evtol的发展现状研究 2

 

 

四、典型多旋翼型eVTOL飞行器分析

 

1、Airbus-CityAirbus

 

 

 

CityAirbus 验证机是空客公司于2015 年启动的,专为城市空中交通而设计的多乘员、自主无人驾驶的电动垂直起降飞行器。CityAirbus 验证机于2018 年开展地面测试,2019年5月实现无人首飞,计划2023年完成取证并投向市场。CityAirbus 原型机如图7 所示,CityAirbus 主要特性信息见表7。

 

 

 

表7 CityAirbus主要特性信息

 

图7 CityAirbus原型机

 

 

 

2、EHang-216

 

 

 

EHang-216由位于广州的亿航智能公司于2018年2月发布,已在美国、荷兰、卡塔尔等国以及中国的广州、烟台等地进行过多次无人及有人飞行,并获得了美国联邦航空局、挪威民航局、中国民用航空局、加拿大交通部4个国家航空监管机构颁发的特许飞行运行许可证。Ehang-216 原型机如图8所示,EHang-216主要特性信息见表8。

 

 

 

表8 EHang-216主要特性信息

 

图8 EHang-216原型机

 

 

 

3、Volocopter-VoloCity

 

 

 

德国VoloCity是当今世界上最引人注目的电动垂直起降飞行器之一,它拥有18个螺旋桨,全部呈圆形对称布局。自2011起,已累计完成超过1000次的飞行测试。该型产品计划按照欧洲航空安全局（EASA）于2019年发布的垂直起降飞行器专用技术条件（SC-VTOL）取证,类别为增强型（Enhanced）。VoloCity 原型机如图9 所示,VoloCity 主要特性信息见表9。

 

 

 

表9 VoloCity主要特性信息

 

图9 VoloCity原型机

 

 

 

4、Lift-Hexa

 

 

 

Hexa由美国Lift Aircraft公司完成研制,该产品于2018年5 月进行首次飞行测试,同年11 月完成有人飞行。产品按FAA 的Powered Ultralight 类型取证,因而无需飞行员驾照。Hexa 原型机如图10 所示,Hexa 主要特性信息见表10。

 

 

 

表10 Hexa主要特性列表信息

 

图10 Hexa原型机

 

 

 

 

 

五、不同类型eVTOL特点分析

 

 

 

从上述eVTOL飞行器信息来看,不同类别的eVTOL飞行器实现难易程度、飞行速度、航程和应用场景都有所不同。

 

 

 

（1）多旋翼型（Multi-copters）eVTOL 飞行器包含三个以上（含）的旋翼,通过调节转速实现飞行控制,悬停飞行性能较好。由于飞行过程中并没有采用气动力,因而其设计较为简单,但飞行速度慢、载荷小、航程短,仅适用城市内短距离空运。

 

 

 

（2）矢量推进型（Tilt-X）eVTOL 飞行器采用相同的推进装置,以可倾转的方式兼顾悬停和巡航,在不同飞行阶段采用不同的推进方式并存在过渡过程,因而增加了总体设计的复杂性。但是矢量推进型（Tilt-X）可实现更高的飞行速度和更远的航程。

 

 

 

（3）升力与巡航复合型（Lift+Cruise）eVTOL 飞行器融合了固定翼和旋翼飞行器的特征,机翼的设计有利于提升航程,旋翼则便于实现垂直起降。其推进装置各不相同、分开设计,总体性能介于多旋翼型和矢量推进型之间。三种构型的综合对比见表11。

 

 

 

表11 三种构型的综合对比

 

 

 

关键技术分析

 

 

 

一、总体构型选择与多学科设计优化技术

 

 

 

eVTOL 总体上存在上述三种布局形式：多旋翼型、矢量推进型、升力与巡航复合型,且为了提升飞行器综合性能,降低噪声水平,提高安全性,普遍采用了分布式电推进设计技术,使得eVTOL的设计与传统飞行器设计思路完全不同。结合任务使命和性能需求,在方案设计初期需要开展总体构型上的权衡分析及参数设计；综合考虑气动、结构、能源、电机及螺旋桨、适航等设计因素,以提升有效载荷,降低运营成本,确保飞行安全为目标,开展多学科分析与优化设计实现气动、结构、推进、飞控和性能的最佳优化组合。

 

 

 

二、自主飞行控制技术

 

 

 

eVTOL 的商业化前景很大程度上取决于无人驾驶技术的发展。一方面,对于座位数有限的eVTOL 来说,配置驾驶员会显著降低运营经济性；另一方面,eVTOL 驾驶员培训和执照管理也显著影响其商业化进程。因而eVTOL需要实现自主飞行控制,其主要研究内容包括：（1）冗余、多功能操纵面的控制分配与重构；（2）基于人工智能的自主飞行控制和应急着陆控制。其难点主要表现在其飞行区域（以城市上空为主）相对常规飞行器而言约束更多、对自动驾驶的等级要求也更高。

 

 

 

三、态势感知与避障技术

 

 

 

由于eVTOL多是在人口密集、环境复杂的城市上空运营,在此飞行区域实现快速、安全自主飞行,其感知并规避周围危险的能力显得尤为重要,主要包括空间复杂环境下的多障碍物探测（如鸟、无人机、电塔等）和分类、障碍物定位及路径预测与碰撞风险分析、避障策略选择和航线重新规划等技术。这涉及了感知传感器构型设计、多源信息融合、智能目标识别、障碍物危险评估与避障决策等诸多领域,同时还与空域管理、飞行安全规划等政策法规相关,需要开展专项研究。

 

 

 

eVTOL发展展望

 

 

 

一、发展路线图

 

 

 

结合德勤（Deloitte）对eVTOL 行业未来发展态势的分析,考虑到相关技术、适航等因素,提出从2020开始到2030后eVTOL的发展路线,如图11所示。

 

 

 

图11 eVTOL发展路线图

 

 

 

依据eVTOL 载人飞行的成熟度,按照载客和载货（其运行风险相比载客运行要低）两种运营使用模式,可分为三个阶段：

 

 

 

（1）2020—2025 年,实施客运型eVTOL 的原型机测试与验证,实现货运型eVTOL的商业化运行；

 

 

 

（2）2025—2030 年,通过货运型商用铺路,实现有人驾驶客运型eVTOL 的商业化；

 

 

 

（3）2030 年后,依托有人驾驶客运型eVTOL 的商业化成功,伴随民众认可度的显著提升,开展产品升级,实现eVTOL的无人驾驶飞行。

 

 

 

二、主要挑战

 

 

 

尽管eVTOL应用前景广阔,但在进入大众商业化市场之前,还面临着如下几个重大挑战。

 

 

 

（1）技术成熟度：在能量及其管理、自主飞行控制、态势感知与避障等技术领域还需进一步提升；

 

 

 

（2）适航规章：适航审定规章的制定及其符合性方法,以及解决如何运营的问题（包括驾照、空域等）；

 

 

 

（3）基础设施：起降场地,停靠、充电及维修、应用管理终端（基于Uber类似的应用）的建立等；

 

 

 

（4）空中交通管理：高效、安全、统一的空中交通管理（面对数量庞大的eVTOL飞行器）包括空域分配、航线管理等；

 

 

 

（5）公众认可：一方面,其便捷性、经济性和安全性还有待时间的检验；另一方面,对于自主飞行器,民众在心理上短时间还难以接受。

 

 

 

结束语

 

 

 

近年来,eVTOL在城市空中交通运输领域的应用受到越来越多的关注,在世界范围内也得到了一些大型公司（如Airbus、Boeing、Uber 等）,以及很多初创企业的立项研制,FAA和欧洲航空安全局（EASA）如今已收到不少eVTOL主制造商的适航申请,且EASA 自2019 年起已先后发布垂直起降飞行器的专用技术条件和符合性验证方法,为eVTOL进入商业化提供了准入证。

 

 

 

此外,伴随着无人自主飞控、态势感知与避障等关键技术的突破和电池及能源等产业的发展,eVTOL 自身的成功研制障碍会越来越少,但对于eVTOL进入大众市场开展广泛的商业运营服务,还需结合城市空中交通运输整个生态系统来进行统筹规划和建设,应对配套基础设施、空中交通管理等方面面临的挑战,实现eVTOL产业的安全、环保、高效和可持续发展。