨停止工作，6副前螺旋桨连同电动机一起向前倾转，直至旋转平面与地面垂直，产生向前的拉力，拉动电动垂直起降飞行器向前飞行。该机使用了分布式电推进系统（DEP），每副螺旋桨均由独立的电动机驱动，不仅可以减少污染排放和降低噪声，而且在飞行过程中，万一某副螺旋桨发生故障停止工作，其他螺旋桨仍能正常工作，确保复合电动垂直起降飞行器安全着陆。

1.设计特点

维斯克公司第六代电动垂直起降飞行器是全自主复合电动垂直起降飞行器，使用滑橇式起落架。为了确保乘客安全，该机配装了三台独立的飞行控制计算机。在飞行中，每台计算机都能独立控制飞行状态并计算空中位置，如果其中一台计算机出现问题，其余两台计算机仍然可以提供冗余备份以及可靠的控制导航。除此之外，为了确保机上乘客的绝对人身安全，该机还配装了降落伞，以防万一。

2.技术数据

该机可搭载4名乘客，机上没有驾驶员，机长8.53m，固定翼翼展15.3m，巡航速度222km/h，最大航程144km，最大续航时间29min，最大飞行高度3000m。

贝塔技术公司研制的复合电动垂直起降飞行器

初创企业贝塔技术公司（Beta Technologies）于2017年成立，位于美国佛蒙特州南伯灵顿市，专注于电动垂直起降飞行器和相关充电系统开发。该公司研制的“阿利亚”（Alia）复合电动垂直起降飞行器是一种商用机型。2021年5月，贝塔技术公司完成3.68亿美元A轮融资。本轮融资由富达管理研究公司领投，亚马逊旗下气候抵押基金（Climate Pledge Fund）跟投。同时，该公司正在推进电动垂直起降飞行器开展美国联邦航空管理局（FAA）适航审定。

1.设计特点

“阿利亚”电动垂直起降飞行器采用常规气动布局固定旋翼构型，动力系统为电动装置，固定翼和尾翼之间安装了机梁，4副升力螺旋桨安装在机梁上，1副推力螺旋桨位于机身后部。

2.技术数据

该机可搭载乘客6人，载员重量680kg，最大飞行速度270km/h，最大航程463km，翼展12m。

JDC科技有限公司复合电动垂直起降飞行器

JDC科技有限公司（JDC Technology Inc）是一家航空初创企业，于2020年8月成立，位于美国加州洛杉矶市，专注电动垂直起降飞行器和油电混合动力系统开发。

2022年初，JDC公司在加州硅谷召开产品发布会，向公众正式推出具有环保、低能耗、低噪声、低成本等优势的复合电动垂直起降飞行器设计方案。该方案旨在利用空中飞行和垂直起降优势，最终成为一种经济、高效、快速、方便的空中交通运输工具和医疗救护飞行器。JDC公司复合电动垂直起降飞行器有A型、B型两种型号，A型有望改变人们的出行方式，满足城市空中交通和旅游观光市场需求，B型主要应用于医疗救护，解决因城市地面交通拥堵而耽误危重伤病人员抢救时间的难题。

1.设计特点

JDC公司复合电动垂直起降飞行器是一种常规气动布局涵道风扇构型。机身采用水滴形状的流线形设计，机身两侧各有4台涵道风扇，共计8台。涵道风扇采用共轴双旋翼结构，上下两副旋翼是固定的，由各自独立的电动机驱动，为电动垂直起降飞行器起飞、空中悬停、降落提供升力。机身后部安装有一副推力螺旋桨，该螺旋桨由航空燃油发动机驱动，起推进器作用，为飞行器向前飞行提供推力。尾翼为倒V形布局，优点是仅一个尾翼就兼有垂尾和平尾两种尾翼的功能，能同时发挥纵向（俯仰）和航向稳定作用。

A型和B型总体结构的主要区别是：A型供乘客上下机的舱门位于机身左侧，舱门打开时向上翻起，方便乘客上下机；B型作为医疗救护飞行器，为确保躺着伤病员的担架顺利进出机舱，舱门设在机身前部，即整个机头作为舱门，舱门向右转动后打开，以留出足够空间供担架进出机舱。

2.技术数据

该机可搭载5名乘客，载员重量600kg，机长8m，机高1.8m，机宽1.8m，最大航程500km，巡航速度200km/h，实用升限3000m。

贝尔直升机公司复合电动垂直起降飞行器

贝尔直升机公司成立于1935年7月10日，总部位于美国得克萨斯州沃思堡市，是一家美国直升机制造商，研制了X-14、X-22、XV-3、XV-15等高速垂直起降飞行器。该公司为美国国家航空航天局（NASA）、美国陆军和空军开发了多种不同的产品，例如与波音公司合作研制的V-22“鱼鹰”倾转旋翼直升机。

在2018年举办的国际消费类电子产品展览会（Consumer Electronics Show，CES）上，贝尔直升机公司公布了电动垂直起降飞行器计划。2019年1月，贝尔公司“北极熊” 6HX（Nexus 6HX）复合电动垂直起降飞行器设计方案的同尺寸样机在CES上亮相。在2021年1月7日开幕的CES展会上，贝尔直升机公司推出一款新的电动垂直起降飞行器全尺寸模型，名为“北极熊”4HX（Nexus 4EX）。

1.设计特点

“北极熊” 6HX采用常规气动布局倾转涵道风扇构型。固定翼左右翼尖各安装1台倾转涵道风扇，固定翼前方后方各安装2台倾转涵道风扇，这6台倾转涵道风扇由各自独立的电动机驱动，为飞行器提供空中悬停、起飞、降落所需的升力，以及前飞所需的拉力。一个油电混合动力系统为6台倾转涵道风扇供电。该公司称，与开放螺旋桨设计方案相比，涵道风扇能提供更优异的动力性能和更低的噪声水平。

“北极熊” 4HX依然采用常规气动布局倾转涵道风扇构型，拥有4台涵道风扇，动力系统为电动装置。

由贝尔直升机公司两种电动垂直起降飞行器设计方案对比可知，4EX比6HX少2台涵道风扇，主要原因是为了提高巡航效率，涵道风扇越少，阻力越小。两种电动垂直起降飞行器涵道风扇中的旋翼直径相似，大约为2.5m，但针对应用场景，各机型会有所优化。此外，4EX飞行器的固定翼翼展比6HX飞行器的固定翼翼展更长，目的是提高巡航效率。对比数据表明，4EX采用目前的桨叶，其4台涵道风扇在122m以外的噪声水平比同级别直升机低7dB，但是未达到贝尔直升机公司的降噪要求。因此，该公司将进一步优化设计方案。

2.技术数据

“北极熊” 6HX可以容纳4名乘客和1名飞行员，最大起飞重量2954kg。

“北极熊” 4HX可搭载4～5名乘客，最大起飞重量3175kg，巡航速度240km/h，最大航程95km。

德事隆公司复合电动垂直起降飞行器

美国德事隆公司（Textron）在1923年成立之初还是一家小型企业，如今已发展成营业额达134亿美元的企业，总部位于美国罗德岛州，在25个国家拥有35，000名雇员。纵观历史，德事隆公司一直是优秀的技术创新和多元化企业。2021年3月，德事隆公司成立电动航空部门，开始研制复合电动垂直起降飞行器。

1.设计特点

德事隆公司复合电动垂直起降飞行器是一种常规气动布局倾转旋翼构型，采用双尾撑、上单翼（固定翼几乎为平直形状）、倒V形尾翼布局。该机共有6副开放螺旋桨，其中4副螺旋桨使用了变距桨叶，2副固定安装在翼尖小翼上，随同翼尖小翼一起倾转；2副安装在两个尾撑杆前端，随同电动机一起倾转；2副为固定升力螺旋桨，安装在固定翼后方的尾撑杆上方，不能倾转，仅在垂直起降和懸停时使用。为降低复杂度和减小巡航阻力，每副固定升力螺旋桨使用2个桨叶，这2个叶桨的尺寸比每副前螺旋桨的4个桨叶尺寸略大。为了降低螺旋桨噪声，螺旋桨转速需要减小，所有螺旋桨直径非常大，约为3.8m，需要采用减振设计。起飞时，所有螺旋桨所在位置的高度都比人体高度高，以保证地面人员安全。相较于固定翼位置，乘员舱位置比较靠前，尾撑杆上方的2个固定升力螺旋桨工作时，几乎不会受机身气流阻滞的影响。该机未采用鸭翼布局设计，属于一种成本最低、传力简洁的布局。

2.技术数据

该机最大起飞重量3632kg，巡航速度222km/h，最大航程185km，可搭载1名飞行员、3名乘客，共4人。

现代汽车公司复合电动垂直起降飞行器

现代汽车公司成立于1967年，总部位于韩国首尔市，是世界著名的汽车制造商之一。2021年11月，该公司宣布成立天国（Supernal）城市空中交通（UAM）公司，旨在为所有人提供先进的经济性空中交通设施。

在2022年举办的国际消费类电子产品展览会（CES）上，现代汽车公司公布首个复合电动垂直起降飞行器设计方案，名为S-A1（见图6），以及融入城市空中交通网络的空地一体化城市交通解决方案（见图7），同时宣布与优步公司合作，成为优步公司城市空中交通项目的第8家合作伙伴和第1家汽车领域的合作伙伴。

现代汽车公司提出的空地一体化城市交通解决方案通过消除城市边界，创建一种多元化社区来振兴城市交通。该公司希望利用三维空间和新型电动垂直起降飞行器的机动性，普及城市空中交通方式，将人们从拥堵的地面交通网络中解脱出来，大大缩短交通出行时间，同时推行绿色城市出行方式，满足多种个性化生活方式。

1.设计特点

S-A1复合电动垂直起降飞行器设计方案采用常规气动布局倾转旋翼构型和分布式电推进技术，共有为S-A1提供升力的12副开放螺旋桨，其中4副螺旋桨可以倾转，为巡航飞行提供升力，另外4组上下共轴双旋翼共8副螺旋桨，仅为飞行器起降提供升力。该公司一开始设计方案时就考虑了自主性，但初期，该机需要1名飞行员。为保障飞行安全，该机安装了整机降落伞。

2.技术数据

S-A1可搭载5名乘员，设计巡航速度可达290km/h，飞行高度300～600m，最大航程100km。

捷特航空旅游公司复合电动垂直起降飞行器

美国捷特空中交通旅游公司（Jaunt Air Mobility Journey）致力于先进航空器技术开发、管理策略研究，以提供最高水平的运营效率、安全性和社会认可度。该公司期望设计和开发城市空中交通解决方案，成为复合电动垂直起降飞行器研制的先驱者之一。捷特空中交通旅游公司是优步公司“提升”（Elevate）项目涉及的6家电动垂直起降飞行器合作伙伴之一。

最初，“通用”（Jaire）复合电动垂直起降飞行器由美国卡特航空公司（Carter Aviation）设计。后来，卡特航空公司被捷特空中交通旅游公司收购。由于采用了卡特航空公司减速转子复合技术，“通用”在平飞时，也能由类似于无人直升机的大直径旋翼系统提供足够的升力，在提高效率和安全性的同时，大大降低了噪声水平。在优步公司合作伙伴提出的产品方案中，“通用”复合电动垂直起降飞行器是独一无二的，因为它只有一副能提供足够升力的开放螺旋桨，如图8所示。

1.设计特点

“通用”采用常规气动布局单旋翼构型，升力旋翼是一种开放螺旋桨，而且直径很大，安装在机身上部的支撑塔上，为“通用”垂直起降和空中悬停提供升力。4副拉力螺旋桨安装在机身两侧的固定翼上，拉动复合电动垂直起降飞行器在空中向前飞行。当“通用”达到一定的前飞速度时，固定翼会产生足以抵消最大起飞重量的升力，支撑塔上的升力旋翼就会完全卸载，以实现低阻力、高效率飞行。由于机身两侧的固定翼各有两副拉力螺旋桨，该机调节两副拉力螺旋桨之间的拉力大小，形成拉力差，即可平衡升力旋翼的反扭矩。因此，“通用”复合电动垂直起降飞行器不需要安装尾桨。该机使用油电混合动力系统，可搭载5位人员，最大飞行速度184km/h。

底特律飞机公司复合电动垂直起降飞行器

美国底特律飞机公司（DAC）成立于2011年，主要业务是小型军用、民用飞机设计与制造。自2013年以来，已制造小型飞机超过70架。2015年，底特律飞机公司子公司航空太空探索技术公司（AirSpaceX）成立，专注于大型货运、客运电动旋翼飞行器研制。2018年1月，在底特律市举办的北美国际汽车展（NAIAS）上，底特律飞机公司研制的“机动”-1（Mobi-One）电动垂直起降飞行器模型亮相。该机旨在以大众承担得起的价格提供绿色、静音、便利的空中交通服务，满足点到点通勤市场需求。目标是，到2026年，美国将在50个大城市部署2500架“机动”-1电动垂直起降飞行器，以解决这些大城市地面交通严重拥堵的问题。

1.设计特点

“机动”-1采用常规气动布局倾转机翼構型，用于客货运送，具有全自主飞行能力。6台安装在倾转机翼上的电动机驱动6副开放螺旋桨旋转，为起降、悬停提供升力。其中，2副螺旋桨分别安装在倾转机翼前缘的两端；4副螺旋桨分别安装在机身两侧的倾转机翼的下方和上方，并与倾转机翼垂直。除了自主控制设备之外，该机还具有宽带连接能力，可接入高速互联网，避免碰撞，获取安全信息。

2.技术数据

该机可运送4名乘客，载员重量超过200kg，翼展12m，最高飞行速度高达402km/h，航程104km。

瑞士杜福尔公司复合电动垂直起降飞行器

瑞士杜福尔航宇技术公司（Dufour Aerospace）于2017年成立，总部位于瑞士苏黎世市，拥有30多年民用直升机运营经验。“航空”2（Aero2）最初研制目的是验证技术。后来，随着“航空”2在飞行试验过程中的出色表现日渐明显，促使该公司决定正式生产和销售这款创新型复合电动垂直起降飞行器。

1.设计特点

“航空”2复合电动垂直起降飞行器采用常规气动布局倾转机翼构型。在垂直起飞、降落时，倾转机翼垂直于地面，安装在倾转机翼上的4副螺旋桨产生向上的升力，支撑最大起飞重量；当该机进入过渡飞行阶段时，4副螺旋桨随倾转机翼逐渐向水平方向倾转，进而产生向前飞行所需的拉力，拉动复合电动垂直起降飞行器向前飞行；随着前飞速度的逐渐增大，倾转机翼产生的升力越来越大，直到可支撑最大起飞重量时，4副螺旋桨产生的拉力全部用来克服前飞时的空气阻力。该机总体结构设计十分优秀，即使在非常缓慢的向前飞行时，“航空”2也能保持良好的稳定性和控制能力，抵抗较大的阵风吹袭。

“航空”2整机尺寸较小，能够在狭窄空间起飞和降落，需要使用的地面空间范围几乎与传统垂直起降无人机一样。

2.技术数据

该机最大起飞重量150kg，巡航速度170km/h，最大载员重量40kg，即可搭载体重小于或等于40kg的乘员1人。当该机使用油电混合动力系统时，最长续航时间为3h，使用电动系统时，最长续航时间为1h。

弓箭手公司复合电动垂直起降飞行器

美国弓箭手公司（Archer）于2020年初成立，也是一家初创企业，总部位于美国加州圣何塞市，在短短一年多时间里迅速崛起，组建了由航空资深人士牵头的技术团队。该公司不仅快速招募了大量优秀人员，而且能够把所招募的人员组织起来，在很短时间里完成原型机设计、开发和制造，说明这家公司拥有很强的执行力。弓箭手公司与特殊目的收购公司合作，于2020年9月17日在纽约证券交易所挂牌上市，股票代码ACHR，成为继美国乔比、德国百合花等公司之后的上市电动垂直起降飞行器企业。

1.双座机型的设计特点

弓箭手公司研制的“制造者”（Maker）双座复合电动垂直起降飞行器原型机采用常规气动布局倾转旋翼构型，6个机梁安装在固定翼上，12副升力螺旋桨分别安装在机梁的前方和后方，6副后螺旋桨不能倾转，6副前螺旋桨可以倾转。在前飞时，6副前螺旋桨向前倾转，为前飞提供拉力。

该机采用12副升力螺旋桨的保守设计可以增加冗余度，降低单副升力螺旋桨失效对功率损失的影响。“制造者”电动垂直起降飞行器每副螺旋桨失效将损失16%的功率，而乔比公司电动垂直起降飞行器每副螺旋桨失效将损失33%的功率。此外，“制造者”螺旋桨尺寸较小，因此对倾转机构产生的压力也相应较小。不足之处是，由于倾转螺旋桨数量较多，系统复杂性也随之增加。

2.五座机型的设计特点与技术数据

在双座复合电动垂直起降飞行器原型机基础上，该公司正在研制的五座机型的构型与“制造者”相同，也是常规气动布局倾转旋翼构型，采用了电动系统。固定翼安装了6个机梁，12副螺旋桨安装在机梁上，为垂直起降提供升力，600m以外的设计噪声水平为45dB，大大低于城市背景噪声。美国联邦航空管理局已批准弓箭手公司五座复合电动垂直起降飞行器的G-1适航审定基础性文件，这是该机在开展美国联邦航空管理局第23部适航审定过程中取得的第一个重要文件。在监督开发过程中，美国联邦航空管理局对弓箭手公司的设计能力充满信心。

该机可搭载4名乘员和1名飞行员，航程100km，最大巡航速度240km/h。

（未完待续）