混合動力eVTOL：當(dāng)下突破航程限制的必由之路

eVTOL被普遍視為未來城市空中交通的重要工具。為了突破其航程限制，混合動力垂直起降飛行器憑借其廣闊應(yīng)用前景，正成為推動運(yùn)輸系統(tǒng)革新的重要方案。

隨著城市空中交通（UAM）成為全球交通系統(tǒng)創(chuàng)新的前沿，電動垂直起降飛行器（eVTOL）因其零排放、垂直起降、低噪聲的特性，被普遍視為短途航空的理想選擇。早期的eVTOL主要依賴鋰電池供能，強(qiáng)調(diào)環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性，例如，行業(yè)領(lǐng)先的喬比S4（JobyS4）機(jī)型宣稱可實(shí)現(xiàn)241km的航程，弓箭手“午夜”（ArcherMidnight）機(jī)型設(shè)計航程為 150km 。然而，隨著市場需求的多樣化和技術(shù)的深入發(fā)展，即便是處于行業(yè)前沿的純電動方案，最大航程及載重能力仍然受到根本性的限制。電池能量密度成為了制約eVTOL性能水平和應(yīng)用場景的核心因素，同時對eVTOL的適航認(rèn)證造成了一定影響。大規(guī)模部署eVTOL所需的充電基礎(chǔ)設(shè)施在很多國家也是一個難以逾越的障礙。尤其是對于需要更高性能的軍用和長距離商業(yè)應(yīng)用場景，純電eVTOL的短板更加明顯，因此行業(yè)內(nèi)已有一部分玩家開始轉(zhuǎn)向混合動力技術(shù)方案。

eVTOL與直升機(jī)動力系統(tǒng)的區(qū)別

在動力系統(tǒng)架構(gòu)方面，現(xiàn)代eVTOL與傳統(tǒng)直升機(jī)存在顯著差異。傳統(tǒng)直升機(jī)一般只有1個旋翼提供升力，而eVTOL普遍使用6個以上的分布式旋翼。這種設(shè)計差異源于幾個關(guān)鍵考慮：首先是安全冗余要求，根據(jù)FAA的適航標(biāo)準(zhǔn)草案和EASA的SC-VTOL特殊條件，eVTOL必須能夠在任意推進(jìn)單元失效的情況下維持安全飛行和著陸的能力。分布式電推進(jìn)系統(tǒng)可以增加推進(jìn)單元的數(shù)量，在單點(diǎn)失效的情況下仍能保持足夠的升力和控制能力。例如，喬比S4配裝了6個傾轉(zhuǎn)電機(jī)，即使在最關(guān)鍵的懸停階段損失1個電機(jī)，仍能保持平穩(wěn)飛行。其次是動力裕度要求，垂直起降階段所需的功率是巡航階段的 2.5～3 倍，分布式系統(tǒng)能夠更好地管理這種動態(tài)功率需求。相比之下，傳統(tǒng)直升機(jī)通過機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)將發(fā)動機(jī)的動力分配到一個主旋翼上，系統(tǒng)復(fù)雜度較高且存在單點(diǎn)失效風(fēng)險。

喬比S4垂直起降飛行器。

噪聲特性的同時，將eVTOL航程提升至724km，極大拓展了應(yīng)用場景。該系統(tǒng)還可以將渦輪發(fā)電機(jī)的持續(xù)功率輸出與電池組的峰值功率相匹配，優(yōu)化整機(jī)的功率管理。

相比之下，并聯(lián)式混合動力推進(jìn)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡單，燃油發(fā)動機(jī)和電動機(jī)分別驅(qū)動不同的螺旋槳或連接到同一主軸上，共同為飛行器提供動力，因此并聯(lián)混動系統(tǒng)相比串聯(lián)混動系統(tǒng)更加緊湊。燃油發(fā)動機(jī)連接變速箱，變速箱驅(qū)動螺旋槳。電池通過電控系統(tǒng)為電動機(jī)提供電力，電動機(jī)再通過離合器連接到變速箱。因此電動機(jī)可以獨(dú)立或與發(fā)動機(jī)共同驅(qū)動螺旋槳。然而，并聯(lián)式混動的缺點(diǎn)也同樣明顯，燃油發(fā)動機(jī)并不能一直工作在最佳區(qū)間內(nèi)。

eVTOL的電池技術(shù)

電池的能量密度是決定航空器性能水平的關(guān)鍵因素。當(dāng)前最先進(jìn)的航空鋰電池系統(tǒng)級能量密度約為200＼～250Wh/kg。以喬比S4為例，其定制的高性能鋰電池組能量密度約為235Wh/kg。即使是近些年突飛猛進(jìn)的固態(tài)電池、鋰金屬電池等新技術(shù)，其極限性能短期內(nèi)也難以突破500Wh/kg。相較之下，航空燃油的能量密度高達(dá)12000Wh/kg。這種數(shù)量級的差距不僅影響了最大航程，更直接決定了飛行器的整體性能。以1架四座eVTOL為例，要實(shí)現(xiàn)600km的實(shí)際航程（包含F(xiàn)AAFARPart91要求的30min備用電量和夜間飛行的額外冗余），即使電池的能量密度可以達(dá)到400Wh/kg，僅電池系統(tǒng)重量就將超過1500kg 。按照標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)重量比，機(jī)體結(jié)構(gòu)占最大起飛重量的 35% ，動力系統(tǒng)約占 20% ，4名乘客商載約450kg，eVTOL的總起飛重量接近 3500kg 。這一重量水平已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)前電動推進(jìn)系統(tǒng)的可用設(shè)計范圍。

電機(jī)，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力再驅(qū)動電動機(jī)和螺旋槳產(chǎn)生動力，系統(tǒng)較為復(fù)雜。串聯(lián)式混動結(jié)構(gòu)通過解耦燃油發(fā)動機(jī)與螺旋槳，保證發(fā)動機(jī)能夠始終在最佳條件下工作，從而提高了動力系統(tǒng)的耐用性。此外，電動機(jī)作為螺旋槳的唯一直接動力，決定了最大輸出功率。串聯(lián)式混動的缺點(diǎn)在于功率轉(zhuǎn)換效率較低。美國貝塔（Beta）公司的ALIA垂直起降飛行器混動版本就采用了創(chuàng)新的串聯(lián)混合架構(gòu)，4個固定電機(jī)提供升力，其中1個連接到渦輪發(fā)電機(jī)的電動機(jī)提供水平推力。這種設(shè)計在保留電動力系統(tǒng)低

串并聯(lián)混合電推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)系統(tǒng)的特點(diǎn)，發(fā)動機(jī)既可以驅(qū)動螺旋槳產(chǎn)生動力，也可以驅(qū)動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能將送到電池中存儲。這一套系統(tǒng)可以在飛行器運(yùn)行過程中靈活調(diào)配能量和動力。

軍事領(lǐng)域轉(zhuǎn)向混合動力

在混動eVTOL的發(fā)展進(jìn)程中，軍事應(yīng)用一直是重要的推動力。以美國安杜里爾工業(yè)公司為例，該公司基于實(shí)戰(zhàn)

混合動力系統(tǒng)的技術(shù)方案

在電池技術(shù)的約束下，部分具有前瞻性的制造商開始轉(zhuǎn)向混合動力解決方案?；旌想娡七M(jìn)系統(tǒng)主要有3種方式：串聯(lián)式、并聯(lián)式、串并聯(lián)混合式。

串聯(lián)混動系統(tǒng)由燃油發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)需求正在開發(fā)采用混合動力系統(tǒng)的大型無人eVTOL飛行器。軍事任務(wù)對飛行器提出了更為嚴(yán)苛的性能要求，不僅需要更長的航程和更大的載重能力，還必須具備在各種極端作戰(zhàn)環(huán)境下的實(shí)用性與可靠性。在軍事任務(wù)中，飛行器的能量補(bǔ)給必須非常迅速，且不能依賴復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施。純電動系統(tǒng)在這方面存在明顯短板，脆弱的充電設(shè)施在戰(zhàn)場上是致命缺陷，而有限的航程則會影響作戰(zhàn)靈活性。相比之下，混合動力系統(tǒng)可以利用現(xiàn)有的航空燃料后勤體系，同時兼顧電動飛機(jī)的低噪聲和高性能。安杜里爾公司認(rèn)為混合動力系統(tǒng)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，其飛行器能夠根據(jù)任務(wù)需求靈活切換動力模式，在強(qiáng)調(diào)隱蔽性的偵察任務(wù)中使用純電動模式，在需要長航程的后勤支援任務(wù)中使用混合動力模式。這種雙重模式的自由切換使得同一平臺能夠執(zhí)行多樣化的任務(wù)。美國空軍的“敏捷至上”項(xiàng)目近期也逐漸轉(zhuǎn)向混合動力eVTOL研發(fā)。該項(xiàng)目正在與多家eVTOL公司合作，探索混動技術(shù)的可能性。美國貝塔（Beta）和弓箭手等公司已經(jīng)開始針對軍事任務(wù)研發(fā)混合動力eVTOL。貝塔的渦輪電混動版eVTOL預(yù)計可以達(dá)到800km的航程，并具備至少900kg的有效載荷。

混動eVTOL相比純電動的 優(yōu)勢

從整機(jī)管理層面來看，混動eVTOL相較于純電動eVTOL更易于維護(hù)和操作。雖然混合動力系統(tǒng)增加了渦輪發(fā)電機(jī)等額外部件，這種架構(gòu)同時也降低了對大容量電池的依賴，簡化了飛機(jī)上最復(fù)雜同時也最不可靠的子系統(tǒng)。純電動eVTOL需要管理數(shù)百個電池單元，每個電池單元都是潛在的故障源，而且電池性能隨使用時間和環(huán)境條件的變化給整機(jī)管理帶來了巨大挑戰(zhàn)。相比之下，混合動力系統(tǒng)中的小容量電池組管理更為簡單，而增加的機(jī)械部件則是航空業(yè)已經(jīng)高度成熟的技術(shù)，具備完善的維護(hù)體系和充足的技術(shù)儲備。貝塔的ALIA混合動力飛行器采用了模塊化設(shè)計理念，將渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)計為一個完整的可更換單元，使得維護(hù)人員不需要深入系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行復(fù)雜的故障排查，能夠在較短時間內(nèi)完成渦輪發(fā)電機(jī)的更換。

航空渦輪發(fā)動機(jī)通過數(shù)十年的發(fā)展和應(yīng)用，已經(jīng)形成了成熟的可靠性標(biāo)準(zhǔn)和維護(hù)體系。相比之下，大容量航空用鋰電池系統(tǒng)的長期可靠性數(shù)據(jù)還在積累中，需要更多實(shí)際運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)才能建立完整的可靠性評估體系。

在動力系統(tǒng)管理方面，混合動力架構(gòu)實(shí)際上簡化了某些控制難題。純電動架構(gòu)需要復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)來處理數(shù)百個電池單元的均衡充放電、溫度控制和故障隔離。相比之下，混合系統(tǒng)中的電池容量較小，管理難度顯著降低。同時，渦輪發(fā)電機(jī)功率輸出穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)也簡化了能量分配策略。

簡單的熱管理系統(tǒng)是混動架構(gòu)的另一個優(yōu)勢。純電動架構(gòu)在快速充放電過程中會產(chǎn)生大量熱量，需要復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)?；旌蟿恿軜?gòu)中渦輪發(fā)電機(jī)的熱量可以直接通過傳統(tǒng)航空發(fā)動機(jī)散熱系統(tǒng)進(jìn)行處理，而小容量電池組的散熱需求也大幅降低。這不僅降低了系統(tǒng)復(fù)雜性，也提高了飛行器的整體可靠性。

在適航認(rèn)證方面，混合動力eVTOL具有獨(dú)特的優(yōu)勢。盡管FAAFAR-23部適航標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)給出了通用飛機(jī)電推進(jìn)系統(tǒng)的基本適航框架，仍有大量的條款需要補(bǔ)充和時間的檢驗(yàn)，而渦輪發(fā)動機(jī)則擁有完善的FAR-33部認(rèn)證體系?；旌蟿恿ο到y(tǒng)可以充分利用這些成熟的適航標(biāo)準(zhǔn)，簡化認(rèn)證過程。有研究者認(rèn)為，軍用混動eVTOL的發(fā)展為民用適航認(rèn)證提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，特別是在系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證、失效模式分析等方面，軍用eVTOL積累的大量實(shí)測數(shù)據(jù)可以幫助局方制定更科學(xué)的適航標(biāo)準(zhǔn)。例如美國國防部的MIL-HDBK-516C適航標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于混動系統(tǒng)的部分要求就被民用標(biāo)準(zhǔn)所借鑒。此外，混動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件都有相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可循，例如渦輪發(fā)電機(jī)可參照美國聯(lián)邦航空管理局的TSO-C77b渦輪輔助動力裝置（APU）標(biāo)準(zhǔn)，電機(jī)控制器適用于TSO一C142b電子件標(biāo)準(zhǔn)，電池系統(tǒng)則需要滿足DO-311A鋰電池標(biāo)準(zhǔn)。相比之下，純電動系統(tǒng)在某些關(guān)鍵領(lǐng)域仍缺乏成熟的認(rèn)證基礎(chǔ)。例如，大容量航空鋰電池的安全性驗(yàn)證、極端溫度下的性能保證、電池管理系統(tǒng)的可靠性評估等方面都需要建立新的標(biāo)準(zhǔn)。

混合動力系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢還體現(xiàn)在運(yùn)營效率方面。在能量補(bǔ)充效率上，混動系統(tǒng)可在3＼～5min內(nèi)完成燃油補(bǔ)給，而最優(yōu)秀的快充型鋰電池也需要20＼～30min才能實(shí)現(xiàn) 80% 的充電量。在高頻次任務(wù)場景下，這種差異會直接影響到任務(wù)效率和經(jīng)濟(jì)性。同時，混動系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)燃油攜帶量來靈活平衡航程和載荷需求，在短距離任務(wù)中減少燃油攜帶量以提高載重能力，而在長距離任務(wù)中增加燃油攜帶量以延長航程。這種靈活性是純電動系統(tǒng)無法具備的。在環(huán)境適應(yīng)性方面，混動系統(tǒng)在零下20^°C～40^°C 的溫度范圍內(nèi)都能保持穩(wěn)定的性能表現(xiàn)，而鋰電池在低溫下性能衰減顯著，在 0^°C 以下的航程損失可能超過 30% 。

純電動eVTOL對充電設(shè)施的需求也非常高。保守估計每架eVTOL的充電功率不低于200kW，即使采用錯峰充電策略，多架eVTOL同時運(yùn)行對機(jī)場的電網(wǎng)系統(tǒng)也提出了不小的挑戰(zhàn)。相比之下，混動系統(tǒng)可以充分利用現(xiàn)有的航空燃油供給體系，無需建設(shè)額外的電力基礎(chǔ)設(shè)施。這種基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)勢在偏遠(yuǎn)地區(qū)和應(yīng)急使用場景中尤為明顯，混動eVTOL可以不受限地快速部署到任何機(jī)場和地區(qū)。

總結(jié)

混合動力方案相比于純電動系統(tǒng)的核心優(yōu)勢是燃料本身。航空燃油的能量密度是電池的40倍以上，這一差距是純電動系統(tǒng)難以逾越的物理屏障?；靹酉到y(tǒng)結(jié)合了渦輪發(fā)電機(jī)的持續(xù)輸出與電池的峰值功率特性，在保持電動系統(tǒng)性能優(yōu)勢的同時，突破了電池在航程和充電效率上的瓶頸，還可以充分利用現(xiàn)有航空基礎(chǔ)設(shè)施，為新一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)開辟了切實(shí)可行的發(fā)展路徑。

對于600～800km航程的支線航空市場，混動eVTOL有望填補(bǔ)傳統(tǒng)支線航空和高鐵網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)空白。在醫(yī)療轉(zhuǎn)運(yùn)、海上運(yùn)輸?shù)葘I(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，其可靠性和航程優(yōu)勢也將發(fā)揮重要作用。對于航空物流應(yīng)用場景，混合動力飛行器將提供更靈活的運(yùn)力支持，滿足快速發(fā)展的電商配送需求?；靹臃桨竿ㄟ^簡化最具挑戰(zhàn)性的電池管理環(huán)節(jié)，降低了飛行器整體的運(yùn)營維護(hù)難度。因此，在可預(yù)見的技術(shù)發(fā)展周期內(nèi)，混合動力技術(shù)都將是長航程垂直起降飛行器的重要發(fā)展路徑之一。