电动垂直起降飞行器发展现状及其在航空医疗救援中的应用展望

尤少春，张晓丽，吴飞飞，罗正学

（空军军医大学空军特色医学中心，北京 100142）

0 引言

近年来，未来城市空中交通体系（urban air mobility，UAM）的概念备受关注，预计到2040 年全球产业规模可达1.5 万亿美元[1]。作为主流认可的UAM 解决方案，电动垂直起降飞行器（electric vertical takeoff and landing，eVTOL）技术发展非常迅速。

航空医疗救援是使用装有专用医疗救护设备的航空器，为紧急施救患者而进行的飞行活动[2]，相比地面救护车辆具有速度快、转运距离远、受道路交通条件影响小等显著优势[3]。eVTOL 能够满足中短途航空医疗救援对航空器的要求，同时具备经济性好、安全性高、自动化程度高、绿色环保等独特优势[4]，可以成为现有医疗救援体系的有效补充。本研究对eVTOL 的发展现状、基本特点进行介绍，分析其在航空医疗救援中应用的可行性，并对具体应用场景进行了展望。

1 eVTOL 的发展、特点及优势

1.1 eVTOL 的基本概念和发展历程

eVTOL 运用电力推进作为动力基础，可以进行垂直起降和水平飞行，其基本组成包括电动机、电池、传感器、通信导航模块、机载电子控制器、巡航升力翼等硬件部分以及飞行控制系统、具体功能模块等软件部分。

最早进行此类产品开发的是2009 年成立的美国JOBY 公司[5]。2011 年阿古斯塔公司在一个名为“Project Zero”（零点工程）的项目中提出了现在广为人知的eVTOL 产品概念[6]。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引用了eVTOL 概念[7]。

2016 年，Uber 提出“Uber Elevate”城市空中出租车计划，勾勒出eVTOL 在未来交通领域的前景和市场潜力，空中客车、波音等企业纷纷跟进[8]。同时，美国空军高度重视其军事价值，于2019 年推出“Agility Prime”（敏捷至上）项目，向JOBY、Beta 等多家美国厂商授予总额超过1 亿美元的合同，探索在军事任务中应用eVTOL 的可行性[9]。

截至2022 年年底，美国垂直飞行协会收录的eVTOL 项目已超过750 个[10]，领军企业包括Joby Aviation、Lilium、Volocopter、Vertical、Archer、中国亿航、峰飞航空等，传统航空企业中波音、空客以及汽车行业的吉利、小鹏、丰田、戴姆勒等也启动了各自的eVTOL 研发项目。

1.2 eVTOL 的常见分类与特点

1.2.1 常见分类

eVTOL 正处于产业发展初期，技术路径、形态特征和设想应用场景种类繁多，因此有很多不同的分类标准，常见的分类标准包括以下6 种：

（1）根据动力来源可分为全电动力、混合动力两大类，目前的技术条件下，混合动力具有更长的航程和更优的经济性，全电动力显然是未来的发展方向。

（2）根据运行模式可分为有人驾驶和无人驾驶2 种类别，或者载人、载客及载人载客兼顾3 种。

（3）根据有效载荷可分为轻型（有效载荷100～200kg）、中型（有效载荷300～500kg）、重型（≥1000kg）3 类[11]。

（4）按照目标用户可分为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）三大类。

（5）按照适航认证可分为基本型（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空飞行）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）[11]。

（6）机体构型很大程度上决定着eVTOL 的基础性能，这也是最重要的分类标准。按照机体构型可分为多旋翼型（如图1 所示）[12]、升力-巡航复合型（如图2 所示）[13]、倾转旋翼型（如图3 所示）[14]、涵道矢量推力型（如图4 所示）[15]四大类[16]。

图1 德国Volocopter2X（多旋翼型）[12]

图2 中国峰飞V1500 M（升力与巡航复合型）[13]

图3 美国JOBY S4（倾转旋翼型）[14]

图4 德国Lilium jet（涵道矢量推力型）[15]

1.2.2 不同构型的性能特点

eVTOL 基础性能主要受气动布局影响，当转为水平飞行时，提供垂直升力的旋翼成为主要阻力来源[17]。

多旋翼型没有固定机翼提供升力，水平飞行阻力大，因此速度和航程偏小，应用场景受限；优点是技术成熟、安全可靠、悬停能力强，适合在城市内短途使用，目前适航认证进度最快。倾转旋翼型和涵道矢量推力型的速度和航程优势明显，应用场景广、发展潜力大，但倾转装置结构复杂、操控难度大、事故风险高，采用此类结构的美军V22 鱼鹰倾转旋翼机一直事故不断，2022 年2 月JOBY 公司一架原型机发生坠毁事故[18]。升力-巡航复合型的性能位于多旋翼型和倾转旋翼型之间，技术较为成熟可靠，中短期发展前景较好，但垂直旋翼的死重和阻力无法避免[19]，远期发展受限。不同构型eVTOL 代表机型的典型性能参数见表1。

表1 不同构型eVTOL 代表机型的典型性能参数

1.3 eVTOL 的优势

1.3.1 安全可靠

传统航空器动力系统复杂，故障率较高。eVTOL的电动推进装置在结构上更加简单，综合采用分布式电推进布局、更加先进的态势感知传感器、自动避障算法、飞行控制、智能化自动辅助驾驶系统等技术与手段，进一步提高了冗余度，使eVTOL 安全性得到了有效增强。

1.3.2 经济性好

eVTOL 的经济性优势源自3 个方面：一是电力推进系统的效率是内燃机的2～4 倍；二是电能成本只有航空燃料的30%；三是动力系统的结构更简单，后期的保养维护成本更低。相关研究表明，与活塞发动机直升机相比，4 座倾转旋翼eVTOL 飞行器运营成本可降低26%[20]。

1.3.3 舒适性佳

eVTOL 电动机避免了传统内燃机以及复杂机械传动系统工作时产生的噪声和振动。另外在气动噪声方面，布局合理的分布式推进系统和小尺寸的旋翼产生的噪声也远小于传统螺旋桨[21]。因此eVTOL的飞行稳定性、静音效果和乘坐舒适性得到了很大提升。

1.3.4 环保性好

eVTOL 电动机能量转化效率高于传统内燃机，直接碳排放几乎为零，同时电能有很多绿色的获取途径，相比传统内燃机环保优势显著。eVTOL 在城市上空飞行时产生的噪声污染远低于传统飞行器。这些显著的绿色环保特征使得eVTOL 尤为适于在城市及周边地区飞行。

1.3.5 智能化程度高

随着高精度导航、低延迟通信、智能化无人自动驾驶等技术的快速发展，eVTOL 在数字化、信息化、智能化方面具有传统飞行器无法比拟的优势。各大企业已经在广泛试验远程控制和自动驾驶技术，有望实现智能化集群自主飞行。集群无人eVTOL 将具有动态自愈合网络、分布式集群智慧、分布式探测、自愈性和高效信息共享能力等诸多优势[22]。

2 eVTOL 航空医疗救援应用的可行性

航空医疗救援包括常态化的航空医疗救护和应急航空医疗救援。

常态化的航空医疗救护按救援任务发生阶段的不同可分为院前急救和院间转运。2019 年3 月和2022 年2 月，中国民用航空局和国家卫生健康委员会先后联合印发《航空医疗救护联合试点工作实施方案》和《关于深化航空医疗救护联合试点工作的通知》，明确截至2024 年底建立具有中国特色的航空医疗救护体系[23-24]。2020 年9 月，国家卫生健康委员会等9 部委出台的《关于进一步完善院前医疗急救服务的指导意见》中也提出，有条件的地区要积极开展航空医疗救护[25]。

应急航空医疗救援是航空应急救援的重要职能，是国家应急救援体系的重要组成部分。《国家突发公共事件医疗卫生救援应急预案》要求：“迅速组织协调应急医疗队伍赶赴现场，必要时建立战地医院或医疗点，实施现场救治。加强救护车、医疗器械、药品和血浆的组织调度。根据需要分流重伤员，实施异地救治[26]。”《国家地震应急预案》也指出：“及时赴现场开展医疗救治、疾病预防控制等卫生应急工作。及时为受灾地区提供药品、器械等卫生和医疗设备[27]。”航空医疗救援在突发事件应急处置中既能向受灾区域运送医护人员、仪器设备和药品耗材等，也可以快速向安全区域医疗后送伤病员。

根据《航空医疗救护联合试点工作实施方案》，医疗急救所使用的航空器、加改装医疗设备应具备标准适航证，航空器加改装后应通过适航审定方可使用，所有机载医疗设备装置都应符合相关适航标准，并接受安全评审[23]。eVTOL 加装生命体征监护、呼吸、输液等生命支持系统功能模块[28]也必须符合相关法规的要求。下文将从4 个维度分析其改装后应用于航空医学救援领域的可行性。

2.1 从时间维度分析

根据时效救治原则，患者获得有效救治时间应当越短越好[29]。根据2022 年度《中国城市交通报告》，我国城市最快通勤速度在30 km/h 左右[30]，eVTOL 速度可以实现该时速，同时通过对未来空中交通管理的航迹进行优化[31]，可进一步提高时效性。

由于救援现场环境复杂，不确定因素较多，航空器应当有足够的留空时间。目前eVTOL 飞行时间普遍可达到60 min 以上，部分机型可达180 min，可以满足留空时长需求。在执行应急救援任务时，大批量伤病员需要救治，因此需要考虑连续出动的问题。整个飞行周期的总时间（从接到调度中心的飞行任务指示起，到做好随时可执行下次起飞任务准备止，包括响应时间、总飞行时间、接驳伤病员时间、整备至能够随时再次出动的时间）应当越短越好，eVTOL 的信息化优势能够提高响应敏捷性，大大压缩全流程的总时间。

2.2 从空间维度分析

航空医疗救援的不同应用场景对航空器航程和飞行高度要求有所不同，原则上最小服务半径应不低于同等环境内地面载具30 min 的行程，最大飞行高度不低于城市最高建筑的高度，因此航程应当不低于50 km，飞行高度不低于200 m。目前在研的eVTOL 主流航程为50～250 km，巡航飞行高度为200～600 m，能够满足要求。

2.3 从运送能力维度分析

航空器在搭载医疗器材的同时，至少应满足搭载1 名坐姿医护人员和1 名卧姿患者，载重能力在200 kg 以上为宜，目前eVTOL 载重普遍为200～500 kg，未来还有进一步提高的空间。

为应对批量伤病员的连续转运，航行器不仅应当具备完成单机单次飞行任务的能力，还应当具备单机连续出动、多机编队单次出动、多机编队多波次随机出动的能力。由于eVTOL 的智能化、自动化程度更高，未来将综合运用先进通信和导航系统、先进航空交通管制系统[32]，利用深度学习技术进行航线规划[33]，多机编队能力和连续出动能力较传统航行器具有明显优势。

2.4 从安全性维度分析

在城市地区飞行的航空器，应当具有足够高的安全性，原则上安全系数指标应当高于传统直升机和固定翼飞机，即使发生故障，也需有足够的冗余度以提高机上生存概率，同时尽量避免故障造成附带损伤。eVTOL 正常运行时发生安全事故的概率为9.648×10-7，此数值低于传统航空运输风险阈值[34]。同时，借助先进传感器和自动避障程序，将有效降低因操作失误造成的飞行器损坏和伤及人身与建筑物的事故发生率[35]，部分eVTOL 还配备了整机降落伞，大幅提升了飞行安全性[36]。

3 eVTOL 航空医疗救援应用展望

直升机噪声大、安全系数低，不适合在人口密集的城市上空运行；固定翼飞机需依托机场和航空指挥系统的支持，且只有在长距离空中转运时才能发挥优势[37]。在城市及周边半径30～200 km 的范围内，eVTOL 执行1 000 m 以下低空领域的点对点中短程医疗救援任务具有广阔前景。

3.1 补充完善院前医疗急救网络

院前医疗急救网络通过急救车辆连接急救中心（站点）与急救网络医院，形成城市10～15 min 和农村30 min 急救圈，少数地区在试点使用救护直升机[24]，努力实现城乡1 h 航空医疗救援的目标。随着当前城市交通拥堵情况的加重，救护车辆难以及时抵达现场，而城郊和农村地区的院前急救力量更加薄弱，不仅急救站点密度较低，而且就近急救网络医院救治能力较弱，难以对患者进行有效救治。

eVTOL 可以对现有院前医疗急救体系进行有效补充，多旋翼型eVTOL 的高安全稳定性、高垂直悬停能力适合在城市内使用，其飞行速度比城市内地面交通快，飞行距离可以满足半径15～30 km 内的需求，通常急救站的平均覆盖范围是5 km，因此只需要在部分起降条件较好的站点部署eVTOL 即可覆盖整个城市区域。在城市郊区的站点部署飞行半径50～200 km、飞行速度250 km/h 的升力-巡航复合型或倾转旋翼eVTOL，即足够覆盖城市郊区和附近农村地区，可确保在30～60 min 之内将患者转送至救治能力较强的急救网络医院。

3.2 实现经济快捷的院际转运

为了获得更适宜的医疗救治，危重症患者可能需要在就医机构之间进行转运，拥有完善医疗设备的转运平台是安全运送患者的基础[38]。目前的转运模式是短途使用救护车，中途使用卫生直升机，长途多使用经过医疗改装的大型固定翼飞机。

eVTOL 比急救车速度快、舒适性好，比直升机安静稳定、经济性好，因此可以使用多旋翼型eVTOL进行50 km 以内的短途转运，使用复合翼型eVTOL 进行50～100 km 的转运，使用载荷较大、航程较远、改装潜力大的倾转旋翼型eVTOL 进行200 km 以上的转运。同时也可使用小型自动无人驾驶eVTOL 在医疗机构之间快速运送血液、急需短缺药品、器官等，可大幅提高效率和经济性。

3.3 胜任灵活高效的应急医疗救援

在突发自然灾害、事故灾难、公共卫生事件和社会安全事件时[39]，应急航空医疗救援能够有效拯救生命。突发事件通常会造成道路交通受阻，最后一公里的末端救援往往是最大的挑战之一。现场与外围医疗救援节点之间的交通运输高度依赖垂直起降航空器。直升机运输任务非常繁重，以我国目前直升机和飞行员储备难以满足大规模危机中巨大的运输需求，而且现场空域必然非常拥挤，传统空管模式难以有效应对。

eVTOL 更加灵活高效，可以承担前送医疗人员、器械药材[40]以及后送伤员等任务，每架次可以运送2～3 名伤员，采用自动或半自动模式飞行，既可在救援零散伤员时单机出动，也可在发现大批量伤员时以分布式集群的方式出动，实现超过单个航空器叠加的功能和效率[41]，具有更好的任务弹性，也可节省宝贵的直升机和飞行员资源。

4 结语

eVTOL 作为一种新概念航空器，拥有巨大的潜力和广阔光明的应用前景。得益于新能源汽车、无人机等领域的技术进步和市场规模优势，我国eVTOL研发与世界先进水平同步，并且具有显著的供应链优势，研发人员应当尽快开展针对实际场景的应用研究和实践探索。航空医疗救援是重要的“空中生命线”，有着极为迫切的发展需求。随着电池、电控、电动机、飞控等关键技术的进一步提升，配套技术及政策法规的逐步完善，eVTOL 一定能凭借优异性能和独特优势，在航空医疗救援中发挥出巨大的作用。