eVTOL飛行器及其動(dòng)力發(fā)展態(tài)勢(shì)研究

■ 羅彧 廖忠權(quán)/中國(guó)航發(fā)研究院

電動(dòng)垂直起飛和著陸（eVTOL）飛行器是近年隨著城市交通發(fā)展而產(chǎn)生的新穎飛行器，通常采用非常規(guī)設(shè)計(jì)，將空氣動(dòng)力學(xué)和電動(dòng)推進(jìn)技術(shù)更緊密地結(jié)合在一起，既可作為城市公共交通工具，也可作為私人飛行器。隨著優(yōu)步公司城市空中交通運(yùn)輸項(xiàng)目Uber Elevate的提出，全球不斷涌現(xiàn)出各種eVTOL概念產(chǎn)品。

當(dāng)前發(fā)展的電動(dòng)垂直起飛和著陸（eVTOL）飛行器多是用于城市空中交通運(yùn)輸。其主要原因是由于電推進(jìn)系統(tǒng)與內(nèi)燃機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)相比，電網(wǎng)的能源成本只有航空燃料成本的30%，而且電推進(jìn)系統(tǒng)的效率是內(nèi)燃機(jī)的2～4倍。據(jù)波音公司的一項(xiàng)研究表明，4座的傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL飛行器與采用活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的羅賓遜R44直升機(jī)相比，其座千米的運(yùn)營(yíng)成本可降低26%，而且動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、維護(hù)成本更低。

目前，世界上有數(shù)十種eVTOL飛行器在研?？湛?、波音以及其他各種創(chuàng)新技術(shù)公司推出了各種各樣的eVTOL飛行器。例如，空客CityAirbus、Vahana，波音的CAV，英國(guó)涅瓦航空航天公司的AirQuadOne，億航184（Ehang 184），德國(guó)Volocopter公司的Volocopter 2X，德國(guó)Lilium公司的Lilium飛行器等。值得一提的是，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商羅羅公司利用其在燃?xì)鉁u輪、垂直起降技術(shù)、系統(tǒng)分析以及航空法規(guī)和認(rèn)證領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)積累，也開(kāi)發(fā)了自己的eVTOL概念飛行器，加入了eVTOL發(fā)展浪潮中。

eVTOL飛行器

相對(duì)于傳統(tǒng)旋翼機(jī)，eVTOL飛行器性能有較大不同。傳統(tǒng)旋翼機(jī)航程較長(zhǎng)，更適合城市之間或是較大航程的飛行，而eVTOL飛行器則航程短，突出經(jīng)濟(jì)性、安全性、便捷性和低噪聲，主要應(yīng)用目標(biāo)就是城市內(nèi)的交通運(yùn)輸。eVTOL飛行器與傳統(tǒng)的旋翼機(jī)之間更多是互補(bǔ)關(guān)系，而非競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，其發(fā)展壯大并不會(huì)對(duì)傳統(tǒng)旋翼機(jī)的發(fā)展造成重大影響。這也是大多數(shù)旋翼機(jī)制造商對(duì)eVTOL飛行器持歡迎而非排斥態(tài)度的原因。雖然eVTOL飛行器尚未大規(guī)模投入運(yùn)營(yíng)，但隨著人類對(duì)高效出行的永恒追求，eVTOL飛行器市場(chǎng)發(fā)展前景光明，據(jù)高盛公司預(yù)測(cè)，到2035年，全球eVTOL飛行器的市場(chǎng)將達(dá)到每年700億美元，每年需要制造5萬(wàn)架全新的eVTOL飛行器。

城市空中交通運(yùn)輸系統(tǒng)

優(yōu)步Elevate空中交通計(jì)劃

優(yōu)步公司成立于2010年，是一家提供一鍵呼叫出租車及共享汽車服務(wù)的公司，自成立以來(lái)，其業(yè)務(wù)就迅速擴(kuò)展，目前已經(jīng)擴(kuò)展到全球數(shù)百個(gè)城市。2016年，公司又提出了一鍵呼叫出租飛機(jī)——“空中出租車”的構(gòu)想，設(shè)想在城市中建立一個(gè)空中交通網(wǎng)絡(luò)，部署數(shù)千架eVTOL飛行器作為“空中出租車”，并將其與共享汽車和公共交通連接，為乘客提供最后1km服務(wù)，以此緩解城市地面交通擁堵。

公司于2016年發(fā)布了Uber Elevate按需航空服務(wù)白皮書(shū)，提出建設(shè)未來(lái)城市空中交通計(jì)劃，2018年又對(duì)其進(jìn)行了修訂。總體上是瞄準(zhǔn)中短程40～96km（25～60mile）市區(qū)航空，利用eVTOL飛行器為未來(lái)城市提供一鍵約飛機(jī)的空中交通服務(wù)。優(yōu)步公司計(jì)劃于2020年開(kāi)始試飛其eVTOL飛行器，2023年將其投入市場(chǎng)。但優(yōu)步公司并不打算自己研制eVTOL飛行器，而是由其合作伙伴研制。目前，優(yōu)步公司已經(jīng)與5家飛機(jī)制造商簽署了合作協(xié)議，合作研制新型eVTOL飛行器，這5家公司分別是極光飛行科學(xué)公司、巴航工業(yè)、斯洛文尼亞蝙蝠飛機(jī)公司、卡萊姆飛機(jī)公司、貝爾公司，并都提出了各自的eVTOL飛行器方案。

在2018年5月舉行的第二屆Elevate展會(huì)上，優(yōu)步公司展示了其研發(fā)的“飛行汽車”概念原型機(jī)，又被稱為eVTOL概念的“通用參考模 型 ”（eVTOL Common Reference Model，eCRM），目的是尋求設(shè)計(jì)eVTOL飛行器的最優(yōu)技術(shù)、工具和試驗(yàn)方法，并將成果與合作伙伴共享，用于各種eVTOL設(shè)計(jì)方案的研制與驗(yàn)證，希望優(yōu)步公司的空中交通服務(wù)網(wǎng)絡(luò)能夠支持各種規(guī)格的eVTOL飛行器。值得一提的是，巴航工業(yè)從事顛覆性技術(shù)開(kāi)發(fā)的創(chuàng)新組織Embraer X在該展會(huì)上也發(fā)布了首款eVTOL概念飛行器。

優(yōu)步公司合作伙伴的eVTOL飛行器方案

優(yōu)步公司eCRM概念

優(yōu)步公司計(jì)劃于2020年率先在達(dá)拉斯、沃斯堡和洛杉磯三座城市進(jìn)行eVTOL飛行試驗(yàn)，2023年在三座城市開(kāi)啟eVTOL商業(yè)服務(wù)。從2023年開(kāi)始，初期在一座城市投入50架eVTOL飛行器；如果運(yùn)作良好，到2025年，eVTOL飛行器機(jī)隊(duì)規(guī)模將擴(kuò)大到1000架。為了保證安全性，優(yōu)步公司在機(jī)隊(duì)低密度階段仍會(huì)使用有人駕駛的eVTOL飛行器，但是很快就會(huì)轉(zhuǎn)移到自主飛行的無(wú)人駕駛飛行器。這不僅是為了降低聘用飛行員帶來(lái)的高昂成本，還因?yàn)橐坏〆VTOL飛行器的數(shù)量太大，所需飛行員的數(shù)量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)美國(guó)現(xiàn)有飛行員人數(shù)。

優(yōu)步公司的目標(biāo)是使eVTOL飛行器的安全性達(dá)到汽車的兩倍以上、直升機(jī)的4倍以上，主要通過(guò)飛行器設(shè)計(jì)和適航取證兩個(gè)方面進(jìn)行保證。在設(shè)計(jì)上，eVTOL飛行器動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的能量源、傳輸總線、電力、設(shè)備、電機(jī)和推進(jìn)器都有冗余設(shè)計(jì)，采用分布式電推進(jìn)以及自主飛行系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)。此外，eVTOL飛機(jī)的機(jī)體大多采用輕質(zhì)的復(fù)合材料，可安裝降落傘，確保在動(dòng)力失效時(shí)飛機(jī)及乘客的安全。直升機(jī)的旋翼安裝在駕駛艙上方，無(wú)法安裝彈射降落傘，因?yàn)樾頃?huì)把降落傘切碎，而eVTOL飛行器的旋翼都安裝在駕駛艙周圍，因此不存在此類問(wèn)題。雖然目前的機(jī)載降落傘還受到最小打開(kāi)高度的限制，但制造商正在努力改善這一情況。在適航認(rèn)證方面也應(yīng)采用更加適合eVTOL飛機(jī)的規(guī)則。

優(yōu)步公司為了推進(jìn)其Elevate城市空中交通計(jì)劃，還在eVTOL起降機(jī)場(chǎng)、充電樁、政府空域管理、交通監(jiān)管等方面進(jìn)行了籌劃安排。

空客發(fā)布的包含CityAirbus、Vahana和Octacopter在內(nèi)的城市交通路線圖

空客Voom系統(tǒng)

城市空中交通解決方案是當(dāng)前航空運(yùn)輸發(fā)展的熱點(diǎn)之一，除了優(yōu)步公司積極籌劃其Elevate空中交通計(jì)劃，空客公司也在積極進(jìn)行城市空中運(yùn)輸?shù)膰L試?？湛臀挥诠韫鹊膭?chuàng)新中心A3公司于2017年4月在巴西圣保羅推出世界首個(gè)直升機(jī)服務(wù)即時(shí)預(yù)定平臺(tái)Voom。在體驗(yàn)該服務(wù)時(shí)，用戶只需要用手機(jī)輸入出發(fā)地和目的地，便會(huì)有汽車將乘客運(yùn)送到最近的直升機(jī)停機(jī)坪，搭乘空客的直升機(jī)飛往目的地停機(jī)坪后，會(huì)繼續(xù)有汽車將用戶送到最終目的地。

與傳統(tǒng)直升機(jī)運(yùn)輸服務(wù)相比，通過(guò)Voom系統(tǒng)乘機(jī)的價(jià)格降低了約80%，與租車服務(wù)的價(jià)格相當(dāng)。Voom系統(tǒng)當(dāng)前有8個(gè)機(jī)場(chǎng)，有6個(gè)在圣保羅市中心，兩個(gè)在圣保羅機(jī)場(chǎng)。在空客公司的支持下，Voom系統(tǒng)也將部署在墨西哥的墨西哥城，因?yàn)槟鞲绯堑慕煌〒矶虑闆r同樣非常嚴(yán)重?？湛凸緦裋oom直升機(jī)服務(wù)獲取的經(jīng)驗(yàn)用于開(kāi)發(fā)真正的城市交通工具——“城市空中客車”（City Airbus）。

波音無(wú)人機(jī)交通管理系統(tǒng)

繼優(yōu)步和空客提出各自的城市空中交通解決方案之后，飛機(jī)巨頭波音公司也提出了自己的交通方案。2018年7月，波音公司宣布已經(jīng)與人工智能公司SparkCognition合作，將利用人工智能和區(qū)塊鏈技術(shù)，開(kāi)發(fā)一個(gè)無(wú)人機(jī)交通管理系統(tǒng)（UTM），能夠跟蹤無(wú)人駕駛飛行器的飛行，并為載客和載貨飛行器分配航線，以確保交通運(yùn)輸安全。據(jù)SparkCognition首席執(zhí)行官Amir Husain介紹，據(jù)估計(jì)，城市空中交通市場(chǎng)規(guī)模將高達(dá)3萬(wàn)億美元。

波音公司還宣布成立了一個(gè)稱為波音NEXT的部門，它將協(xié)助推進(jìn)UTM和下一代交通方式，它將專注于建立智能城市模型和探索新的市場(chǎng)機(jī)遇，以應(yīng)對(duì)未來(lái)交通帶來(lái)的挑戰(zhàn)。波音NEXT的產(chǎn)品將包括eVTOL飛行器和近期提出的超聲速客機(jī)概念，以便在未來(lái)的交通運(yùn)輸中提供靈活的貨物運(yùn)輸和城市交通運(yùn)輸能力。

波音公司構(gòu)筑的包括高超聲速客機(jī)、CAV飛行器在內(nèi)的未來(lái)客貨運(yùn)愿景

eVTOL飛行器動(dòng)力發(fā)展態(tài)勢(shì)

eVTOL動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)是所有飛行器的核心所在，eVTOL也不例外。從近中期發(fā)展來(lái)看，航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)對(duì)eVTOL動(dòng)力系統(tǒng)看法不一，總體來(lái)看是全電推進(jìn)和混合電推進(jìn)并行。羅羅公司認(rèn)為小型eVTOL的全電推進(jìn)系統(tǒng)較容易實(shí)現(xiàn)。普惠加拿大公司也認(rèn)為全電eVTOL會(huì)成為城市生活的一部分。但賽峰集團(tuán)認(rèn)為，未來(lái)20年能支持eVTOL飛行超過(guò)30min、載重超過(guò)100kg的全電動(dòng)架構(gòu)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)，并認(rèn)為在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)可能還要依賴燃油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)。今年6月，貝爾公司與賽峰集團(tuán)達(dá)成合作，賽峰集團(tuán)為貝爾的eVTOL飛行器概念“空中出租車”研發(fā)混合電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)解決方案。

但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，隨著電推進(jìn)系統(tǒng)性能的提升，會(huì)有越來(lái)越多的eVTOL采用電推進(jìn)方式。值得一提的是，優(yōu)步公司的Elevate空中交通計(jì)劃希望其eVTOL飛行器一開(kāi)始商業(yè)運(yùn)營(yíng)就采用全電推進(jìn)。對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)而言，電池是關(guān)鍵所在，電池的能量密度、充電時(shí)間、循環(huán)壽命、安全性等決定著eVTOL的性能，特別是電池的能量密度直接決定了eVTOL的飛行時(shí)間。

波音公司的一項(xiàng)研究也表明，電池能量密度達(dá)到0.4kW·h/kg，就能滿足許多在研的小型eVTOL飛行器的動(dòng)力需求。但目前在研的電池能量密度多在0.25kW·h/kg量級(jí)，尚不能滿足許多eVTOL飛行器的動(dòng)力需求。

優(yōu)步公司對(duì)電池的短期應(yīng)用目標(biāo)是，2023年其eVTOL飛行器進(jìn)入低速生產(chǎn)時(shí)，單個(gè)電池級(jí)的電池能量密度為0.35kW·h/kg，電池組級(jí)的電池能量密度為0.3kW·h/kg；充電時(shí)，15min內(nèi)電量可從30%達(dá)到90%；使用壽命為500次循環(huán)，成本為400美元/(kW·h)。其長(zhǎng)期的應(yīng)用目標(biāo)則是，2028年電池使用壽命為1000次循環(huán)；2032年電池使用壽命達(dá)到2000次循環(huán)，而到2030年電池成本可降到200美元/（kW·h）。為了達(dá)到eVTOL飛行器的電池能量目標(biāo)，目前電池廠商都在開(kāi)發(fā)各種高能量密度電池。

美國(guó)Seeo電池公司正在試驗(yàn)?zāi)芰棵芏冗_(dá)0.35kW·h/kg的鋰聚合物電池，最終目標(biāo)是研制出能量密度達(dá)0.4kW·h/kg的電池。美國(guó)固體能源公司（Solid Energy）更是研發(fā)出能量密度高達(dá)0.45以上的鋰金屬電池。

鋰金屬電池的興起

高能量密度鋰電池是全電推進(jìn)系統(tǒng)的重要選擇。與傳統(tǒng)鎳鎘電池和鉛酸電池相比，鋰電池具有能量密度高、工作電壓高、自放電率低、循環(huán)壽命長(zhǎng)、充放電效率高、工作溫度范圍寬、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。就鋰電池而言，當(dāng)前的主流是鋰離子電池，現(xiàn)階段最高水平的鋰離子電池在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了能量密度和體積能量密度分別達(dá)到0.4kW·h/kg和1kW·h/L，但很難再有更大發(fā)展。必須尋求能量密度更大的鋰電池，在此背景下，鋰金屬電池進(jìn)入人們的視野。

與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，鋰金屬電池的能量密度更高，封存容易，在同樣電池容量條件下，其體積和質(zhì)量要比鋰離子電池小得多。例如，將鋰金屬電池與當(dāng)前通用的智能手機(jī)鋰離子電池對(duì)比，在同樣電量下，鋰金屬電池的體積只有鋰離子電池的一半，質(zhì)量也更輕。

目前，Solid Energy是生產(chǎn)鋰金屬電池的佼佼者，2017年該公司的鋰金屬電池能量密度和體積密度已經(jīng)分別達(dá)到0.45kW·h/kg以上和1.2kW·h/L以上，遠(yuǎn)高于目前世界上在產(chǎn)在研的鋰離子電池。該公司在其網(wǎng)站主頁(yè)上號(hào)稱生產(chǎn)的是世界上最輕的充電電池，公司計(jì)劃將電池用于高空無(wú)人機(jī)。但是該公司的產(chǎn)品也稱不上完美，因?yàn)槟壳暗漠a(chǎn)品并不是為快充而設(shè)計(jì)，一次充滿電需要8h，顯然不能滿足eVTOL的快充需求。如前所述，優(yōu)步公司對(duì)eVTOL的目標(biāo)是充電15min內(nèi)電量可從30%達(dá)到90%。此外，目前鋰金屬電池制造成本也比鋰離子電池高很多。

鋰電池組

鋰電池的其他應(yīng)用

值得一提的是，高性能鋰電池逐漸在干線客機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用。鋰電池在民用航空領(lǐng)域最早應(yīng)用于公務(wù)機(jī)上，但使用時(shí)間很短，應(yīng)用范圍也不廣。2011年，以采用鋰電池的波音787投入運(yùn)營(yíng)為標(biāo)志，鋰電池在航空領(lǐng)域的應(yīng)用出現(xiàn)了第一個(gè)高潮，但隨后事故頻發(fā)使鋰電池的應(yīng)用出現(xiàn)了短暫的停頓。因?yàn)椴ㄒ?87鋰電池的事故，處于安全性考慮，空客A350曾一度棄用鋰電池，而采用傳統(tǒng)的鎳鎘電池，但空客對(duì)鋰電池的探索應(yīng)用從未停止，他們借鑒波音787飛機(jī)電池事故調(diào)查結(jié)果，繼續(xù)推進(jìn)鋰電池在A350客機(jī)上的應(yīng)用。2015年年底，空客交付巴西TAM（即后來(lái)的LATAM航空）航空公司編號(hào)為MSN24的A350飛機(jī)時(shí)，就重新使用了鋰電池。鋰電池技術(shù)在A350客機(jī)上的驗(yàn)證和使用，預(yù)示著它將在民用航空領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

與傳統(tǒng)鎳鎘電池相比，鋰電池優(yōu)勢(shì)明顯，在相同電池容量下，鋰電池體積更小、質(zhì)量更輕、使用維護(hù)更方便。以A350為例，采用鋰電池后，可以減重約80kg；電池日常維護(hù)間隔延長(zhǎng)到每?jī)赡暌淮?，而鎳鎘電池的維修間隔是4～6個(gè)月。隨著鋰電池的發(fā)展，將推動(dòng)飛機(jī)制造商逐漸將其用于飛機(jī)應(yīng)急照明、駕駛艙語(yǔ)音記錄儀、飛行數(shù)據(jù)記錄儀、記錄儀獨(dú)立電源、備用或應(yīng)急電源、主電源和輔助動(dòng)力裝置電源等機(jī)載系統(tǒng)，前景非常廣闊。

eVTOL飛行器面臨的挑戰(zhàn)

如前所述，eVTOL飛行器的發(fā)展在技術(shù)上很大程度取決于電池技術(shù)的發(fā)展。但除了技術(shù)原因，eVTOL飛行器的發(fā)展還取決于城市空中交通配套體系的發(fā)展，包括自主飛行、集群空管、適航、停機(jī)坪建設(shè)、充電設(shè)施、城市規(guī)劃等綜合因素。在此，僅就eVTOL適航管理對(duì)推進(jìn)eVTOL飛行器所需進(jìn)行的配套準(zhǔn)備工作進(jìn)行探討。

eVTOL飛行器是全新的飛行器類別，從航空監(jiān)管的角度，eVTOL飛行器需要一套全新的適航取證規(guī)章，適航認(rèn)證是確保安全的手段。按照美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，eVTOL飛行器應(yīng)通過(guò)FAR-27部(用于旋翼航空器)、FAR-23部(用于19座固定翼飛機(jī))和FAR-21.17（b）(用于特種飛機(jī))取證，但是大多數(shù)飛機(jī)制造商更傾向于通過(guò)FAR-23部和EASA CS-23部，而不是FAR-21.17（b）部取證。目前，F(xiàn)AA和EASA分 別 對(duì)FAR-23部 和EASA CS-23部進(jìn)行了修訂，通過(guò)設(shè)定適應(yīng)行業(yè)發(fā)展的新標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行管理，且修訂后的EASA CS-23部允許飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳作為一個(gè)整體取證，因?yàn)檫@類飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)和飛機(jī)機(jī)體是高度集成的。

下一步，優(yōu)步公司將與政府交通監(jiān)管機(jī)構(gòu)合作探討如何使eVTOL飛行器的推進(jìn)系統(tǒng)和自主飛行系統(tǒng)得到安全認(rèn)證，并將目前正在研究的、適用于小型無(wú)人機(jī)低空飛行的“無(wú)人機(jī)空中交通管理” (UTM)規(guī)章擴(kuò)展到eVTOL飛行器的型號(hào)認(rèn)證、飛行管理、交通規(guī)則等規(guī)章的制定中。此外，優(yōu)步公司還希望能將美國(guó)航空航天局（NASA）和FAA的UTM系統(tǒng)擴(kuò)展到更適合eVTOL飛行器起降的建筑物屋頂和機(jī)場(chǎng)周圍的B類空域（從地面到3000m高度）中，通過(guò)UTM自動(dòng)通知和授權(quán)eVTOL飛行器進(jìn)入批準(zhǔn)的空域。