一、eVTOL飞行器概述

 

电动垂直起降（Electric Vertical Take-Off and Landing；eVTOL）飞行器代表着航空技术领域的革命性突破。这种创新航空器将电力推进的高效性与垂直起降的灵活性相结合，使其能够在空间有限、传统跑道不切实际的城市环境中运行。它们不仅有望彻底改变城市交通方式，缓解交通拥堵，还能显著减少传统航空运输带来的环境影响。

 

二、eVTOL发展历程

 

垂直起降技术的雏形可追溯至20世纪中叶，如1960年代开发的"鹞式"喷气动力垂直起降战机。但真正意义上的现代eVTOL革命始于2010年代，电力推进技术突破、电池能量密度提升以及对可持续城市交通的迫切需求共同推动了这一进程。

 

eVTOL领域的重要里程碑包括Joby Aviation和Volocopter等先驱企业的成立，它们率先开发了电动垂直起降原型机。过去十年间，大量初创企业与传统航空巨头纷纷入局，加速了eVTOL技术的研发与商业化进程。

 

三、eVTOL飞机的工作原理

 

（一）电力推进

 

eVTOL技术的核心在于电力推进，这一系统依赖于由电池或其他电力源驱动的电动机，与传统的内燃机飞机形成鲜明对比。电动机拥有众多优势，如更低的噪音、更少的排放以及更高的效率。eVTOL的电动动力系统通常由电池组、电动机以及负责能量分配的电力电子设备组成。

 

（二）垂直起降

 

eVTOL飞机设计之初便旨在实现类似直升机的垂直起降功能，这一特性通过采用多种旋翼、涵道风扇或倾转旋翼的配置得以实现。飞机周围分布的多个旋翼是垂直升力的主要来源，这些旋翼能够灵活倾斜或调整，从而实现从垂直飞行到水平飞行的平稳过渡。在起飞和降落阶段，旋翼保持特定位置以提供必要的垂直推力；而在巡航飞行时，它们则倾斜一定角度，以同时产生前向推力和升力。

 

（三）自主和有人驾驶操作

 

众多eVTOL设计融合了尖端的航空电子设备与自主飞行系统，旨在显著提升飞行安全性与操作效率。自主飞行技术使得这些飞机能够在极低的人工干预下自主运行，从而大幅降低人为错误的风险。此外，部分eVTOL机型还具备远程驾驶或机上飞行员驾驶的功能，这不仅为操作提供了极大的灵活性，还有助于确保飞行符合现行航空法规的要求。

 

四、eVTOL的多种类型

 

eVTOL市场种类繁多，有各种设计和配置，以满足特定的使用场景和操作环境。这些设计可以大致分为以下几种类型：

 

多旋翼eVTOL

 

升力+巡航eVTOL

 

倾转旋翼和倾转翼eVTOL

 

矢量推力eVTOL

 

（一）多旋翼eVTOL

 

多旋翼eVTOL飞机与大型无人机相似，配备有多个旋翼（通常为四到八个），用以产生升力和推力。这类飞机以其结构简单、飞行稳定且易于操控而著称。它们特别适用于短距离的城市空中出行场景，例如作为空中出租车和配送无人机。Volocopter 2X和EHang 216便是其中的典型代表。

 

（二）升力+巡航eVTOL

 

升力+巡航型eVTOL采用不同的旋翼或螺旋桨实现垂直升力和水平巡航。这种设计使得飞机能够在不同飞行阶段实现性能优化。垂直升力由起飞和着陆时运行的旋翼提供；而在巡航飞行阶段，前向推力则由固定翼上的螺旋桨产生。典型的代表有Archer Midnight。

 

（三）倾转旋翼和倾转翼eVTOL

 

倾转旋翼和倾转翼eVTOL具备可在垂直与水平飞行模式间转换的旋翼或机翼，其独特设计使得飞行更为灵活。在倾转旋翼构型中，旋翼被安装在可旋转的吊舱上，这样既能在起飞和降落阶段提供必要的垂直升力，又能在巡航飞行时提供前向推力。而倾转翼设计则突出于机翼与旋翼同步倾斜的特性。这两种配置均赋予了飞机高速飞行和远距离航行的能力。Joby S4，Lilium Jet和Bell Nexus便是此类设计的典型代表。

 

（四）矢量推力eVTOL

 

矢量推力型eVTOL融合了固定翼与可矢量调节的旋翼或风扇，以提供垂直升力和前向推力。这一设计不仅提升了巡航飞行效率，还显著增强了飞机的机动性能。尽管矢量推力系统相对复杂，但在飞行性能和航程方面展现出明显优势。Archer Aviation Maker便是矢量推力型eVTOL的典型代表。

 

五、eVTOL的测试与认证

 

eVTOL飞机的测试与认证是一个严格的过程，旨在确保安全、可靠并符合监管标准。测试阶段通常包括几个关键步骤：

 

（一）开发与原型制作

 

在开发阶段，工程师会首先构建原型并进行初步测试，以验证eVTOL的设计合理性和性能表现。这一过程涉及广泛的计算机模拟、风洞测试以及小规模模型试验，旨在优化飞机的空气动力学特性、推进系统和结构完整性。

 

（二）地面测试

 

地面测试旨在在不进行飞行的情况下，全面评估飞机的各项系统和部件性能。这一环节包括电动推进系统、航空电子设备、控制系统以及电池的测试。通过地面测试以确保所有系统均能正常运行，并具备承受飞行过程中可能遭遇的各类应力和环境条件的能力。

 

（三）飞行测试

 

飞行测试分为多个阶段进行，从低空低速飞行开始，逐渐过渡到更复杂、要求更高的飞行条件。在此过程中，工程师对eVTOL的性能、稳定性、操控性以及安全特性进行评估。通过这些测试收集到的数据，将用于进一步优化设计并妥善解决潜在问题。

 

（四）电气系统测试

 

对eVTOL（电动垂直起降）飞机电气系统的测试包含了一系列严格的程序，旨在确保其安全、可靠及高性能。这些测试涉及电动马达、逆变器、电池等关键部件。以下是各部件常规测试方法的简要概述：

 

1.电动马达

 

（1）台架测试：

 

性能测试：在台架上测试马达，测量诸如扭矩、每分钟转速（RPM）、效率和功率输出等性能参数。

 

热测试：将马达置于热循环中，评估其在不同温度下的性能，并识别潜在的超温问题。

 

（2）耐久性测试：

 

耐久测试：马达在负载下长时间运行，以评估其长期耐久性，并识别磨损情况。

 

振动测试：马达进行振动测试，模拟操作条件，检查结构完整性。

 

（3）环境测试：

 

湿度和腐蚀测试：将马达暴露在潮湿和腐蚀性环境中，评估其对环境因素的抵抗力。

 

海拔测试：在不同海拔条件下测试马达，确保性能一致性。

 

2.逆变器

 

（1）功能测试：

 

功率转换效率：测试逆变器在将直流电（DC）转换为交流电（AC）及其反向转换时的效率。

 

开关性能：测试开关能力和响应时间，确保有效的功率调制。

 

（2）热管理测试：

 

散热测试：测试逆变器在不同负载条件下有效散热的能力。

 

热循环：将逆变器置于反复的加热和冷却循环中，测试热稳定性和可靠性。

 

（3）安全测试：

 

短路测试：模拟短路条件，测试逆变器的保护机制。

 

过载测试：使逆变器超出其额定容量运行，确保其能安全处理过载条件。

 

3.电池性能测试：

 

容量和能量密度：测量电池的容量和能量密度，确保其符合设计规格。

 

充放电循环：反复充放电，评估电池的生命周期和退化速率。

 

（五）认证测试

 

eVTOL飞行器必须经过严格的认证流程，以符合航空安全标准。美国联邦航空管理局（Federal Aviation Administration；FAA）和欧盟航空安全局（European Union Aviation Safety Agency；EASA）等监管机构已经建立了eVTOL飞机的认证框架。认证测试对车辆的设计、制造和操作程序进行全面审查。这一过程可能需要数年时间，并需要大量的文件和测试。

 

六、eVTOL市场的主要参与者

 

eVTOL市场正迅猛扩展，众多公司及初创企业正竞相开发下一代城市空中交通解决方案。主要参与企业包括：

 

（一）Joby Aviation

 

Joby Aviation位于美国，是eVTOL市场的领先公司之一。该公司以其S4飞机而著称，该飞机采用了升力+巡航的设计理念，配备了六个倾斜旋翼，其航程超过150英里。Joby已获得巨额资金支持，并携手丰田、优步等知名企业共同开发空中出租车服务。2024年2月，Joby成功签署了一项合同，计划于2026年在阿联酋正式推出空中出租车服务。

 

2023年9月20日，在加利福尼亚州爱德华兹空军基地完成地面测试后，一架Joby Aviation公司的实验性电动垂直起降飞机停放在滑行道上。空军摄影师哈兰·亨廷顿摄，公共领域，通过维基媒体共享。

 

（二）Volocopter

 

Volocopter是一家德国企业，专注于提供城市空中出行的解决方案。其旗舰产品Volocopter 2X，是一款专为城市区域内短途飞行设计的多旋翼eVTOL。该公司已多次进行公开演示，并正积极开发城市空中出行所需的基础设施。其合作伙伴和投资者阵容强大，包括梅赛德斯、日本航空、汉莎航空及辛克等知名企业和机构。

 

（三）亿航

 

中国公司亿航以其自动驾驶eVTOL飞行器而声名远扬，其中代表作包括亿航216。这款多旋翼eVTOL专为客运设计，已广泛应用于各类试点项目和公开演示。亿航致力于构建一个涵盖客运和货运的全面城市空中出行生态系统。

 

（四）Lilium

 

德国航空航天公司Lilium正致力于研发Lilium Jet，一款创新的倾转翼eVTOL。该飞机的机翼中巧妙集成了36台电动喷气发动机，创造了全球首架电动垂直起降喷气式飞机。Lilium Jet设计用于高速、长距离飞行，预计航程可达186英里。Lilium正与霍尼韦尔、东丽、CustomCells、NetJets和Aciturri等知名企业紧密合作。2024年7月，沙特航空集团宣布已确认订购50架Lilium vTOL喷气机，并保留再订购50架的选择权。这些飞机将服务于沙特阿拉伯王国。

 

（五）Archer Aviation

 

Archer Aviation，是一家位于美国的公司，正研发名为Maker的矢量推力eVTOL，该机型拥有60英里的航程。2021年2月，联合航空宣布订购200架Archer eVTOL飞机，并保留额外订购100架的权利。此次合作旨在共同打造城市空中出行网络，有效减少拥堵城市地区的旅行时间及排放量。联合航空计划在2025年之前，在芝加哥率先推出基于Archer的Midnight eVTOL空中出租车提供的空中拼车服务。届时，从芝加哥奥黑尔机场至Vertiport Chicago的短途飞行仅需约10分钟，相较于高峰时段驾车所需的一个小时，大幅提升了出行效率。

 

（六）Eve Air Mobility

 

Eve Air Mobility，这家总部设在美国的公司，是巴西著名航空航天企业Embraer的子公司。Embraer以其生产的商用、公务和军用飞机而享誉全球。Eve计划推出有人驾驶的vTOL，并致力于在未来实现自动驾驶。2022年，联合航空与该公司达成协议，订购了最多200架eVTOL，并保留了再订购200架的权利。

 

（七）Vertical Aerospace

 

Vertical Aerospace是一家总部位于英国的公司，

 

正致力于研发VA-X4，一款四座eVTOL飞机。该公司已与霍尼韦尔、达索、莱昂纳多、GKN等众多知名航空航天公司建立了紧密的合作伙伴关系。在2024年7月发布的一份新闻稿中，他们宣布成功获得了价值60亿美元的1,500架VX4预订单，客户包括维珍大西洋航空、美国航空、日本航空、GOL和Bristow等业界巨头。

 

七、eVTOL飞机的未来

 

eVTOL飞机的未来前景广阔，有望改变城市交通和物流格局。以下几个关键趋势和发展预计将塑造该行业的未来：

 

（一）城市空中出行网络（Urban air mobility；UAM）

 

建立城市空中出行网络（UAM网络）是充分发挥eVTOL飞机潜力的关键所在。随着电动汽车的普及，电动充电基础设施的需求日益增长。鉴于eVTOL电动飞机的独特性质，它们需要专门的基础设施，即专属的运营设施。Vertiports，是专为支持eVTOL飞机运营而设计的机场，将包括：

 

1.多个用于垂直起降的着陆和起飞坪

 

2.供乘客办理登机手续和登机的终端

 

3.为电池电动和氢动力eVTOL提供充电和加油的站点

 

4.用于例行检查和维修的维护与修理设施

 

此外，Vertiports还整合了先进的空中交通管理系统，以确保空间协调的安全与高效，并设有控制中心以监督地面和飞行操作。

 

（二）电池技术的进步

 

电池技术对于eVTOL飞机的性能和可行性而言至关重要。能量密度、充电速度以及电池寿命的进步，将显著提升eVTOL的航程、载重能力和运营效率。固态电池、快速充电系统以及电池管理技术的研究与开发，将在eVTOL技术的未来发展中扮演关键角色。

 

（三）自主飞行和AI整合

 

自主飞行系统与人工智能（AI）的深度融合，将对eVTOL行业产生深远影响。自主飞行技术不仅能够提升飞行安全水平，还能有效降低运营成本，并显著提高空中空间的利用效率。同时，AI技术在路线优化、预测性维护以及实时决策等方面发挥着重要作用，从而全面提升eVTOL操作的整体性能和可靠性。

 

（四）环境影响和可持续性

 

eVTOL飞机有望通过减少对化石燃料的依赖和缓解交通拥堵，从而降低城市交通对环境的影响。采用电动推进技术，使得这类飞机相较于传统飞机具有更低的排放和噪音水平。随着行业的持续发展，将更加注重可持续实践，包括利用可再生能源和采用环保材料。

 

（五）监管框架和公众接受度

 

eVTOL飞机的成功部署需要支持性的监管框架和公众接受。监管机构正在努力制定eVTOL认证和运营的标准和指南。公众接受程度将取决于能否充分展示eVTOL技术的安全性、可靠性和所带来的益处。社区参与和透明沟通在建立信任、解决噪音、隐私和安全问题等方面起着至关重要的作用。

 

八、结论

 

eVTOL飞机标志着航空技术的一次突破性飞跃，有可能彻底改变城市出行，并能解决交通拥堵、排放超标和交通效率低下等紧迫问题。其发展与应用涉及技术创新、监管框架构建以及公众接受度之间的复杂互动。随着技术的不断进步和监管体系的完善，eVTOL有望成为未来城市和区域出行解决方案的坚实基础。