世界城市空中交通飛行器概覽

王翔宇

當前AAM領域的飛行器產品按照特征能力可分為垂直起降（VTOL）和短距/常規(guī)起降（S/CTOL）飛行器兩大類，并以VTOL飛行器特別是eVTOL飛行器為主。但AAM飛行器并不等同于eVTOL飛行器，例如，貝塔公司的Alia、瓊特公司的Journey等飛行器采用混合動力方案，美國伊萊卡（Electra）的eSTOL、翼威（Eviation）的Alice等飛行器不具備VTOL能力，但均是AAM領域內的重要飛行器型號，且已形成相當成熟的產品方案和供應鏈體系。 據(jù)羅蘭貝格、SMG等國外咨詢公司以及垂直飛行協(xié)會（VFS）等國際組織統(tǒng)計，2019年世界范圍內eVTOL飛行器項目已超200個，而截至2022年3月和8月，這一數(shù)字分別突破600和700，數(shù)量呈激增態(tài)勢。其中，SMG公司從2016年起推出AAM實現(xiàn)程度指數(shù)排名（ARI），通過對融資規(guī)模、試驗和適航進展等多方面綜合評價，選出20～30個最有望實現(xiàn)AAM飛行器產品商業(yè)化運營的企業(yè)，最新版本已于2022年10月發(fā)布。

觀察當前主要VTOL飛行器實現(xiàn)垂直起降能力的技術途徑，可以將其進一步劃分為四大類構型，即多旋翼、復合、混合以及傾轉旋翼構型，其中多旋翼和復合構型完全不采用傾轉旋翼，僅通過提供升力或推力的固定轉軸旋翼實現(xiàn)飛行器垂直起降，而混合和傾轉旋翼構型，則分別部分或完全通過傾轉旋翼實現(xiàn)飛行器垂直起降。

當前AAM飛行器仍以eVTOL飛行器為主，其中主要用于客運場景的eVTOL飛行器構型、座級、航程、巡航速度大致關系如上圖所示。

多旋翼構型eVTOL飛行器

多旋翼eVTOL飛行器因在飛行中幾乎無法利用氣流產生升力，航程和巡航速度最小，但設計和維護簡單，載客量通常為1～2人。當前除德國沃瓏空泰VoloCity、中國億航EH216S仍采用該構型作為客運AAM飛行器產品外，其余多旋翼eVTOL飛行器大多被用于貨運、巡檢、搜救等場景。而似乎意識到多旋翼構型的局限性，沃瓏空泰、中國億航均在2022年夏秋之季加快推出復合構型eVTOL飛行器VoloRegion和VT30，用于對載荷、航程等有更高要求的客運場景。

VoloCity型飛行器整機高2.8米、外直徑9.3米，機身上方均布18個直徑約2米的旋翼，最大起飛重量 900千克；2019年7月完成歐洲航空安全局（EASA）為eVTOL飛行器制定的適航標準特殊條款要求；2021年11月完成從意大利萊昂納多達芬奇機場到羅馬市中心往返飛行，全程約35千米，用時僅20分鐘，顯示了eVTOL飛行器相比于傳統(tǒng)交通工具的驚人效率；當前正積極為2024年法國巴黎奧運會期間開通商業(yè)化試運營線路做最后沖刺。

EH216S型飛行器整機高1.86米、外直徑5.63米，機身下方均布6組直徑約1.4米的旋翼，最大起飛重量約870千克；2018年起多次與廣州黃埔、廣西賀州、福建福州等地方政府合作，開展公安巡檢、疫情防控、旅游觀光等任務；2022年2月由中國民航局正式確定型號合格審定基礎；2022年1月獲日本空中交通數(shù)字平臺公司AirX株式會社預售訂單，且該機有望為2025年世博會提供客運服務。

傾轉旋翼構型eVTOL飛行器

傾轉旋翼eVTOL飛行器具有垂起、平飛和過渡3種工作狀態(tài)，其中前兩種狀態(tài)中，全機旋翼產生的氣動力能夠完全轉換為垂直升力或水平推力，因而能夠獲得較大的航程和航時；但同時結構和機械設計最為復雜、維護較困難、對飛控算法要求較高。該構型的典型代表產品有美國喬比公司的S4和德國百合公司的Jet型飛行器，此外美國歐沃愛公司的Butterfly、意大利萊昂納多公司Project Zero提供了較為獨特的傾轉旋翼eVTOL飛行器樣本。

S4型飛行器機長6.4米，翼展11.6米，結構重量2.177噸，共有6個（前4、后2）直徑2.7米的傾轉旋翼，是當前已公開獲得資金規(guī)模最大、適航取證進度最快、商業(yè)化程度最高的AAM飛行器之一。該機于2019年完成全尺寸樣機首飛，2021年完成首架量產型原型機試飛，2020年明確FAA G-1第4階段適航認證基礎。此外，原計劃于2024年完成FAA型號認證，由于 2022年5月FAA對eVTOL飛行器型號認證程序做出調整，該計劃推遲至2025年。

Jet型飛行器目前已有5座、7座兩種較成熟改型，其中7座改型機長8.5米，翼展13.9米，結構重量未公開，各改型均采用36個（前12、后24）電動涵道風扇的eVTOL飛行器。該機于2019年5月完成首架5座級原型機首飛，2022年4月開始在西班牙ATLAS飛行試驗中心進行7座級原型機試飛。

Butterfly型飛行器采用了歐沃愛公司前身（卡雷姆飛行器公司）在與美國國防部、美國空軍多年合作項目中發(fā)展出的“最優(yōu)轉速傾轉旋翼”（OSTR）技術，采用4個直徑約6.1米的碩大旋翼，以顯著低于其他同構型飛行器旋翼的轉速實現(xiàn)飛行器起降；Project Zero型飛行器運用萊昂納多公司在直升機槳葉獨立控制（IBC）技術上豐富的技術積累，僅用2個傾轉涵道風扇實現(xiàn)對飛行器的穩(wěn)定操控。

復合構型eVTOL飛行器

復合構型將升力和推（拉）力旋翼完全分開，分別在起降狀態(tài)和平飛狀態(tài)工作，同時具有兩種旋翼同時工作的過渡狀態(tài)。由于升力推力解耦，設計和操控簡單、易于維護，是當前數(shù)量最龐大的eVTOL飛行器構型。然而，平飛狀態(tài)下升力旋翼停轉成為死重，使航程和航時通常低于傾轉旋翼飛行器；但由于外形設計容易融合固定翼，充分利用平飛時的氣流產生動力，因而航程和航時通常優(yōu)于多旋翼飛行器。該構型較為典型的代表有美國維斯克公司的Cora、德國沃瓏公司的VoloRegion、中國峰飛公司的Prosperity I（盛世龍）。此外，歐洲空客公司的CityAirbus NG、美國瓊特公司的Journey飛行器則提供了較為獨特的復合構型eVTOL飛行器樣本。

Cora型飛行器是維斯克公司的第5代eVTOL飛行器產品，機長6米、翼展11米，具有12個升力旋翼、1個尾部推力旋翼。該機于2017年完成無人駕駛飛行試驗，2020年2月開始在新西蘭進行試運營前的更多系列飛行試驗。2022年10月，維斯克公司公布第六代混合構型eVTOL飛行器產品（G6），此后維斯克公司對Cora的定位則更像技術驗證機，而發(fā)展重心則轉向G6。

VoloRegion型飛行器原名VoloConnect（2022年10月正式改名），是沃瓏空泰公司最新推出的復合構型eVTOL飛行器，尺寸未公開（估測高2.5米、翼展9米），具有6個升力旋翼、2個尾部推力涵道旋翼，已于2022年6月首飛。

Prosperity I（盛世龍）全機高3.3米，翼展12.8米，具有8個升力旋翼、1個尾部推力旋翼，于2022年1月和6月分別對全尺寸驗證機完成飛行模式轉換試驗和完整飛行試驗。其貨運改型CarryAll（凱瑞歐/ V2000CG）的無人駕駛航空器的型號合格證申請于2022年9月正式得到中國民航局受理，開始進入適航認證的環(huán)節(jié)。

此外，空客最新推出的CityAirbus NextGen（NG）型eVTOL飛行器，其尾部兩個旋翼具有固定且朝向地面的傾角，可同時產生推力和升力。但從航程和巡航速度等性能來看，NG飛行器與典型復合構型eVTOL飛行器更接近；從飛控角度來看，尾部兩旋翼產生的推力和升力仍能較容易解耦；從各個旋翼作用來看，尾部兩旋翼顯著區(qū)別于其他旋翼。因此應將NG視作復合式eVTOL飛行器。瓊特Journey飛行器則創(chuàng)新性地在傳統(tǒng)直升構型上添加了1對機翼和4個推力旋翼，盡管其采用了混合動力能源形式，但仍然有可能為復合構型eVTOL飛行器帶來新的總體設計思路。

混合構型eVTOL飛行器

混合構型eVTOL飛行器部分旋翼轉軸固定，成為升力/推力旋翼，其余旋翼轉軸可傾轉，是當前產品數(shù)量僅次于復合構型的eVTOL飛行器構型。從現(xiàn)有主要產品的性能數(shù)據(jù)看，混合構型飛行器通常有著更接近復合構型飛行器的航程（小于傾轉旋翼）和更接近傾轉旋翼飛行器的飛行速度（高于復合構型）。該構型較為典型的飛行器產品有美國阿徹公司的Maker、美國維斯克公司的G6和英國垂直公司的VX4。

Maker型飛行器于2021年12月首飛，并完成了FAA G-1適航條例認證基礎的符合要求。然而，維斯克公司從2022年初開始轉變產品思路，主推其最新研制的Midnight型eVTOL飛行器，后者幾乎是Maker的放大版，兩者具有相同的構型和氣動布局，以及相近的航程和巡航速度，但Midnight尺寸和載客量更大。Midnight于2022年年初完成懸停飛行試驗；2022年6月開始進行系列常規(guī)飛行試驗。G6是維斯克公司繼Cora之后推出的第6代飛行器產品，當前正在進行系列飛行試驗。阿徹的Maker/Midnight與維斯克的G6具有非常接近的動力系統(tǒng)形式，均采用6個傾轉旋翼和6個升力旋翼。

S/CTOL飛行器

相比于eVTOL，eS/CTOL飛行器雖然使用靈活性有所降低，但航程、航時、起飛重量等均有顯著提升，更適合城鄉(xiāng)和城際間的客貨運輸，甚至能夠承擔起部分支線飛行器任務。運輸距離的提升需要提高載客量來保證經濟性，這一方面對飛行器動力系統(tǒng)的儲能總量、功率提出了更高要求，使得油電混合、氫電混合的動力方案常被考慮；另一方面對飛行器巡航過程中的增升減阻提出了更高要求，使得常規(guī)氣動布局成為主流。由于現(xiàn)有適航管理體系對常規(guī)布局的飛行器認證較為完善、成熟，因此S/CTOL飛行器很可能率先實現(xiàn)商業(yè)化，進入城際間AAM客貨運輸場景。

較為典型的eS/CTOL飛行器包括美國伊萊卡公司的客機（無官方命名）、以色列和新加坡合資公司翼威的Alice、瑞士心宇航（Heart Aerospace）公司的ES-30等。較為典型的混合動力S/CTOL飛行器包括換裝發(fā)動機的ATR 42/72和“沖”8等。

伊萊卡公司推出的飛行器具有8個電機，分別獨立驅動8個旋翼，有效載荷1.134噸，載客9人，有效航程740千米（保留45分鐘應急飛行能力），巡航時速324千米，起飛滑跑距離約91米、起降所需最低飛行時速約48千米。該公司通過美空軍“敏捷至上”以及與洛馬公司的合作，發(fā)展了一套利用分布式電動旋翼加速機翼上表面氣流從而為飛行器增升減阻的技術，命名為“氣流增升”（Blown Lift）。2021年，伊萊卡收購美國氣流（Airflow）公司，避免了與最主要的競品Model-200飛行器爭搶市場。截至2022年11月，已與包括布瑞斯托、flyv、Yugo、skyportz等公司共簽署了900余架飛行器意向訂單。據(jù)伊萊卡公司透露，飛行器可能會分為純電動版和混動版本，但具體的混動推進方案未見細節(jié)披露。

ATR 42和ATR 72是法國-意大利合資飛行器制造商ATR公司在1985年前后推出的經典渦槳支線飛行器，以其出色的飛行性能和低油耗特性，在同類型飛行器產品中占壟斷地位并保持至今。2021年10月，愛爾蘭航空集團（ASL）與環(huán)球氫能公司（UH2）簽訂意向書，為后者提供1架ATR 72飛行器作為驗證機，用于測試其正在研發(fā)中的氫電混合動力系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有模塊化設計特點，有望在未來擴展應用于“沖”8等更多型號的支線飛行器。