電動垂直起降飛行器發(fā)展現(xiàn)狀及其在航空醫(yī)療救援中的應(yīng)用展望

尤少春，張曉麗，吳飛飛，羅正學(xué)

（空軍軍醫(yī)大學(xué)空軍特色醫(yī)學(xué)中心，北京 100142）

0 引言

近年來，未來城市空中交通體系（urban air mobility，UAM）的概念備受關(guān)注，預(yù)計到2040 年全球產(chǎn)業(yè)規(guī)?？蛇_(dá)1.5 萬億美元[1]。作為主流認(rèn)可的UAM 解決方案，電動垂直起降飛行器（electric vertical takeoff and landing，eVTOL）技術(shù)發(fā)展非常迅速。

航空醫(yī)療救援是使用裝有專用醫(yī)療救護(hù)設(shè)備的航空器，為緊急施救患者而進(jìn)行的飛行活動[2]，相比地面救護(hù)車輛具有速度快、轉(zhuǎn)運(yùn)距離遠(yuǎn)、受道路交通條件影響小等顯著優(yōu)勢[3]。eVTOL 能夠滿足中短途航空醫(yī)療救援對航空器的要求，同時具備經(jīng)濟(jì)性好、安全性高、自動化程度高、綠色環(huán)保等獨(dú)特優(yōu)勢[4]，可以成為現(xiàn)有醫(yī)療救援體系的有效補(bǔ)充。本研究對eVTOL 的發(fā)展現(xiàn)狀、基本特點(diǎn)進(jìn)行介紹，分析其在航空醫(yī)療救援中應(yīng)用的可行性，并對具體應(yīng)用場景進(jìn)行了展望。

1 eVTOL 的發(fā)展、特點(diǎn)及優(yōu)勢

1.1 eVTOL 的基本概念和發(fā)展歷程

eVTOL 運(yùn)用電力推進(jìn)作為動力基礎(chǔ)，可以進(jìn)行垂直起降和水平飛行，其基本組成包括電動機(jī)、電池、傳感器、通信導(dǎo)航模塊、機(jī)載電子控制器、巡航升力翼等硬件部分以及飛行控制系統(tǒng)、具體功能模塊等軟件部分。

最早進(jìn)行此類產(chǎn)品開發(fā)的是2009 年成立的美國JOBY 公司[5]。2011 年阿古斯塔公司在一個名為“Project Zero”（零點(diǎn)工程）的項(xiàng)目中提出了現(xiàn)在廣為人知的eVTOL 產(chǎn)品概念[6]。2014 年美國直升機(jī)國際協(xié)會、美國航空宇航協(xié)會在弗吉尼亞大會上正式引用了eVTOL 概念[7]。

2016 年，Uber 提出“Uber Elevate”城市空中出租車計劃，勾勒出eVTOL 在未來交通領(lǐng)域的前景和市場潛力，空中客車、波音等企業(yè)紛紛跟進(jìn)[8]。同時，美國空軍高度重視其軍事價值，于2019 年推出“Agility Prime”（敏捷至上）項(xiàng)目，向JOBY、Beta 等多家美國廠商授予總額超過1 億美元的合同，探索在軍事任務(wù)中應(yīng)用eVTOL 的可行性[9]。

截至2022 年年底，美國垂直飛行協(xié)會收錄的eVTOL 項(xiàng)目已超過750 個[10]，領(lǐng)軍企業(yè)包括Joby Aviation、Lilium、Volocopter、Vertical、Archer、中國億航、峰飛航空等，傳統(tǒng)航空企業(yè)中波音、空客以及汽車行業(yè)的吉利、小鵬、豐田、戴姆勒等也啟動了各自的eVTOL 研發(fā)項(xiàng)目。

1.2 eVTOL 的常見分類與特點(diǎn)

1.2.1 常見分類

eVTOL 正處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，技術(shù)路徑、形態(tài)特征和設(shè)想應(yīng)用場景種類繁多，因此有很多不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，常見的分類標(biāo)準(zhǔn)包括以下6 種：

（1）根據(jù)動力來源可分為全電動力、混合動力兩大類，目前的技術(shù)條件下，混合動力具有更長的航程和更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性，全電動力顯然是未來的發(fā)展方向。

（2）根據(jù)運(yùn)行模式可分為有人駕駛和無人駕駛2 種類別，或者載人、載客及載人載客兼顧3 種。

（3）根據(jù)有效載荷可分為輕型（有效載荷100～200kg）、中型（有效載荷300～500kg）、重型（≥1000kg）3 類[11]。

（4）按照目標(biāo)用戶可分為2B（商業(yè)運(yùn)營類，指載人客運(yùn)、載物貨運(yùn)、低空旅游等）、2G（政府服務(wù)類，指城市管理、警務(wù)安防、國防軍事、應(yīng)急救援等）、2C（私人飛行類，個人或家庭出行）三大類。

（5）按照適航認(rèn)證可分為基本型（需要在升力系統(tǒng)、機(jī)載設(shè)備等發(fā)生嚴(yán)重故障時可控著陸，不能用于人口聚集區(qū)上空飛行）和增強(qiáng)型（需要在升力系統(tǒng)、機(jī)載設(shè)備等發(fā)生嚴(yán)重故障時仍保證安全飛行，可用于人口聚集區(qū)上空飛行）[11]。

（6）機(jī)體構(gòu)型很大程度上決定著eVTOL 的基礎(chǔ)性能，這也是最重要的分類標(biāo)準(zhǔn)。按照機(jī)體構(gòu)型可分為多旋翼型（如圖1 所示）[12]、升力-巡航復(fù)合型（如圖2 所示）[13]、傾轉(zhuǎn)旋翼型（如圖3 所示）[14]、涵道矢量推力型（如圖4 所示）[15]四大類[16]。

圖1 德國Volocopter2X（多旋翼型）[12]

圖2 中國峰飛V1500 M（升力與巡航復(fù)合型）[13]

圖3 美國JOBY S4（傾轉(zhuǎn)旋翼型）[14]

圖4 德國Lilium jet（涵道矢量推力型）[15]

1.2.2 不同構(gòu)型的性能特點(diǎn)

eVTOL 基礎(chǔ)性能主要受氣動布局影響，當(dāng)轉(zhuǎn)為水平飛行時，提供垂直升力的旋翼成為主要阻力來源[17]。

多旋翼型沒有固定機(jī)翼提供升力，水平飛行阻力大，因此速度和航程偏小，應(yīng)用場景受限；優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、安全可靠、懸停能力強(qiáng)，適合在城市內(nèi)短途使用，目前適航認(rèn)證進(jìn)度最快。傾轉(zhuǎn)旋翼型和涵道矢量推力型的速度和航程優(yōu)勢明顯，應(yīng)用場景廣、發(fā)展?jié)摿Υ螅珒A轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操控難度大、事故風(fēng)險高，采用此類結(jié)構(gòu)的美軍V22 魚鷹傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)一直事故不斷，2022 年2 月JOBY 公司一架原型機(jī)發(fā)生墜毀事故[18]。升力-巡航復(fù)合型的性能位于多旋翼型和傾轉(zhuǎn)旋翼型之間，技術(shù)較為成熟可靠，中短期發(fā)展前景較好，但垂直旋翼的死重和阻力無法避免[19]，遠(yuǎn)期發(fā)展受限。不同構(gòu)型eVTOL 代表機(jī)型的典型性能參數(shù)見表1。

表1 不同構(gòu)型eVTOL 代表機(jī)型的典型性能參數(shù)

1.3 eVTOL 的優(yōu)勢

1.3.1 安全可靠

傳統(tǒng)航空器動力系統(tǒng)復(fù)雜，故障率較高。eVTOL的電動推進(jìn)裝置在結(jié)構(gòu)上更加簡單，綜合采用分布式電推進(jìn)布局、更加先進(jìn)的態(tài)勢感知傳感器、自動避障算法、飛行控制、智能化自動輔助駕駛系統(tǒng)等技術(shù)與手段，進(jìn)一步提高了冗余度，使eVTOL 安全性得到了有效增強(qiáng)。

1.3.2 經(jīng)濟(jì)性好

eVTOL 的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢源自3 個方面：一是電力推進(jìn)系統(tǒng)的效率是內(nèi)燃機(jī)的2～4 倍；二是電能成本只有航空燃料的30%；三是動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更簡單，后期的保養(yǎng)維護(hù)成本更低。相關(guān)研究表明，與活塞發(fā)動機(jī)直升機(jī)相比，4 座傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL 飛行器運(yùn)營成本可降低26%[20]。

1.3.3 舒適性佳

eVTOL 電動機(jī)避免了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)以及復(fù)雜機(jī)械傳動系統(tǒng)工作時產(chǎn)生的噪聲和振動。另外在氣動噪聲方面，布局合理的分布式推進(jìn)系統(tǒng)和小尺寸的旋翼產(chǎn)生的噪聲也遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)螺旋槳[21]。因此eVTOL的飛行穩(wěn)定性、靜音效果和乘坐舒適性得到了很大提升。

1.3.4 環(huán)保性好

eVTOL 電動機(jī)能量轉(zhuǎn)化效率高于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，直接碳排放幾乎為零，同時電能有很多綠色的獲取途徑，相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)環(huán)保優(yōu)勢顯著。eVTOL 在城市上空飛行時產(chǎn)生的噪聲污染遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)飛行器。這些顯著的綠色環(huán)保特征使得eVTOL 尤為適于在城市及周邊地區(qū)飛行。

1.3.5 智能化程度高

隨著高精度導(dǎo)航、低延遲通信、智能化無人自動駕駛等技術(shù)的快速發(fā)展，eVTOL 在數(shù)字化、信息化、智能化方面具有傳統(tǒng)飛行器無法比擬的優(yōu)勢。各大企業(yè)已經(jīng)在廣泛試驗(yàn)遠(yuǎn)程控制和自動駕駛技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)智能化集群自主飛行。集群無人eVTOL 將具有動態(tài)自愈合網(wǎng)絡(luò)、分布式集群智慧、分布式探測、自愈性和高效信息共享能力等諸多優(yōu)勢[22]。

2 eVTOL 航空醫(yī)療救援應(yīng)用的可行性

航空醫(yī)療救援包括常態(tài)化的航空醫(yī)療救護(hù)和應(yīng)急航空醫(yī)療救援。

常態(tài)化的航空醫(yī)療救護(hù)按救援任務(wù)發(fā)生階段的不同可分為院前急救和院間轉(zhuǎn)運(yùn)。2019 年3 月和2022 年2 月，中國民用航空局和國家衛(wèi)生健康委員會先后聯(lián)合印發(fā)《航空醫(yī)療救護(hù)聯(lián)合試點(diǎn)工作實(shí)施方案》和《關(guān)于深化航空醫(yī)療救護(hù)聯(lián)合試點(diǎn)工作的通知》，明確截至2024 年底建立具有中國特色的航空醫(yī)療救護(hù)體系[23-24]。2020 年9 月，國家衛(wèi)生健康委員會等9 部委出臺的《關(guān)于進(jìn)一步完善院前醫(yī)療急救服務(wù)的指導(dǎo)意見》中也提出，有條件的地區(qū)要積極開展航空醫(yī)療救護(hù)[25]。

應(yīng)急航空醫(yī)療救援是航空應(yīng)急救援的重要職能，是國家應(yīng)急救援體系的重要組成部分?！秶彝话l(fā)公共事件醫(yī)療衛(wèi)生救援應(yīng)急預(yù)案》要求：“迅速組織協(xié)調(diào)應(yīng)急醫(yī)療隊(duì)伍趕赴現(xiàn)場，必要時建立戰(zhàn)地醫(yī)院或醫(yī)療點(diǎn)，實(shí)施現(xiàn)場救治。加強(qiáng)救護(hù)車、醫(yī)療器械、藥品和血漿的組織調(diào)度。根據(jù)需要分流重傷員，實(shí)施異地救治[26]。”《國家地震應(yīng)急預(yù)案》也指出：“及時赴現(xiàn)場開展醫(yī)療救治、疾病預(yù)防控制等衛(wèi)生應(yīng)急工作。及時為受災(zāi)地區(qū)提供藥品、器械等衛(wèi)生和醫(yī)療設(shè)備[27]?！焙娇蔗t(yī)療救援在突發(fā)事件應(yīng)急處置中既能向受災(zāi)區(qū)域運(yùn)送醫(yī)護(hù)人員、儀器設(shè)備和藥品耗材等，也可以快速向安全區(qū)域醫(yī)療后送傷病員。

根據(jù)《航空醫(yī)療救護(hù)聯(lián)合試點(diǎn)工作實(shí)施方案》，醫(yī)療急救所使用的航空器、加改裝醫(yī)療設(shè)備應(yīng)具備標(biāo)準(zhǔn)適航證，航空器加改裝后應(yīng)通過適航審定方可使用，所有機(jī)載醫(yī)療設(shè)備裝置都應(yīng)符合相關(guān)適航標(biāo)準(zhǔn)，并接受安全評審[23]。eVTOL 加裝生命體征監(jiān)護(hù)、呼吸、輸液等生命支持系統(tǒng)功能模塊[28]也必須符合相關(guān)法規(guī)的要求。下文將從4 個維度分析其改裝后應(yīng)用于航空醫(yī)學(xué)救援領(lǐng)域的可行性。

2.1 從時間維度分析

根據(jù)時效救治原則，患者獲得有效救治時間應(yīng)當(dāng)越短越好[29]。根據(jù)2022 年度《中國城市交通報告》，我國城市最快通勤速度在30 km/h 左右[30]，eVTOL 速度可以實(shí)現(xiàn)該時速，同時通過對未來空中交通管理的航跡進(jìn)行優(yōu)化[31]，可進(jìn)一步提高時效性。

由于救援現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，不確定因素較多，航空器應(yīng)當(dāng)有足夠的留空時間。目前eVTOL 飛行時間普遍可達(dá)到60 min 以上，部分機(jī)型可達(dá)180 min，可以滿足留空時長需求。在執(zhí)行應(yīng)急救援任務(wù)時，大批量傷病員需要救治，因此需要考慮連續(xù)出動的問題。整個飛行周期的總時間（從接到調(diào)度中心的飛行任務(wù)指示起，到做好隨時可執(zhí)行下次起飛任務(wù)準(zhǔn)備止，包括響應(yīng)時間、總飛行時間、接駁傷病員時間、整備至能夠隨時再次出動的時間）應(yīng)當(dāng)越短越好，eVTOL 的信息化優(yōu)勢能夠提高響應(yīng)敏捷性，大大壓縮全流程的總時間。

2.2 從空間維度分析

航空醫(yī)療救援的不同應(yīng)用場景對航空器航程和飛行高度要求有所不同，原則上最小服務(wù)半徑應(yīng)不低于同等環(huán)境內(nèi)地面載具30 min 的行程，最大飛行高度不低于城市最高建筑的高度，因此航程應(yīng)當(dāng)不低于50 km，飛行高度不低于200 m。目前在研的eVTOL 主流航程為50～250 km，巡航飛行高度為200～600 m，能夠滿足要求。

2.3 從運(yùn)送能力維度分析

航空器在搭載醫(yī)療器材的同時，至少應(yīng)滿足搭載1 名坐姿醫(yī)護(hù)人員和1 名臥姿患者，載重能力在200 kg 以上為宜，目前eVTOL 載重普遍為200～500 kg，未來還有進(jìn)一步提高的空間。

為應(yīng)對批量傷病員的連續(xù)轉(zhuǎn)運(yùn)，航行器不僅應(yīng)當(dāng)具備完成單機(jī)單次飛行任務(wù)的能力，還應(yīng)當(dāng)具備單機(jī)連續(xù)出動、多機(jī)編隊(duì)單次出動、多機(jī)編隊(duì)多波次隨機(jī)出動的能力。由于eVTOL 的智能化、自動化程度更高，未來將綜合運(yùn)用先進(jìn)通信和導(dǎo)航系統(tǒng)、先進(jìn)航空交通管制系統(tǒng)[32]，利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行航線規(guī)劃[33]，多機(jī)編隊(duì)能力和連續(xù)出動能力較傳統(tǒng)航行器具有明顯優(yōu)勢。

2.4 從安全性維度分析

在城市地區(qū)飛行的航空器，應(yīng)當(dāng)具有足夠高的安全性，原則上安全系數(shù)指標(biāo)應(yīng)當(dāng)高于傳統(tǒng)直升機(jī)和固定翼飛機(jī)，即使發(fā)生故障，也需有足夠的冗余度以提高機(jī)上生存概率，同時盡量避免故障造成附帶損傷。eVTOL 正常運(yùn)行時發(fā)生安全事故的概率為9.648×10-7，此數(shù)值低于傳統(tǒng)航空運(yùn)輸風(fēng)險閾值[34]。同時，借助先進(jìn)傳感器和自動避障程序，將有效降低因操作失誤造成的飛行器損壞和傷及人身與建筑物的事故發(fā)生率[35]，部分eVTOL 還配備了整機(jī)降落傘，大幅提升了飛行安全性[36]。

3 eVTOL 航空醫(yī)療救援應(yīng)用展望

直升機(jī)噪聲大、安全系數(shù)低，不適合在人口密集的城市上空運(yùn)行；固定翼飛機(jī)需依托機(jī)場和航空指揮系統(tǒng)的支持，且只有在長距離空中轉(zhuǎn)運(yùn)時才能發(fā)揮優(yōu)勢[37]。在城市及周邊半徑30～200 km 的范圍內(nèi)，eVTOL 執(zhí)行1 000 m 以下低空領(lǐng)域的點(diǎn)對點(diǎn)中短程醫(yī)療救援任務(wù)具有廣闊前景。

3.1 補(bǔ)充完善院前醫(yī)療急救網(wǎng)絡(luò)

院前醫(yī)療急救網(wǎng)絡(luò)通過急救車輛連接急救中心（站點(diǎn)）與急救網(wǎng)絡(luò)醫(yī)院，形成城市10～15 min 和農(nóng)村30 min 急救圈，少數(shù)地區(qū)在試點(diǎn)使用救護(hù)直升機(jī)[24]，努力實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)1 h 航空醫(yī)療救援的目標(biāo)。隨著當(dāng)前城市交通擁堵情況的加重，救護(hù)車輛難以及時抵達(dá)現(xiàn)場，而城郊和農(nóng)村地區(qū)的院前急救力量更加薄弱，不僅急救站點(diǎn)密度較低，而且就近急救網(wǎng)絡(luò)醫(yī)院救治能力較弱，難以對患者進(jìn)行有效救治。

eVTOL 可以對現(xiàn)有院前醫(yī)療急救體系進(jìn)行有效補(bǔ)充，多旋翼型eVTOL 的高安全穩(wěn)定性、高垂直懸停能力適合在城市內(nèi)使用，其飛行速度比城市內(nèi)地面交通快，飛行距離可以滿足半徑15～30 km 內(nèi)的需求，通常急救站的平均覆蓋范圍是5 km，因此只需要在部分起降條件較好的站點(diǎn)部署eVTOL 即可覆蓋整個城市區(qū)域。在城市郊區(qū)的站點(diǎn)部署飛行半徑50～200 km、飛行速度250 km/h 的升力-巡航復(fù)合型或傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL，即足夠覆蓋城市郊區(qū)和附近農(nóng)村地區(qū)，可確保在30～60 min 之內(nèi)將患者轉(zhuǎn)送至救治能力較強(qiáng)的急救網(wǎng)絡(luò)醫(yī)院。

3.2 實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)快捷的院際轉(zhuǎn)運(yùn)

為了獲得更適宜的醫(yī)療救治，危重癥患者可能需要在就醫(yī)機(jī)構(gòu)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，擁有完善醫(yī)療設(shè)備的轉(zhuǎn)運(yùn)平臺是安全運(yùn)送患者的基礎(chǔ)[38]。目前的轉(zhuǎn)運(yùn)模式是短途使用救護(hù)車，中途使用衛(wèi)生直升機(jī)，長途多使用經(jīng)過醫(yī)療改裝的大型固定翼飛機(jī)。

eVTOL 比急救車速度快、舒適性好，比直升機(jī)安靜穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性好，因此可以使用多旋翼型eVTOL進(jìn)行50 km 以內(nèi)的短途轉(zhuǎn)運(yùn)，使用復(fù)合翼型eVTOL 進(jìn)行50～100 km 的轉(zhuǎn)運(yùn)，使用載荷較大、航程較遠(yuǎn)、改裝潛力大的傾轉(zhuǎn)旋翼型eVTOL 進(jìn)行200 km 以上的轉(zhuǎn)運(yùn)。同時也可使用小型自動無人駕駛eVTOL 在醫(yī)療機(jī)構(gòu)之間快速運(yùn)送血液、急需短缺藥品、器官等，可大幅提高效率和經(jīng)濟(jì)性。

3.3 勝任靈活高效的應(yīng)急醫(yī)療救援

在突發(fā)自然災(zāi)害、事故災(zāi)難、公共衛(wèi)生事件和社會安全事件時[39]，應(yīng)急航空醫(yī)療救援能夠有效拯救生命。突發(fā)事件通常會造成道路交通受阻，最后一公里的末端救援往往是最大的挑戰(zhàn)之一?，F(xiàn)場與外圍醫(yī)療救援節(jié)點(diǎn)之間的交通運(yùn)輸高度依賴垂直起降航空器。直升機(jī)運(yùn)輸任務(wù)非常繁重，以我國目前直升機(jī)和飛行員儲備難以滿足大規(guī)模危機(jī)中巨大的運(yùn)輸需求，而且現(xiàn)場空域必然非常擁擠，傳統(tǒng)空管模式難以有效應(yīng)對。

eVTOL 更加靈活高效，可以承擔(dān)前送醫(yī)療人員、器械藥材[40]以及后送傷員等任務(wù)，每架次可以運(yùn)送2～3 名傷員，采用自動或半自動模式飛行，既可在救援零散傷員時單機(jī)出動，也可在發(fā)現(xiàn)大批量傷員時以分布式集群的方式出動，實(shí)現(xiàn)超過單個航空器疊加的功能和效率[41]，具有更好的任務(wù)彈性，也可節(jié)省寶貴的直升機(jī)和飛行員資源。

4 結(jié)語

eVTOL 作為一種新概念航空器，擁有巨大的潛力和廣闊光明的應(yīng)用前景。得益于新能源汽車、無人機(jī)等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和市場規(guī)模優(yōu)勢，我國eVTOL研發(fā)與世界先進(jìn)水平同步，并且具有顯著的供應(yīng)鏈優(yōu)勢，研發(fā)人員應(yīng)當(dāng)盡快開展針對實(shí)際場景的應(yīng)用研究和實(shí)踐探索。航空醫(yī)療救援是重要的“空中生命線”，有著極為迫切的發(fā)展需求。隨著電池、電控、電動機(jī)、飛控等關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)一步提升，配套技術(shù)及政策法規(guī)的逐步完善，eVTOL 一定能憑借優(yōu)異性能和獨(dú)特優(yōu)勢，在航空醫(yī)療救援中發(fā)揮出巨大的作用。