eVTOL飞机简介

电动垂直起降 （eVTOL） 飞机代表了航空技术的变革。它们有望彻底改变城市交通，减少交通拥堵，并减轻与传统航空相关的环境影响。

这些创新飞机旨在将电力推进效率与垂直起降能力的多功能性相结合，使其能够在空间有限且传统跑道不切实际的城市环境中运行。

eVTOL的简史

eVTOL 的概念可以追溯到 20 世纪中叶，当时的实验飞机包括 Hawker Siddeley Harrier，这是一种在 1960 年代开发的喷气动力垂直起降飞机。然而，这些早期型号不是电动的。在电力推进、电池技术的进步以及对可持续城市交通解决方案不断增长的需求的推动下，现代 eVTOL 运动在 2010 年代开始受到关注。

eVTOL 领域最早的重要里程碑之一是 Joby Aviation 和 Volocopter 等公司的成立，它们开始开发电动垂直起降原型机。在过去的十年中，众多初创公司和老牌航空航天公司进入市场，加速了eVTOL技术的发展和商业化。

eVTOL 飞机的工作原理

电力推进

eVTOL 技术的核心是电力推进，它依赖于由电池或其他电源驱动的电动机。这与使用内燃机的传统飞机形成鲜明对比。电动机具有多种优点，包括更低的噪音水平、更少的排放和更高的效率。eVTOL 的电动动力系统通常由电池组、电动机和管理能量分配的电力电子设备组成。

垂直起降

eVTOL 飞机设计为垂直起降，类似于直升机。此功能是通过各种转子、管道风扇或倾转旋翼机配置实现的。垂直升力通常由分布在飞机周围的多个旋翼提供，这些旋翼可以倾斜或调整以从垂直飞行过渡到水平飞行。在起飞和降落过程中，旋翼的位置以提供垂直推力，而在巡航飞行中，它们可以倾斜以产生向前的推力和升力。

自主和试点运行

许多 eVTOL 设计结合了先进的航空电子设备和自主飞行系统，以提高安全性和运营效率。自主飞行技术使这些飞机能够在最少的人为干预下运行，从而减少人为错误的可能性。然而，一些 eVTOL 还设计为远程驾驶或由机上飞行员驾驶，从而提供作灵活性并确保遵守现有航空法规。

各种类型的 eVTOL

eVTOL 市场多种多样，有多种针对特定用例和作环境量身定制的设计和配置。这些设计大致可分为以下类型：

• 多旋翼 eVTOL
• 升降机 + 巡航 eVTOLS
• 倾转旋翼和倾转翼 eVTOL
• 矢量推力 eVTOL

让我们仔细看看这些类型中的每一种：

多旋翼 eVTOL

多旋翼 eVTOL 类似于具有多个旋翼（通常为 4 到 8 个）的大型无人机，可提供升力和推力。这些飞机以其简单、稳定和易于控制而闻名。它们非常适合短程城市空中交通 （UAM） 应用，例如空中出租车和送货无人机。例子包括 Volocopter 2X 和亿航 216。

升降机+巡航eVTOL

升力 + 巡航 eVTOL 使用单独的旋翼或螺旋桨进行垂直升力和水平巡航。这种配置可以在飞行的不同阶段优化性能。垂直升力由起飞和着陆期间运行的旋翼提供，而前向推力则由巡航飞行期间的固定翼螺旋桨产生。Joby Aviation S4 是 Lift + Cruise eVTOL 的著名示例。

倾转旋翼和倾转翼 eVTOL

倾转旋翼和倾转翼 eVTOL 具有可以倾斜以在垂直和水平飞行模式之间过渡的旋翼或机翼。在倾转旋翼机设计中，旋翼安装在旋转机舱上，使其能够在起飞和着陆时提供垂直升力，并在巡航期间提供向前推力。另一方面，倾斜翼设计的特点是机翼与旋翼一起倾斜。这些配置提供高速和远程功能。例子包括 Lilium Jet 和 Bell Nexus。

矢量推力 eVTOL

矢量推力 eVTOL 使用固定翼和旋翼或风扇的组合，这些旋翼或风扇可以矢量提供垂直升力和向前推力。这种设计可以实现高效的巡航飞行并增强机动性。矢量推力系统可能更复杂，但在性能和范围方面具有优势。Archer Aviation Maker 是矢量推力 eVTOL 的一个例子。

eVTOL的测试和认证

测试和认证 eVTOL 飞机是一个严格的过程，可确保安全性、可靠性并符合监管标准。测试阶段通常包括几个关键阶段：

开发和原型设计

在开发阶段，工程师创建原型并进行初步测试以验证 eVTOL 的设计和性能。此阶段涉及广泛的计算机模拟、风洞测试和小型模型，以完善飞机的空气动力学、推进力和结构完整性。

地面测试

地面测试涉及在不离开地面的情况下评估飞机的系统和组件。这包括测试电力推进系统、航空电子设备、控制系统和电池。地面测试确保所有系统正常运行，并能够应对飞行过程中遇到的压力和条件。

飞行测试

飞行测试分几个阶段进行，从低空、低速飞行开始，逐渐发展到更复杂和更苛刻的飞行条件。在飞行测试期间，工程师评估 eVTOL 的性能、稳定性、机动性和安全特性。从这些测试中收集的数据用于完善设计并解决任何问题。

电气系统测试

测试 eVTOL（电动垂直起降）飞机的电气系统涉及许多严格的程序，以确保安全性、可靠性和性能。这些测试涵盖电动机、逆变器和电池等组件。以下是每个组件通常如何测试的概述：

电动机

台架测试：

• 性能测试：电机在工作台上进行测试，以测量扭矩、RPM（每分钟转数）、效率和功率输出等性能参数。
• 热测试：电机经过热循环，以评估其在不同温度下的性能并识别潜在的过热问题。

耐久性测试：

• 耐久性测试：电机在负载下长时间运行，以评估其长期耐用性并识别磨损情况。
• 振动测试：电机经过振动测试以模拟运行条件并检查结构完整性。

环境测试：

• 湿度和腐蚀测试：电机暴露在潮湿和腐蚀性环境中，以评估其对环境因素的抵抗力。
• 海拔测试：电机在不同的海拔条件下进行测试，以确保性能的一致性。

逆 变 器

功能测试：

• 功率转换效率：逆变器经过测试，以测试其将 DC（直流电）转换为 AC（交流电）的效率，反之亦然。
• 开关性能：测试开关能力和响应时间，以确保有效的功率调制。

热管理测试：

• 散热：逆变器经过测试，确保在不同负载条件下都能有效散热。
• 热循环：对逆变器进行反复加热和冷却循环，以测试热稳定性和可靠性。

安全测试：

• 短路测试：模拟短路条件以测试逆变器的保护机制。
• 过载测试：逆变器运行超出其额定容量可确保它们能够安全地处理过载情况。

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，以确保其符合设计规范。
• 充放电循环：重复充电和放电，评估电池的生命周期和退化率。

认证测试

eVTOL 车辆必须经过严格的认证流程才能符合航空安全标准。美国联邦航空管理局 （FAA） 和欧洲欧盟航空安全局 （EASA） 等监管机构已经建立了 eVTOL 飞机认证框架。认证测试广泛审查车辆的设计、制造和作程序。此过程可能需要数年时间，并且需要大量的文档和测试。

eVTOL 市场的主要参与者

eVTOL 市场正在迅速增长，众多公司和初创公司竞相开发下一代城市空中交通解决方案。一些主要参与者包括：

乔比航空

Joby Aviation 总部位于美国，是 eVTOL 市场的领先公司之一。它以其 S4 飞机而闻名，该飞机采用升力 + 巡航设计，配备六个倾斜旋翼，航程超过 150 英里。Joby 获得了大量资金，并与丰田和优步等公司合作开发其空中出租车服务。2024 年 2 月，Joby 签署了一份合同，从 2026 年开始在阿联酋推出空中出租车服务。

Volocopter（沃洛普尔）

Volocopter 是一家专注于城市空中交通解决方案的德国公司。其旗舰产品 Volocopter 2X 是一款多旋翼 eVTOL，专为城市地区短程飞行而设计。Volocopter 进行了多次公开演示，并致力于开发城市空中交通基础设施。其合作伙伴和投资者包括梅赛德斯、日本航空、汉莎航空、信可等。

亿航

中国公司亿航以其自主 eVTOL 飞机而闻名，其中包括亿航 216。这款多旋翼eVTOL专为客运而设计，已用于各种试点项目和演示。亿航智能旨在发展一个全面的城市空中交通生态系统，包括客运和货运。

百合属

德国航空航天公司 Lilium 正在开发 Lilium Jet，这是一种倾斜翼 eVTOL。机翼中集成了 36 台电动喷气发动机，制造了第一架电动垂直起降喷气式飞机。Lilium Jet 专为高速、远程飞行而设计，预计航程为 186 英里。他们正在与霍尼韦尔、东丽、CustomCells、NetJets 和 Aciturri 等公司合作。2024 年 7 月，沙特航空集团宣布已确定订购 50 架 Lilium vTOL 喷气式飞机，并可选择再订购 50 架。该飞机将为沙特阿拉伯王国提供服务。

弓箭手航空

总部位于美国的 Archer Aviation 正在开发 Maker，这是一种航程为 60 英里的矢量推力 eVTOL。2021 年 2 月，美国联合航空公司宣布订购 200 架 Archer eVTOL 飞机，并可选择额外购买 100 架。该合作伙伴关系旨在开发一个城市空中交通网络，以减少拥挤城市地区的旅行时间和排放。美联航计划到 2025 年使用 Archer 的 Midnight eVTOL 空中出租车在芝加哥推出空中拼车服务。芝加哥奥黑尔机场和芝加哥 Vertiport 之间的短途航班大约需要 10 分钟，而高峰时段的车程则为一小时。

午夜是一架 12 电机电动固定翼飞机，翼展 47 英尺（14 米）。除了飞行员外，它最多可搭载四名乘客。

夏娃空中交通

总部位于美国的 Eve Air Mobility 是巴西航空工业公司 （Embraer） 的子公司，巴西航空工业公司是一家以生产商用、行政和军用飞机而闻名的大型航空航天公司。Eve 计划引入试点 vTOL，并认为它们在未来将是自主的。2022 年，美联航向该公司订购了多达 200 架 eVTOL，并可选择再订购 200 架。

垂直航空航天

总部位于英国的 Vertical Aerospace 公司正在开发 VA-X4，这是一款四人座 eVTOL 飞机。该公司已与霍尼韦尔、达索、莱昂纳多、吉凯恩等主要航空航天公司建立了合作伙伴关系。在 2024 年 7 月的新闻稿中，他们宣布已获得 1,500 份价值 60 亿美元的 VX4 预订，客户包括维珍航空、美国航空、日本航空、GOL 和 Bristow。

eVTOL 飞机的未来

eVTOL 飞机的未来充满希望，有可能改变城市交通和物流。预计几个关键趋势和发展将塑造该行业的未来：

城市空中交通 （UAM） 网络

建立城市空中交通网络（UAM 网络）是充分发挥 eVTOL 飞机潜力的关键一步。电动汽车的出现产生了对充电基础设施的需求。由于其性质，eVTOL 电动飞机需要独特的基础设施，即自己的运营设施。垂直起降机场是专门为支持 eVTOL 飞机的运营而设计的机场。它们将包括：

• 垂直作业的多个起降台等基本要素
• 办理登机手续和登机的客运航站楼
• 电池电动和氢动力电动垂直起降飞机的充电和加气站
• 用于日常检查和保养的维护和维修设施。

此外，垂直起降机场与先进的空中交通管理系统集成，以确保安全高效的空域协调，并包括监督地面和飞行运营的控制中心。

电池技术的进步

电池技术对于 eVTOL 飞机的性能和可行性至关重要。能量密度、充电速度和电池寿命的进步将提高 eVTOL 的航程、有效载荷能力和运行效率。固态电池、快速充电系统和能源管理的研发将在 eVTOL 技术的未来中发挥至关重要的作用。

自主飞行与人工智能集成

自主飞行系统和人工智能（AI）的整合将对eVTOL行业产生重大影响。自主飞行技术可以提高安全性，降低运营成本，并更有效地利用空域。人工智能可以协助路线优化、预测性维护和实时决策，提高 eVTOL 运营的整体性能和可靠性。

环境影响和可持续性

eVTOL 飞机有可能通过减少对化石燃料的依赖和减少交通拥堵来减少城市交通对环境的影响。使用电力推进比传统飞机更低的排放和噪音水平。随着行业的发展，将重点关注可持续实践，包括使用可再生能源和环保材料。

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的接受度。监管机构正在致力于制定 eVTOL 认证和运营的标准和指南。公众接受度将取决于展示 eVTOL 技术的安全性、可靠性和优势。社区参与和透明沟通对于建立信任和解决噪音、隐私和安全问题至关重要。

结论

eVTOL 飞机代表了航空技术的突破性进步，有可能彻底改变城市交通并解决与交通拥堵、排放和运输效率相关的紧迫挑战。eVTOL 的开发和部署涉及技术创新、监管框架和公众接受度的复杂相互作用。随着技术的进步和监管框架的发展，eVTOL 有望成为未来城市和区域移动解决方案的基石。