符長(zhǎng)青

本文介紹電動(dòng)垂直起降飛行器動(dòng)力裝置的類(lèi)型、電池集成技術(shù)以及7種配裝油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的電動(dòng)垂直起降飛行器，并闡述各型飛行器的技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展歷程。

電動(dòng)垂直起降飛行器動(dòng)力裝置的類(lèi)型

飛行器的動(dòng)力裝置也稱(chēng)動(dòng)力系統(tǒng)，包括燃油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)兩大類(lèi)。其中，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、油料油箱、潤(rùn)滑油系統(tǒng)和各種動(dòng)力輔助裝置等部分組成；電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、電池組、新型燃料電池和轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等部分。按照垂直起降飛行器的定義，垂直起降飛行器的整體布局實(shí)質(zhì)上就是一種旋翼飛行器，它可以采用5種類(lèi)型的動(dòng)力裝置（見(jiàn)圖1）。但是，電動(dòng)垂直起降（eVTOL）飛行器不同于垂直起降飛行器，英文eVTOL中的第一個(gè)小寫(xiě)字母e表示電動(dòng)，后面4個(gè)大寫(xiě)字母VTOL表示垂直起降。顧名思義，電動(dòng)垂直起降飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)必須包含電動(dòng)機(jī)和電池，可選用動(dòng)力系統(tǒng)只有三種類(lèi)型，即混合動(dòng)力裝置、動(dòng)力電池和燃料電池，因?yàn)檫@三種動(dòng)力系統(tǒng)都包含電動(dòng)機(jī)和電池。

圖1 垂直起降飛行器的動(dòng)力裝置。

前面章節(jié)已經(jīng)對(duì)各種動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)做了對(duì)比分析，結(jié)論是，油電混合動(dòng)力系統(tǒng)是當(dāng)前電動(dòng)垂直起降飛行器最適合使用的動(dòng)力裝置。

電動(dòng)垂直起降飛行器的電池集成技術(shù)

電動(dòng)垂直起降飛行器采用動(dòng)力電池作為能源，可以得到穩(wěn)定電壓以及受外界影響很小且能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定供電的電流。動(dòng)力電池具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、攜帶方便、充放電操作簡(jiǎn)便易行、受外界環(huán)境溫度影響較小、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。目前適用于電動(dòng)垂直起降飛行器的動(dòng)力電池主要有鋰電池以及燃料電池、石墨烯電池、鋁空氣電池、納米電池和固態(tài)電池等各類(lèi)新型電池。電動(dòng)垂直起降飛行器電池集成是指動(dòng)力電池在機(jī)身內(nèi)安裝的集成方式。目前常用的電池集成技術(shù)主要有三類(lèi)，一是傳統(tǒng)的電池包集成技術(shù)；二是新的CTP（Cell to Pack）和CTC（Cell to Chassis）電池包集成技術(shù)。

（1）傳統(tǒng)電池包集成技術(shù)

電動(dòng)垂直起降飛行器傳統(tǒng)電池包是一種標(biāo)準(zhǔn)化模塊。它由電芯組成模組后，再與機(jī)身地板組裝在一起。這種集成方法的優(yōu)點(diǎn)是，每個(gè)電池包都由多個(gè)模組組成，每個(gè)模組都有單獨(dú)的殼體保護(hù)和控制單元，便于電池的電量控制和熱管理。在維修時(shí)，操作人員可以單獨(dú)更換電池模組，維修方便。缺點(diǎn)是模組間存在安全間隙及整體重量較大，不僅空間利用率低，而且每個(gè)模組都要配置單獨(dú)的控制單元，導(dǎo)致整體重量較大，成本較高。

（2）CTP電池集成技術(shù)

電動(dòng)垂直起降飛行器CTP電池集成技術(shù)取消了傳統(tǒng)集成方式的模組結(jié)構(gòu)，電芯直接組成電池包，電池包集成到無(wú)人機(jī)機(jī)身地板上，成為機(jī)身結(jié)構(gòu)件中的一部分組成。這種集成方法的優(yōu)點(diǎn)是，消除了模組之間的布置間隙，增加了電芯的數(shù)量，取消了模組結(jié)構(gòu)，從而降低了整體電池包的重量。缺點(diǎn)是電池包須要作為機(jī)體結(jié)構(gòu)件的一部分組成而承載載荷，對(duì)動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

（3）CTC電池集成技術(shù)

電動(dòng)垂直起降飛行器CTC電池集成技術(shù)是指，電芯直接集成在無(wú)人機(jī)機(jī)身地板框架內(nèi)部，將地板上下板作為電池殼體，即電池成為電動(dòng)垂直起降飛行器機(jī)身的一部分組成。它是CTP方案的進(jìn)一步集成，機(jī)身地板的上下板代替了電池殼體和蓋板，電芯與機(jī)身地板采用一體化設(shè)計(jì)，形成一個(gè)強(qiáng)度和剛度都非常大的結(jié)構(gòu)體。這從根本上改變了電池的安裝形式，電池的電芯不僅是能量存儲(chǔ)和釋放單元，而且成為電動(dòng)垂直起降飛行器整機(jī)結(jié)構(gòu)件的一部分組成。這種集成方法的優(yōu)點(diǎn)是，取消了電池包的結(jié)構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)了高度集成化和模塊化，大大提高了電動(dòng)垂直起降飛行器空間利用率，降低了電動(dòng)垂直起降飛行器的重量，使電動(dòng)垂直起降飛行器的續(xù)航時(shí)間增加15%~25%。缺點(diǎn)是，電芯作為機(jī)身結(jié)構(gòu)件的一部分承載載荷，須要考慮如何與上下結(jié)構(gòu)件固定在一起，以應(yīng)對(duì)最為苛刻的剪切力。該技術(shù)對(duì)生產(chǎn)工藝提出了更高的要求，電池維修較困難。

上述三種電池集成技術(shù)對(duì)比如表1所示。對(duì)比結(jié)果表明，電動(dòng)垂直起降飛行器使用CTC方案，其空間利用率最高，電池電量的提升有顯著效果。在現(xiàn)有電池技術(shù)不變的條件下，CTC方案是有效提升電量的最佳集成方案。

表1 三種電池集成技術(shù)方案對(duì)比表。

配裝油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的電動(dòng)垂直起降飛行器

隨著人們生活水平的提高，現(xiàn)在很多人都擁有自己的小汽車(chē)，但是道路交通擁堵特別嚴(yán)重，尤其是一線城市的道路，很多出行計(jì)劃經(jīng)常會(huì)因嚴(yán)重的塞車(chē)而被迫取消。在當(dāng)代市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，廣大顧客的需求就是商機(jī)。于是，世界著名飛機(jī)制造商、汽車(chē)生產(chǎn)商和許多新的初創(chuàng)公司瞄準(zhǔn)了這個(gè)巨大的市場(chǎng)，紛紛上馬并投入巨資，開(kāi)始研制電動(dòng)垂直起降飛行器。下面列舉幾個(gè)以油電混合動(dòng)力系統(tǒng)為動(dòng)力的電動(dòng)垂直起降飛行器案例。

吉利控股集團(tuán)有限公司開(kāi)發(fā)電動(dòng)垂直起降飛行器

吉利控股集團(tuán)有限公司是一家中國(guó)民營(yíng)汽車(chē)制造企業(yè)，2017年收購(gòu)了美國(guó)太力（Terrafugia）飛行汽車(chē)公司后，開(kāi)發(fā)了一款電動(dòng)飛行汽車(chē)，名為T(mén)F-1。TF-1電動(dòng)飛行汽車(chē)采用了油電混合動(dòng)力裝置，可搭乘2人，航程超過(guò)600km，最高飛行速度160km/h，最大飛行高度3048m。2021年1月15日,TF-1電動(dòng)垂直起降飛行器獲得美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）頒發(fā)的輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)（LSA）特許適航證。飛行汽車(chē)設(shè)計(jì)存在較大難度，因?yàn)橐瑫r(shí)滿(mǎn)足地面行駛和空中飛行這兩個(gè)存在很大內(nèi)在矛盾的使用要求。因此，TF-1電動(dòng)飛行汽車(chē)能成功獲得美國(guó)聯(lián)邦航空管理局頒發(fā)的特許適航證，說(shuō)明該產(chǎn)品取得了很大的成就。

圖2 TF1電動(dòng)飛行汽車(chē)。

輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)不屬于審定類(lèi)飛行器，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局不要求輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)進(jìn)行適航審定。輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)制造商僅向美國(guó)聯(lián)邦航空管理局提交符合性聲明，然后美國(guó)聯(lián)邦航空管理局的檢查員對(duì)相關(guān)文件進(jìn)行審查，審查完成后，輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)制造商就可以量產(chǎn)并銷(xiāo)售產(chǎn)品。特許適航證不是正常類(lèi)型號(hào)合格證（即適航證）。按現(xiàn)有規(guī)定，輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)的最大起飛重量為600kg。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局正在修訂的輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)最大起飛重量有可能提高到750kg，而TF-1電動(dòng)飛行汽車(chē)的最大起飛重量為850kg，大大超過(guò)了美國(guó)聯(lián)邦航空管理局輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)的要求。因此，TF1電動(dòng)飛行汽車(chē)須獲得美國(guó)聯(lián)邦航空管理局批準(zhǔn)的多項(xiàng)許可。

目前，吉利控股集團(tuán)有限公司正在研制電動(dòng)垂直起降飛行器TF-2A，并預(yù)告TF-2A全尺寸原型機(jī)即將問(wèn)世。TF-2A飛行器擁有8個(gè)升力螺旋槳和1個(gè)推進(jìn)螺旋槳，無(wú)須地面跑道即可垂直起降。此外，與傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器或傾轉(zhuǎn)機(jī)翼飛行器相比，TF-2A采用了復(fù)合式構(gòu)型，這種構(gòu)型的飛行器容易通過(guò)適航審定并取得較高的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。出于安全性考慮，TF-2A安裝了三點(diǎn)輪式起落架，在緊急迫降時(shí)，該型飛行器擁有更多的迫降點(diǎn)選擇。TF-2A可搭載2名乘客，最大航程100km，巡航速度180km/h，實(shí)用升限3000m。

聯(lián)合開(kāi)發(fā)中心科技股份有限公司推出電動(dòng)垂直起降飛行器

聯(lián)合開(kāi)發(fā)中心科技股份有限公司（JDC Technology Inc）位于美國(guó)加州洛杉磯市，多年來(lái)一直從事消防無(wú)人機(jī)研制與銷(xiāo)售。該公司提出的電動(dòng)垂直起降飛行器方案采用了復(fù)合式構(gòu)型和“星鏈”通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，擁有8個(gè)軸16副旋翼和1個(gè)推進(jìn)螺旋槳，能以多旋翼無(wú)人機(jī)模式垂直起降，又能以固定翼無(wú)人機(jī)模式實(shí)現(xiàn)較高的飛行速度和巡航飛行。該 公 司FF-1（FireFighting-1）消 防無(wú)人機(jī)和PP-1（Passenger Plane-1）載人飛行器的氣動(dòng)和總體結(jié)構(gòu)相同，只是任務(wù)載荷不同。其中，F(xiàn)F-1為不載人無(wú)人機(jī)，任務(wù)載荷重量600kg，可承擔(dān)高層建筑滅火和森林滅火任務(wù)；PP-1飛行器可搭載5名乘客，主要用于旅客運(yùn)輸，是一種經(jīng)濟(jì)高效、省時(shí)的中短途交通運(yùn)輸工具（見(jiàn)圖4）。

圖4 聯(lián)合開(kāi)發(fā)中心科技股份有限公司開(kāi)發(fā)的PP-1電動(dòng)垂直起降飛行器。

圖3 吉利控股集團(tuán)有限公司TF-2A電動(dòng)垂直起降飛行器。

FF-1和PP-1飛行器均使用油電混合動(dòng)力系統(tǒng)提供動(dòng)力，安裝了滑橇式起落架，機(jī)長(zhǎng)8m，機(jī)高1.8m，翼展1.8m，雙垂尾高1m，最大航程500km，巡航速度200km/h，實(shí)用升限3000m。基于星鏈網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，F(xiàn)F-1和PP-1飛行不受通信鏈路傳輸距離限制，通信信號(hào)可覆蓋全球。在地球上能看到天空的任何地方，F(xiàn)F-1和PP-1飛行器至少能與三顆“星鏈”衛(wèi)星進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信?！靶擎湣本W(wǎng)絡(luò)無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)1Gb/s、時(shí)延小于10ms（與5G通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率相當(dāng)）。

阿斯頓馬丁公司公布“沃蘭特愿景”電動(dòng)垂直起降飛行器

阿斯頓馬丁公司是英國(guó)一家汽車(chē)制造商，以生產(chǎn)敞篷旅行車(chē)、賽車(chē)和限量版豪華跑車(chē)而聞名于世。近期，阿斯頓馬丁公布了一種概念飛行器，名為“沃蘭特愿景”（Volante Vision），計(jì)劃開(kāi)發(fā)電動(dòng)垂直起降飛行器。

“沃蘭特愿景”電動(dòng)垂直起降飛行器采用了混合動(dòng)力技術(shù)和自動(dòng)駕駛技術(shù)，由阿斯頓馬丁公司、克蘭菲爾德大學(xué)和勞斯萊斯公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)，是一種飛行的士，旨在為交通擁擠的城市提供通勤服務(wù)?！拔痔m特愿景”采用三軸設(shè)計(jì)，前端兩軸上的螺旋槳能以任意角度偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)前飛和轉(zhuǎn)向，而后軸的螺旋槳與地面平行，為飛行器提供升力。由概念圖可見(jiàn)，該型飛行器的外形十分漂亮，內(nèi)飾也和阿斯頓馬丁公司生產(chǎn)的汽車(chē)一樣，非常奢華。

圖5 阿斯頓馬丁公司“沃蘭特愿景”電動(dòng)垂直起降飛行器的概念圖。

圖6 英國(guó)勞斯萊斯公司電動(dòng)垂直起降飛行器。

勞斯萊斯公司開(kāi)發(fā)電動(dòng)垂直起降飛行器

英國(guó)勞斯萊斯公司是世界超豪華轎車(chē)制造商之一，1906年成立于英國(guó)。該公司公布了一種電動(dòng)垂直起降飛行器。該機(jī)最大飛行速度402km/h，最大航程805km，其油電混合動(dòng)力系統(tǒng)中的渦輪增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)可以提供500KW的最大功率。勞斯萊斯公司將該型飛行器定位為飛行的士、私人飛機(jī)和貨機(jī)。

該機(jī)采用了傾轉(zhuǎn)機(jī)翼布局設(shè)計(jì)，4個(gè)螺旋槳及油電混合動(dòng)力系統(tǒng)安裝在機(jī)翼上，機(jī)翼可90°旋轉(zhuǎn)，能像雙旋翼橫列式無(wú)人直升機(jī)那樣垂直起飛，起飛后機(jī)翼繞水平軸相對(duì)于機(jī)體逐漸向前轉(zhuǎn)動(dòng)，逐漸轉(zhuǎn)入前飛狀態(tài)，當(dāng)過(guò)渡到平飛姿態(tài)時(shí)，該機(jī)如同固定翼無(wú)人機(jī)，依靠固定翼產(chǎn)生升力，支撐機(jī)體重量，以及依靠轉(zhuǎn)軸近乎水平的螺旋槳產(chǎn)生向前的推力。

奧迪公司推出“下一代超時(shí)尚”概念機(jī)

奧迪公司是世界著名的汽車(chē)制造商，于1898年在德國(guó)創(chuàng)立，總部位于德國(guó)英戈?duì)柺┧厥小６嗄陙?lái)，奧迪汽車(chē)在世界各地廣受歡迎。當(dāng)前，世界電動(dòng)垂直起降飛行器熱潮來(lái)襲，奧迪公司也沒(méi)有放過(guò)這次大好商機(jī)。在2020年日內(nèi)瓦車(chē)展上，奧迪公司聯(lián)合老牌飛機(jī)制造商空客公司，推出了“下一代超時(shí)尚”（Pop.Up Next）電動(dòng)垂直起降飛行器的概念機(jī)。由概念圖可見(jiàn)，“下一代超時(shí)尚”由汽車(chē)底座和飛行模塊兩部分構(gòu)成，以油電混合動(dòng)力裝置為動(dòng)力。飛行模塊由碳纖維復(fù)合材料制成，配備有4個(gè)螺旋槳。座艙可搭乘2人，艙內(nèi)未配備方向盤(pán)，僅配有一臺(tái)大尺寸顯示器?！跋乱淮瑫r(shí)尚”也是一種飛行的士，旨在提供通勤服務(wù)。今年6月，奧迪公司獲得德國(guó)政府頒發(fā)的飛行出租車(chē)測(cè)試資格證，計(jì)劃在奧迪公司總部進(jìn)行測(cè)試。

PAL-V公司PAL-V電動(dòng)垂直起降飛行器亮相

圖7 “下一代超時(shí)尚”電動(dòng)垂直起降飛行器的概念圖。

PAL-V公司位于荷蘭，推出了PAL-V電動(dòng)垂直起降飛行器。該機(jī)以油電混合動(dòng)力裝置為動(dòng)力，將汽車(chē)、摩托車(chē)和直升機(jī)的概念結(jié)合在一起。它既能像汽車(chē)一樣在地面行駛，也能像直升機(jī)一樣在空中飛行。2009年4月27日，PAL-V公司向荷蘭交通部長(zhǎng)展示了PAL-V原型機(jī)。據(jù)悉，PAL-V電動(dòng)垂直起降飛行器最先承擔(dān)緊急服務(wù)部門(mén)的任務(wù)。使用者只須按一個(gè)鍵，該型飛行器在10min內(nèi)便可全自動(dòng)完成汽車(chē)形式與直升機(jī)形式間的切換。PAL-V飛行器的最大行駛速度可達(dá)180km/h，而安裝在車(chē)后方的可折疊水平旋翼、尾翼與推進(jìn)器展開(kāi)后，該機(jī)就能騰空飛行，最大飛行速度可達(dá)185km/h，航程800km，飛行高度1200m。2020年10月，PAL-V公司宣布，PAL-V電動(dòng)垂直起降飛行器已成功通過(guò)歐洲道路通行考試，并獲得官方頒發(fā)的正式牌照。

駿馬集團(tuán)“確信飛行”電動(dòng)垂直起降飛行器亮相

駿馬集團(tuán)（Workhorse）位于美國(guó)俄亥俄州，主要業(yè)務(wù)包括無(wú)人機(jī)和卡車(chē)生產(chǎn)制造。因此，該公司既能從卡車(chē)業(yè)務(wù)中獲得自動(dòng)駕駛技術(shù)，又能從無(wú)人機(jī)業(yè)務(wù)中獲得油電混合動(dòng)力技術(shù)，然后將這兩種關(guān)鍵技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于“確信飛行”（SureFly）電動(dòng)垂直起降飛行器。“確信飛行”采用了多旋翼氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)，具有4個(gè)軸8副旋翼，主用定位是私人飛行器、商用運(yùn)輸機(jī)、農(nóng)用飛行器和輕型軍用飛行器。

2017年6月，“確信飛行”電動(dòng)垂直起降飛行器在法國(guó)舉行的巴黎航展上正式亮相。2018年1月，駿馬集團(tuán)在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州舉行的2018消費(fèi)電子產(chǎn)品展會(huì)上展示了“確信飛行”。該機(jī)于2018年4月在美國(guó)俄亥俄州辛辛那提市倫肯機(jī)場(chǎng)成功完成首次飛行，并于同年8月開(kāi)展了多次飛行測(cè)試。2018年11月，美國(guó)陸軍與駿馬集團(tuán)簽訂合作研究與開(kāi)發(fā)協(xié)議（CRADA），旨在探索這種輕型飛行器的潛在作戰(zhàn)能力。2019年底，“確信飛行”電動(dòng)垂直起降飛行器獲得美國(guó)聯(lián)邦航空管理局頒發(fā)的型式認(rèn)證。

上述7種電動(dòng)垂直起降飛行器均采用了油電混合動(dòng)力系統(tǒng)，但是這并不等于說(shuō)基于純電動(dòng)技術(shù)的電動(dòng)垂直起降飛行器就沒(méi)有市場(chǎng)前景。

隨著電動(dòng)垂直起降飛行器的快速發(fā)展，以及人類(lèi)不斷推進(jìn)空中巴士、空中出租車(chē)等電動(dòng)垂直起降飛行器的示范性商業(yè)應(yīng)用，城市空中交通時(shí)代即將開(kāi)啟。未來(lái)，在全新的智慧交通體系中，私人交通工有望實(shí)現(xiàn)“飛”起來(lái)的夢(mèng)想。 ■

圖8 荷蘭PAL-V公司研制的PAL-V電動(dòng)垂直起降飛行器。

圖9 美國(guó)駿馬集團(tuán)推出一款電動(dòng)垂直起降飛行器“確信飛行”。

表2 部分電動(dòng)垂直起降飛行器一覽表。