300塊“打飛的”，跨城不用半小時—eVTOL出行如何又快又便宜？

導語

長期以來，跨過從深圳與珠海間的伶仃洋，需要靠2、3小時輪渡或者開車繞上一大圈。但在“低空經(jīng)濟”熱度加持下，不久將來通過eVTOL，兩地通勤只需一趟外賣的時間、僅需不到300塊就能抵達對方市中心。

圖注：跨海跨城飛行的evtol 圖源：深圳特區(qū)報

一、eVTOL：低空經(jīng)濟新勢力

“低空經(jīng)濟”，是相對“高空經(jīng)濟”而來的概念。它通常指通過飛行于1000m下空域的飛行器進行載貨或載人飛行、空中作業(yè)等活動。該概念的出現(xiàn)意味著一個雖小于汽車工業(yè)但遠比傳統(tǒng)航空工業(yè)廣闊的市場被發(fā)掘，也讓國內(nèi)廣大民營企業(yè)，得以從長期被西方大廠把持的民航工業(yè)體系撬開一個缺口。而eVTOL，則是這片藍海中一塊重要版圖。

1.什么是eVTOL

eVTOL，是電動（e）和垂直起降（VTOL）的英文縮寫：前者表示動力來源——以電池代替了油箱、以電機代替了燃機；后者表示飛行狀態(tài)。eVTOL很容易被認為是直升機“換皮”： “垂直起降”與“直升”是高度相似概念,且和直升機有著類似特征：由旋翼為航空器提供升力。

不同的是，以旋翼數(shù)量論大部分直升機通常是單旋翼，而eVTOL為多旋翼構(gòu)型。前者通過揮舞、擺振、扭轉(zhuǎn)旋翼維持升力平衡，既“變矩定速”，而后者則僅需調(diào)節(jié)不同旋翼的轉(zhuǎn)速以平衡扭力，即“定矩變速”。

與需變矩的直升機旋翼采用定矩旋翼的evtol旋翼結(jié)構(gòu)要簡潔許多

隨著城市人口不斷增加、地面道路交通日益擁堵，2016年共享出行巨頭Uber乘勢推出城市空中出租車計劃，引發(fā)全球eVTOL浪潮：根據(jù)美國垂直飛行協(xié)會統(tǒng)計，2022年全球共48個國家347家企業(yè)從事eVTOL的研發(fā)，我國有21家，位列全球第三。2021年，國內(nèi)僅6家企業(yè)獲得eVTOL融資，到2022年已超過10家——即有峰飛、御風未來、億航等eVTOL創(chuàng)業(yè)企業(yè)，亦有吉利、小鵬等乘用車廠商入局。目前這一勢頭依然強勁：2025年，國內(nèi)8家頭部企業(yè)已在全球獲得3000+訂單，融資累計超15億美元。

圖源：央廣網(wǎng)

2.eVTOL構(gòu)型有哪些

目前eVTOL按飛行原理大致分多旋翼、復合翼、傾轉(zhuǎn)旋翼型三類。傾轉(zhuǎn)旋翼型在航程、速度方面優(yōu)勢最大，機械設(shè)計也最復雜、可靠性等方面仍有待克服，且在電能系統(tǒng)的束縛下航程、速度優(yōu)勢難以充分發(fā)揮。因此已投產(chǎn)的eVTOL中以多旋翼、復合翼型為主流。

圖注：不同eVTOL比較

多旋翼型eVTOL原理類似傳統(tǒng)民用無人機，在設(shè)計構(gòu)型上最成熟簡單、穩(wěn)定性最高。如該構(gòu)型的eh-216s即我國也是全球最早“三證（型號合格證、生產(chǎn)許可證、適航證）齊全”的eVTOL。但該構(gòu)型因其旋翼阻力大、功率大部分用于維持升力，最大巡航速度通常僅有100+km/h，未與地面交通拉開質(zhì)的差距；飛行包絡(luò)不及直升機,使飛行氣象條件受限；商載續(xù)航里程更僅有數(shù)十公里，僅相當于一臺插混汽車純電里程，目前應(yīng)用場景主要局限于觀光游覽。

圖注：在東湖風景區(qū)試飛的eh-216s 圖源：長江日報

復合翼構(gòu)型eVTOL則融合了固定翼和旋翼飛行器：升力&巡航分別由兩套動力系統(tǒng)執(zhí)行，使電機&槳的調(diào)節(jié)頻率不必如普通多軸旋翼機那樣頻繁：在1h飛行任務(wù)中，升力旋翼工作時間不到1/3，更多功率專注于升力&巡航任務(wù)中；功率—載荷效率更加優(yōu)異，如國內(nèi)采用該構(gòu)型已載客試飛的“盛世龍”、“ 御風M1”其巡航速度可達200+km/h，航程達250+km,超過同等級多旋翼類eVTOL近一倍。復合翼構(gòu)型也成為包括我國在內(nèi)全球大部分行業(yè)龍頭公司的迭代新選擇。

我國eVTOL廠商已試飛機型，巴西航空、波音旗下公司復合翼eVTOL

二、“科幻”還是“復古”：eVTOL的前世今生

eVTOL這種多旋翼構(gòu)型的歷史甚至比（單旋翼）直升機更悠久——只是由于機械式操作系統(tǒng)無法有效控制飛行姿態(tài)、飛行可靠性難以保障而沉寂，當年條件下更易控制的單旋翼直升機大行其道。

早在1907年，人類即嘗試利用多旋翼以VTOL的方式飛離地面

但當“低空經(jīng)濟”的飛行場景從郊外搬到市區(qū)，因安全性與維護性較差、噪音等污染較大等問題使其在城市內(nèi)應(yīng)用面臨多方掣肘；燃料、維護與人員配置等綜合運營成本高企業(yè)也讓直升機低空通勤的成本居高不下，僅100km-200km的城際航線票價即超過千元，傳統(tǒng)直升機愈難托起“低空經(jīng)濟”的熱度。而電氣化技術(shù)的發(fā)展解決了多旋翼機過往的諸多難題，并以其低噪音、結(jié)構(gòu)與維護簡單等優(yōu)點讓這種“古老”設(shè)計在eVTOL上再度復興。

20世紀初部分復合翼—多旋翼機設(shè)計已具有部分現(xiàn)代eVTOL的構(gòu)型特征

與以往的直升機相比 eVTOL有著先天優(yōu)勢：省卻由發(fā)動機將化學能轉(zhuǎn)化為機械能、變速箱將動力分配給旋翼與尾槳這些二傳手，電池電能直接通過電纜輸送給無極變速的電機。加之旋翼定矩旋轉(zhuǎn)，力全作用于升力、不必像直升機旋翼不斷變矩以保持平衡，效率是內(nèi)燃機動力的2倍以上。

圖注：eVTOL與傳統(tǒng)直升機傳動結(jié)構(gòu)差異

換言之，eVTOL以遠低于直升機的軸上功率與轉(zhuǎn)速即可完成起降，降低了槳渦干擾帶來的氣動噪聲；電力推動更消除了燃機與變速箱帶來的機械噪音——在起降時的地面可感噪音由超過120db降低到65db，低空飛行時更低至45db（500m飛行高度以185km/h的速度飛越測量點上方）,僅相當于汽車在城市內(nèi)道路胎噪，能在更多城市場景內(nèi)穿梭。

圖注：eVTOL與直升機噪音差距明顯

除了運行更安靜，eVTOL的運營成本也顯著降低——能源綜合成本僅不到航空燃料的30%；又省卻了駕駛員培訓和執(zhí)照管理成本以及對飛行器載荷的占用：諸如“盛世龍”、“御風M1”這類2噸級eVTOL僅此一項即能比同類起飛重量與載荷直升機降低約26%的運營費用。整套“組合拳”有望將深圳至珠海等類城際交通控制在現(xiàn)有直升機空中航線價格的1/6。

圖注：eVTOL與不同出行方式對比 圖源：中金公司研究部

三、從藍圖到現(xiàn)實，國內(nèi)eVTOL技術(shù)面臨哪些攔路虎

新概念的eVTOL與電動汽車類似,其核心是電池、電機、電控三大件。因此也很容易被聯(lián)系為“電動汽車”上天。但投入運營在技術(shù)上不僅是將現(xiàn)有產(chǎn)品與技術(shù)放大或移植，想走入現(xiàn)實首先需克服“e”與“VTOL”的技術(shù)難題。

1.電從何處來？

從需求看，eVTOL采用的動力電池在高比能量、高倍率、高安全性等性能要求比電動汽車更高。目前電動乘用車的能量密度約在140-200wh/kg,足夠驅(qū)動車輛跑上數(shù)百公里，但這對航空器而言就遠遠不夠。除了讓eVTOL飛得遠，還要滿足起降等特殊場景下功率迅速上升的需求，得經(jīng)受住瞬間充放電的考驗：充放電倍率需在5C以上，是電動車的3倍。

新能源汽車動力電池與eVTOL電池技術(shù)指標對比 圖源：新華網(wǎng)

得益于我國電車領(lǐng)域迅猛發(fā)展，讓國內(nèi)外eVTOL都能找到成熟的電池供應(yīng)商,使之不至于成為 “電動爹”。如eVTOL開山企業(yè)JOBY采用的國內(nèi)正力新能供應(yīng)的811NMC（鎳、錳、鈷）電池其能量密度提升到270wh/kg，在20%的低電量狀態(tài)下仍能以12C以上水平大倍率放電，讓充電更迅捷——僅15min即可充電80%，一波乘客下機、換乘、登機的功夫即能投入到下一班運營；孚能科技為國內(nèi)部分eVTOL供應(yīng)的鋰金屬電池能量密度高達285wh/kg，較乘用車電池提高了近一倍水平；而國內(nèi)電池廠商的腳步不止于此，進一步研發(fā)了能量密度高達370-400wh/kg的半固態(tài)電池。這也成國產(chǎn)eVTOL能“旱地拔蔥”航程“破百”的關(guān)鍵因素之一。

圖注：新能源汽車動力電池與eVTOL電池技術(shù)指標對比 圖源：新華網(wǎng)

2.電往何處使？

無論哪種構(gòu)型的eVTOL，都采用分布式電推進設(shè)計——由多個分布于機身或機翼上的電機驅(qū)動旋翼。想要實現(xiàn)“VTOL”，主要在于力與力矩如何被準確分配。多旋翼eVTOL的飛控相對簡單，通過多個定距螺旋槳以相反方向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力并抵消單個旋翼產(chǎn)生的扭力實現(xiàn)懸停飛行，靠不同螺旋槳轉(zhuǎn)速差以獲得水平方向加速度。這也是部分初創(chuàng)eVTOL企業(yè)選擇該類構(gòu)型作為首發(fā)產(chǎn)品的因素之一。

圖注：evtol 螺旋槳尾流影響示意圖 圖源：邊界智控

復合翼構(gòu)型eVTOL就麻煩許多：由于飛行狀態(tài)在旋翼模式、過渡模式、固定翼模式三種飛行構(gòu)型切換，還需考慮多向力矩與滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航力矩，加之因不同旋翼與翼面的氣動耦合效應(yīng)，需以每秒數(shù)百次以上精密調(diào)整動力與氣動面以保證飛行穩(wěn)定。傳統(tǒng)飛控設(shè)計針對不斷轉(zhuǎn)換階段、不同速度段分別設(shè)計一套控制率，使整個開發(fā)工作巨大：三種模式六個力矩機制僅設(shè)計飛控的配平點就高達上百個。

圖注：飛控在復合翼evtol不同飛行階段的功能需求 圖源：邊界智控

高門檻使得全球完成復合翼轉(zhuǎn)換狀態(tài)飛行的eVTOL屈指可數(shù)，適用的飛控系統(tǒng)貨架產(chǎn)品更是稀缺。國產(chǎn)復合翼構(gòu)型eVTOL想“趕上風口”，簡單的拿來主義顯然行不通。

圖注：霍尼韋爾用于evtol的電傳飛控模塊

為此，國內(nèi)飛控廠商嘗試基于增量非線性動態(tài)逆(INDI)的統(tǒng)一控制策略來實現(xiàn)在同一套系統(tǒng)下實現(xiàn)不同飛行姿態(tài)的控制——不同于以往調(diào)度控制式飛控分別設(shè)置旋翼控制器與固定翼控制器各一套，事先離線配平計算控制率速度、傾角的變化進行輸出調(diào)節(jié)；INDI通過在線測量或估算加速度和角加速度信號實現(xiàn)控制率更新，從而簡化設(shè)計、優(yōu)化飛行品質(zhì)；并配合搭載的ADS-B、TCAS等空中防撞設(shè)備實現(xiàn)對城市低空復雜環(huán)境的感知、決策與控制。

適用與國內(nèi)evtol的國產(chǎn)飛控與機載組合導航系統(tǒng)。 圖源：邊界智控

結(jié)語

在此風口上，eVTOL的前景不僅是運客拉貨，更在于包括它在內(nèi)的低空經(jīng)濟將依托國內(nèi)成熟供應(yīng)鏈與龐大產(chǎn)能創(chuàng)造需對應(yīng)的消費需求——目前已有45個城市啟動低空經(jīng)濟政策規(guī)劃，涵蓋低空基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、飛行器制造、運營服務(wù)、飛行保障等諸多環(huán)節(jié)。站在新能源汽車、航空工業(yè)、人工智能三個板塊交匯點起飛的eVTOL，僅是通向未來的臺階。

參考文獻

1.環(huán)球網(wǎng)：空中出租車公司Joby Aviation首段飛行視頻曝光：噪音極低.

2.中國民航雜志（2024）.深圳珠海，一人300元直達；虹橋浦東，單程15分鐘……天空城市這誰頂?shù)米?

3.航空之家（2024）.發(fā)力eVTOL誰能捧得下一代動力電池技術(shù)“圣杯”.

4.新華網(wǎng)（2024）.正力新能“三高一快”eVTOL航空航天電池挑戰(zhàn)動力電池技術(shù)制高點正力新能“三高一快”eVTOL航空航天電池挑戰(zhàn)動力電池技術(shù)制高點.

5.邊界智控（2024）.不同構(gòu)型eVTOL飛控算法實現(xiàn)挑戰(zhàn).

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