电动垂直起降飞行器
一种电动化且可垂直起降的飞行器
电动垂直起降飞行器eVTOL(electric Vertical Take-off and Landing,即电动垂直起降飞行器),比较通俗的理解就是电动化且不需要跑道就可垂直起降的飞机。
近年来,中国在绿色产业方向取得了重大成就,在交通工具方面,新能源汽车行业得到了快速发展,伴随着电动化的升级变革,航空产业也迎来了新的机遇。eVTOL预期将在未来空中出行场景中扮演重要角色,eVTOL对国内航空产业来说也是难得的一次弯道超车机会。
简介介绍
当前,世界主要航空国家都在积极迈进eVTOL(electric Vertical Take-off and Landing,电动垂直起降飞行器)新赛道,以抢占未来城市空中交通的制高点。eVTOL设计研发的技术路线主要依据预设的应用场景与目标市场决定,需要较强的技术研发实力、融资能力及适航能力。
作为未来空中交通产业的细分领域,eVTOL是最热门的赛道,吸引了包括一批初创型科技企业、传统汽车和飞机厂商参与。截至2022年10月,全球eVTOL飞机研发企业约有300多家,出现了Joby、Archer、Wisk、Lilium、广州亿航智能技术有限公司上海峰飞航空科技有限公司、御风未来、时的科技等专注eVTOL领域的科技企业;波音公司空中客车公司、贝尔、巴西航空工业公司等传统航空企业巨头也纷纷加入或关注这一领域;奔驰、保时捷、现代、吉利[9]等众多车企和腾讯控股等互联网巨头也在eVOTL赛道展开布局。
发展历程
1.0多旋翼:多旋翼即没有机翼,整个飞行阶段完全依赖多个旋翼的动力输出来提供升力和前行动力,飞行速度低,飞行航程有限,巡航时速也较低,商业应用场景主要停留在特定场景和低空旅游。
2.0复合翼:复合翼从升到推有两套动力系统,垂起时一部分旋翼提供升力,巡航时另一部分旋翼提供拉力,垂直升力系统在巡航阶段会闲置,使用的电机数量较多,载重比低,相对成本也较高。
3.0倾转旋翼:倾转选翼结合了多旋翼和固定翼的功能,旋翼既提供升力也提供巡航推力,飞行速度快、载重比高、整机性价比高、而且适航条款比较清晰,具有较好的运营经济性,在未来商业场景中更有优势。
基本设计
主要分类
电动垂直起降飞行器主要分为复合翼构型、多旋翼构型、单旋翼构型三种类型。
构造原理
电动垂直起降飞行器的重点是动力源(电驱)和垂直起降,电动垂直起降飞行器的设计理念为在没有常规跑道的情况下起飞和降落。
相关参数
电动垂直起降飞行器在电动系统、飞控系统、复合材料三个核心环节全部实现国产化,采用复合翼构型方案,拥有20个旋翼,最大载重500公斤,可乘坐5人,巡航速度200公里/小时,设计航程为250公里。
关键技术 
电动垂直起降飞行器是典型的高复杂度、技术密集型产品,是包括总体设计、气动设计、混合动力、复合材料、飞行控制、分布式电推进及航空电子等关键技术的综合集成。电动垂直起降飞行器的技术系统包含能源系统、动力系统、飞控系统、导航系统、通讯系统及整机结构等,需考虑气动结构一体化、能源综合管理、集成优化设计、安全可靠性、结构轻量化、适航认证等多重因素,开展多学科分析耦合与优化设计研发,在飞行控制、电池技术、气动布局、自动感知、卫星通讯、复合材料、智能软件、算法算力、自动化技术、降噪技术等方面取得突破,以实现总体结构、推进动力、飞行性能、数据传输、智能驾驶、安全冗余等的最佳优化组合。 
电动垂直起降飞行器与传统飞机不同,高度复杂、精密的传统航空发动机被绿色、零排放、大大简化的电池系统所取代,同时半导体芯片、ICT、人工智能和传感器技术的发展还促进了其与无人驾驶技术的交叉融合。电动垂直起降飞行器发展有赖于航空、通信、计算机、材料科学等跨领域的技术突破和融合创新,在总体设计、研发制造过程中需要在功能、安全性、性能、研制和运行成本、研制风险等方面寻求平衡,并寻求尽可能优化的技术方案和实施路径,这也是电动垂直起降飞行器主机制造商最重要的核心技术和技术壁垒。 
性能特征
飞行安全性
电动垂直起降飞行器运行场景是在人口稠密的大城市或城市群内部,由于运行场景的复杂性、空中运行的风险性、运营环境的不确定性,足够高的安全性是前提条件。而电动垂直起降飞行器用电池代替燃油箱、用电机代替发动机、用旋翼取代螺旋桨,采用分布式动力系统、自动避障、自主驾驶、敏捷机动以及冗余配置、应急恢复等技术,或配备整机降落伞,大幅提升了飞行安全性。
运行可靠性
由于运营环境复杂多变及现有技术限制,电动垂直起降飞行器实施机动性载人载物或特种作业,面临着低空空域、智能飞行器、运行场景等安全风险,对运行可靠性提出极高要求。电气化的电动垂直起降飞行器简化了传统动力及传动复杂的机械结构,突破了传统构型的限制,其运行可靠性功能包括不限于结构完整性、受控的移动(飞行、导航、通讯、减缓)、产生和分配动力(存储、产生、分配、状态监测)、容纳乘客、信息安全、危险缓冲(坠撞防护、降落伞救生功能、探测防撞功能)、充电/供电功能(能源储存功能、发电功能、供电功能)、环境监测功能(动力失效、热失效、漏电、功能分配、架构减缓等)。
绿色环保性
电动垂直起降飞行器可以减少城市内的交通拥堵以及对化石燃料的依赖,符合碳中和碳达峰的航空交通未来趋势。电动垂直起降飞行器绿色环保性能主要体现为采用新能源应用的DEP系统与降噪技术。
运营经济性
只有依靠大规模商业化应用,电动垂直起降飞行器才能降低生产成本和运营成本,才能带来长期的市场优势和竞争力。相对于直升机,电动垂直起降飞行器拥有更少部件,更易于维护、飞行更安全且操作成本更低,无论是设计、生产、维护、运营都降低了成本。
智能自主性
电动垂直起降飞行器的智能驾驶技术主要包括感知、决策和控制三部分,可实现对低空气象环境的感知、决策与控制,以及在遇到不确定情况或错误时,能够快速实现应急恢复与安全降落。
适航符合性
电动垂直起降飞行器取得各国航空管理局认证是实现商业化最难的重要关口。各个国家对于新型商用航空器认证的流程可能不同,但无一例外的严格。不同电动垂直起降飞行器主机制造商的设计思路、技术路线均有不同,且各有千秋,其但都需要在有效载荷、噪音、动力分配、安全性等多方面因素中取得平衡,这就要求设计研发时在功能、安全性、性能、研制和运行成本、研制风险等方面权衡,并建立以适航认证为目标的适航管理系统、质量管理系统、生产管理系统和安全管理系统,通过航空主管部门的审定流程与符合性认证。 
体验舒适性
载人电动垂直起降飞行器除了航程、巡航速度、安全冗余等要求外,还要让乘客感受到高效、便捷、舒适的飞行体验。电动垂直起降飞行器乘客的飞行体验,主要与安全信赖感、乘坐质量、飞行稳定性、舱内噪音、座椅设置、乘客视野、隐私保护等密切关联。
应用场景
相比传统直升机,载人eVTOL纯电驱动、噪声低、性价比高、更加环保,是一种更符合未来城市空中交通系统的产品。
第一阶段,eVTOL更多的是替代直升机,替代其低空旅游市场,比如郊外、景区。第二阶段应用到短途运输,比如从铁路车站到旅游景点,再比如城际之间的应用。第三阶段,是为所有人提供服务,从市中心可以提供到各个区域出行的服务。 
相关政策
2023年10月,工业和信息化部、科学技术部、财政部、中国民用航空局等四部门联合印发《绿色航空制造业发展纲要(2023—2035年)》,提出到2025年,国产民用飞机节能、减排、降噪性能进一步提高,航空绿色制造水平全面提升,绿色航空产业发展取得阶段性成果,安全有效的保障体系基本建成。使用可持续航空燃料的国产民用飞机实现示范应用,电动通航飞机投入商业应用,电动垂直起降飞行器(eVTOL)实现试点运行,氢能源飞机关键技术完成可行性验证,绿色航空基础设施不断夯实,形成一批标准规范和技术公共服务平台,有效支撑绿色航空生产体系、运营体系建设。到2035年,建成具有完整性、先进性、安全性的绿色航空制造体系,新能源飞行器成为发展主流,国产民用大飞机安全性、环保性、经济性、舒适性达到世界一流水平,以无人化、电动化、智能化为技术特征的新型通用航空装备实现商业化、规模化应用。
2023年11月,由中国国家空中交通管理委员会办公室会同有关部门起草的《中华人民共和国空域管理条例(征求意见稿)》正式发布,意味着空域改革会进一步深化。
2024年1月1日,《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》正式施行。《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》旨在规范无人驾驶航空器飞行以及有关活动,促进无人驾驶航空器产业健康有序发展,维护航空安全、公共安全、国家安全。2024年2017年全国两会期间,低空经济首次被写入《政府工作报告》。4月7日,中国民用航空局在广东广州正式颁发首张无人驾驶载人航空器生产许可证,这是全球电动垂直起降飞行器行业内首张生产许可证。取得生产许可证后,“空中的士”会实现更大规模交付。
代表企业
eVTOL的发展吸引了一批初创型科技企业、传统汽车和飞机厂商参与相关研发。例如,Joby、Archer、Wisk、Lilium、广州亿航智能技术有限公司上海峰飞航空科技有限公司、时的科技、上海御风未来等专注eVTOL领域的科技企业;波音公司空中客车公司、贝尔、巴西航空工业公司等传统航空企业也加入或关注这一领域;奔驰、保时捷、现代、吉利等众多车企和腾讯控股等互联网公司也在eVOTL赛道展开布局。截至2023年,全球已有超过800家企业从事eVTOL研发。
产品比较
参考来源
相关事件
2024年10月12日,吉利沃飞长空旗下首款飞行汽车AE200电动垂直起降航空器(eVTOL)验证机在成都淮州机场完成公开演示飞行。这是其在全球总部所在地成都首次对公众全方位展示全倾转飞行演示。本次试飞圆满结束,锁定了关键核心技术,也为下一步的产品量产打下了坚实的基础。后续,AE200还要进行一系列的试验与试飞,比如高温、低温等各类极限环境的考验,最大时速飞行与刹停、各种应急故障的可靠处置验证等工作,只有完成这些考验之后,才能拿到民航部门颁发的适航证,也才能进入量产和投用。
2024年11月18日,中国航空运输协会通航业务部、无人机工作委员会主任孙卫国在2024国际电动航空(昆山市)论坛上透露,中央空管委即将在六个城市开展eVTOL试点。六个试点城市初步确定为合肥市杭州市深圳市苏州市成都市重庆市。试点文件对航线和区域都有相关规划,对600米以下空域授权部分地方政府,这意味着相关地方政府要承担更多管理责任。
2024年11月30日,上海峰飞航空科技有限公司宣布,其2吨级eVTOL电动垂直起降航空器在日本冈山成功首飞,完成中国吨级以上eVTOL在日本的首次飞行。
参考资料
低空经济蓄势高飞.新华网.2024-04-09
目录
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