電動垂直起降航空器（eVTOL）作為低空經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中主要產(chǎn)品形態(tài)，其推進(jìn)方式與傳統(tǒng)的燃油發(fā)動機相比有了根本的改變，因此相比于傳統(tǒng)直升機，具有污染少、噪聲低、更加安全可靠等優(yōu)點，是一種更符合未來城市空中交通出行的低空航空器。近年來，隨著我國低空經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，eVTOL在航空業(yè)界和投資界引起了廣泛關(guān)注，其應(yīng)用領(lǐng)域包括城市交通、醫(yī)療運輸、物流配送和旅游觀光等。

eVTOL的基本概念及發(fā)展

eVTOL概念的提出

目前，世界多數(shù)國家的地面交通狀況普遍極其擁堵，尤其大城市。為了解決這一難題，在旋翼機基礎(chǔ)上發(fā)展一種新型空中交通工具成為一種解決方案，其核心是垂直起降、無污染、低噪聲，于是eVTOL應(yīng)運而生。

2016年10月，美國優(yōu)步公司（UBER）發(fā)布了《快速飛入城市空中交通白皮書》，指出正如摩天大樓可以更有效利用有限的城市土地一樣，城市空中交通將利用三維空域緩解地面的交通擁堵；基于eVTOL構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，將能夠在郊區(qū)和城市之間，并最終在市內(nèi)實現(xiàn)迅速而可靠的交通（見圖1）。由此開始讓eVTOL理念真正地走入全球視野。

美國國家航空航天局（NASA）于2018年11月發(fā)布了《城市空中交通發(fā)展報告》，提出了城市空中交通（UAM）的概念，將城市空中交通概念定義為：基于載人航空器和無人機系統(tǒng)的安全、高效城市交通運營方式，提出了末端配送、空中巴士和空中出租車等典型且最具挑戰(zhàn)性的城市空中運輸模式和交通工具。

2019 年，歐洲航空安全局（EASA）針對eVTOL的認(rèn)證發(fā)布了全新的航空管理規(guī)定，以期建立更有針對性的全新監(jiān)管體系。隨后，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）也開始加緊推進(jìn)eVTOL適航取證等層面的法規(guī)創(chuàng)新工作，對原有航空法規(guī)中關(guān)于小型飛機的認(rèn)證部分進(jìn)行了修訂，允許eVTOL的機身、發(fā)動機和螺旋槳作為一個整體進(jìn)行認(rèn)證，這使得推進(jìn)系統(tǒng)和機體高度集成的eVTOL設(shè)計理念得到了監(jiān)管層面的支持。

2024年5月23日，歐盟執(zhí)委會批準(zhǔn)了一項針對eVTOL的總體政策規(guī)定，由EASA負(fù)責(zé)實施。該規(guī)定自2025年5月1日起生效，僅適用于有人駕駛eVTOL，對eVTOL涉及的適航性、運行、飛行員執(zhí)照等方面的全部現(xiàn)有規(guī)章進(jìn)行了解讀、補充和修訂，是歐盟迄今為止對eVTOL最全面、最基礎(chǔ)、最重要的規(guī)定。

至此，eVTOL產(chǎn)業(yè)發(fā)展的外部障礙已逐一被清除，促發(fā)了全球的eVTOL研發(fā)項目如雨后春筍般涌現(xiàn)?，F(xiàn)在，eVTOL技術(shù)和先進(jìn)空中交通（AAM）市場的發(fā)展如火如荼，多個項目已經(jīng)在進(jìn)行驗證機測試。

eVTOL市場規(guī)模正在迅速擴(kuò)大

綜觀全球，eVTOL技術(shù)正以其獨特的優(yōu)勢和潛力，引領(lǐng)全球航空工業(yè)的新一輪變革。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：2023年eVTOL的全球市場規(guī)模達(dá)到了125.3億美元；預(yù)計到2030年，全球eVTOL行業(yè)市場規(guī)模將達(dá)到3000億美元；2040年有望超過萬億美元。

現(xiàn)在，中國已經(jīng)將低空經(jīng)濟(jì)納入了國家總體規(guī)劃，相關(guān)扶持政策頻出，顯示出國家對發(fā)展低空經(jīng)濟(jì)的決心。低空經(jīng)濟(jì)是以多場景低空飛行活動為牽引，輻射帶動低空制造、低空飛行、低空保障和綜合服務(wù)等產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展的綜合性產(chǎn)業(yè)形態(tài)。發(fā)展低空經(jīng)濟(jì)不僅可以緩解城市交通，更好的平衡發(fā)展與安全，還可以拓展經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新空間，將低空空域轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫每臻g。

低空航空器是實現(xiàn)低空經(jīng)濟(jì)的三大物理載體，它們分別是通用航空器、無人機和eVTOL。近十多年來，中國航空業(yè)界廣大工程技術(shù)人員在研制低空航空器，特別是在VTOL的研制過程中，攻克了多項核心關(guān)鍵技術(shù)，取得了顯著進(jìn)展（見圖2）。

2023年，中國的eVTOL產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到了9.8億元人民幣，同比增長77.3%，主要集中于中南和華東地區(qū)。多家中國公司正在深耕該領(lǐng)域，如峰飛航空和沃蘭特航空已經(jīng)發(fā)布了代表性的eVTOL產(chǎn)品，并進(jìn)入試飛測試和適航取證階段。此外，中國政府積極推進(jìn)新能源汽車和智能交通領(lǐng)域的發(fā)展，其中也包括eVTOL技術(shù)的研究和開發(fā)。

eVTOL的動力系統(tǒng)與磁懸浮方案

eVTOL的動力系統(tǒng)

為了實現(xiàn)更加安全、高效、環(huán)保的城市空中出行方式，eVTOL的研制過程中采用了許多新技術(shù)，包括新的設(shè)計方法、新材料和新工藝等，涉及到的范圍主要有它的氣動布局、總體結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)、飛行控制導(dǎo)航系統(tǒng)、通信鏈路、以及任務(wù)裝載、回收等輔助裝置。

按照垂直起降航空器的定義，所謂“垂直起降航空器”在總體結(jié)構(gòu)上實質(zhì)上指的就是一種旋翼航空器，可以采用6 種類型的動力裝置（見圖3）。顧名思義，eVTOL的動力系統(tǒng)必須要包含有電動機和電池，可選擇的動力系統(tǒng)只有4種：混合動力（燃油發(fā)動機+電動機）、電動機+動力電池、電動機+燃料電池、磁懸浮+動力電池，因為這4 種動力系統(tǒng)都包含了電池在內(nèi)，采用的是電力驅(qū)動方式。其中，磁懸浮是一種全新的動力系統(tǒng)，非常適合于用到eVTOL上，該項磁懸浮應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)獲得國家發(fā)明專利。

eVTOL旋翼系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

包括eVTOL在內(nèi)的旋翼航空器，要想實現(xiàn)垂直起降和空中懸停，必須要安裝有能夠產(chǎn)生克服重力的升力裝置，稱為旋翼系統(tǒng)。

旋翼系統(tǒng)是由一組長而窄的扁平葉片組成的，通過中心槳殻和主軸連接到動力裝置上（見圖4）。當(dāng)動力裝置啟動工作時，旋翼開始旋轉(zhuǎn)。旋翼的旋轉(zhuǎn)速度非常高，通常可以達(dá)到每分鐘數(shù)百轉(zhuǎn)。高速旋轉(zhuǎn)的旋翼槳葉在空中切入空氣，產(chǎn)生了強大的氣流，將空氣由上向下推。根據(jù)空氣動力學(xué)的伯努利定律，當(dāng)氣流通過旋翼槳葉上表面時，由于槳葉上表面的曲率較大，氣流速度增加，壓力減小，產(chǎn)生了向上的升力，將旋翼航空器整體抬離地面，升空飛行。

安裝在航空器上的螺旋槳，按外面有沒有安裝涵道分為兩類：安裝了涵道的稱為涵道風(fēng)扇系統(tǒng)，和沒有安裝涵道的稱為開放旋翼系統(tǒng)。不論是開放旋翼系統(tǒng)，還是涵道風(fēng)扇系統(tǒng)，又根據(jù)其槳葉的槳距是否可變，分為定距螺旋槳（旋翼）和變距螺旋槳（旋翼）兩大類。定距螺旋槳的槳葉安裝角（槳距）是固定的，優(yōu)點是構(gòu)造簡單，重量輕，缺點是只在選定的速度范圍內(nèi)效率較高，在其他狀態(tài)下效率較低。變距螺旋槳的槳葉安裝角（槳距）可變，高速時用高距，低速時用低距。螺旋槳變距機構(gòu)由液壓或電力驅(qū)動，可使空氣螺旋槳始終處于最佳工作狀態(tài)。

開放旋翼系統(tǒng)

在開放旋翼系統(tǒng)中，旋翼葉片全部直接暴露在空氣中（見圖5），與飛行中的相對氣流相互作用，產(chǎn)生升力和前進(jìn)力。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，槳盤平面大，維護(hù)成本低，載重大；缺點是槳葉因高速圓周運動使葉尖處速度最高，誘導(dǎo)阻力比較大，噪聲大，氣動效率低。

在旋翼旋轉(zhuǎn)面內(nèi)的分量形成阻止螺旋槳旋轉(zhuǎn)的力矩，由發(fā)動機的力矩來平衡。槳葉剖面弦（相當(dāng)于翼弦）與旋轉(zhuǎn)平面夾角稱槳葉安裝角。螺旋槳旋轉(zhuǎn)一圈，以槳葉安裝角為導(dǎo)引向前推進(jìn)的距離稱為槳距。實際上槳葉上每一剖面的前進(jìn)速度（角速度）都是相同的，但圓周速度則與該剖面距轉(zhuǎn)軸的距離（半徑）成正比，所以各剖面相對氣流與旋轉(zhuǎn)平面的夾角隨著離轉(zhuǎn)軸的距離增大而逐步減小，為了使槳葉每個剖面與相對氣流都保持在有利的迎角范圍內(nèi)，各剖面的安裝角也隨著與轉(zhuǎn)軸的距離增大而減小。這就是每個槳葉都有扭轉(zhuǎn)的原因。

涵道風(fēng)扇

如果在空氣螺旋槳外面加一個圓桶形外殼（罩子）將旋翼保護(hù)起來，就構(gòu)成了一種新的空氣螺旋槳結(jié)構(gòu)體，稱為涵道風(fēng)扇（Ducted Fan），如圖6所示。隨著航空技術(shù)的快速發(fā)展，涵道風(fēng)扇的應(yīng)用越來越廣泛，涵道風(fēng)扇氣動性能的研究受到各國科研人員的高度重視。

雖然開放旋翼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單實用、應(yīng)用廣泛，但由于開放旋翼系統(tǒng)的槳葉旋轉(zhuǎn)運動時主要存在的阻力有空氣摩擦阻力、壓差阻力、誘導(dǎo)阻力和干擾阻力等，槳葉因高速圓周運動使葉尖處速度最高，誘導(dǎo)阻力比較大，不僅對外界空氣氣流產(chǎn)生沖擊，造成噪聲大，旋翼工作效率低。而且，由于開放旋翼系統(tǒng)的槳葉是懸臂梁式的結(jié)構(gòu)桿件，在氣動力作用下葉尖處容易變形而導(dǎo)致氣動環(huán)境進(jìn)一步惡化，受到音障限制，因此使用開放旋翼航空器的前飛速度慢，難以超過200～300km/h。

為了克服開放旋翼系統(tǒng)的這些固有缺陷，涵道風(fēng)扇應(yīng)運而生。與開放旋翼系統(tǒng)相比，涵道對旋翼槳葉起到一定的保護(hù)作用，具有安全性高、結(jié)構(gòu)更加緊湊、氣動效率高及噪聲低等特點。涵道風(fēng)扇系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點是把旋翼包在一個由復(fù)合材料制成的直徑比較小的圓桶（涵道）內(nèi)部，當(dāng)旋翼旋轉(zhuǎn)時形成所謂涵道氣流。涵道風(fēng)扇的工作原理與開放旋翼相同，它們的區(qū)別在于兩者的工作環(huán)境有較大差別。

涵道風(fēng)扇航空器在前飛時，涵道處于前方來流和風(fēng)扇吸流的復(fù)雜氣流中，其升力、阻力和俯仰力矩對整機的配平乃至穩(wěn)定控制具有決定性影響。由于涵道風(fēng)扇內(nèi)旋翼槳葉槳尖處空氣流動受涵道限制，因而沖擊噪聲減小，誘導(dǎo)阻力減少，氣動效率能提高10%～15%。在同樣功率消耗下，涵道風(fēng)扇比同樣直徑的開放旋翼產(chǎn)生的升力更大。

在相同的旋翼轉(zhuǎn)速下，涵道風(fēng)扇的滑流區(qū)氣流速度要小于開放旋翼，導(dǎo)致涵道風(fēng)扇系統(tǒng)的旋翼拉力小于開放旋翼拉力，但是涵道壁會產(chǎn)生附加拉力，使得涵道風(fēng)扇系統(tǒng)的整體拉力要大于開放旋翼系統(tǒng)的拉力。另外，涵道風(fēng)扇的扭矩略小于開放旋翼系統(tǒng)的扭矩，這主要是由于涵道的存在改變了滑流狀態(tài)，使得涵道風(fēng)扇系統(tǒng)的整體拉力大為提高，而扭矩卻略微減小。

涵道產(chǎn)生氣動效率增益的原理主要有兩點：首先，涵道必須足夠高，通常涵道的高度h應(yīng)大于0.4 D（直徑），并且有一個完整的圓潤飽滿的邊緣。涵道的存在使得旋翼的滑流場發(fā)生改變，降低了空氣滑流速度，改善了旋翼槳尖區(qū)域的繞流特性，減小了槳尖損失，從而在一定程度上提高了旋翼的氣動效率；其次，旋翼吸流在涵道唇口處產(chǎn)生繞流，形成低壓區(qū)，使涵道壁產(chǎn)生附加拉力，其最大值可達(dá)總拉力的60%左右。與此同時，由于涵道的環(huán)繞作用， 其結(jié)構(gòu)緊湊、氣動噪聲低、不易受外界因素干擾、使用安全性好。涵道風(fēng)扇的缺點是：為了提高氣動效率要求槳葉的葉尖和管道間的間隙非常小，通常要求旋翼槳尖和內(nèi)壁的距離控制在槳盤直徑的5‰之內(nèi)。

涵道風(fēng)扇內(nèi)的旋翼數(shù)量有兩種類型，一種是單個旋翼，另一種是共軸雙旋翼，后者有兩個直徑和結(jié)構(gòu)相同的旋翼繞同一理論軸線一正一反旋轉(zhuǎn)，起到相互抵消反扭矩的作用。對于共軸雙旋翼的涵道風(fēng)扇，根據(jù)涵道內(nèi)包含旋翼的數(shù)量（1或2個）分為兩類：

（1）全涵道風(fēng)扇。不論涵道內(nèi)的旋翼是1個還是2個，如果所有旋翼完全包含在涵道內(nèi)，則稱之為“全涵道風(fēng)扇”（見圖6）。

（2）半涵道風(fēng)扇。對于共軸雙旋翼涵道風(fēng)扇，如果只有1個旋翼包含在涵道內(nèi)，另一個完全曝露在涵道外，則稱之為“半涵道風(fēng)扇”（見圖7），如果包含在涵道內(nèi)的是上旋翼，則稱為“上半涵道風(fēng)扇”；反之，如果包含在涵道內(nèi)的是下旋翼，則稱為“下半涵道風(fēng)扇”。

也有一些eVTOL航空器沒有采用涵道風(fēng)扇的設(shè)計方案，而是在開放螺旋槳外面加了一個保護(hù)罩，保護(hù)罩的厚度很?。ㄒ妶D8），起不到“涵道”提升性能的作用，只是起保護(hù)螺旋槳不會觸蹭到周圍人員或物品的作用。

綜合來說，涵道風(fēng)扇的優(yōu)點是：由于旋翼槳葉葉尖處受涵道限制，沖擊噪聲減??；誘導(dǎo)阻力減少，效率較高。在同樣功率消耗下， 涵道風(fēng)扇較同樣直徑的開放旋翼系統(tǒng)， 會產(chǎn)生更大的推力。同時由于涵道的環(huán)括作用， 使旋翼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、氣動噪聲低、使用安全性好，已廣泛應(yīng)用于各種交通工具尤其是航空器中（見圖9）。

缺點則是：良好的效率要求旋翼槳葉葉尖和管道間的間隙要非常小，風(fēng)道三維形狀設(shè)計復(fù)雜，加工工藝要求高。除此外，以旋翼系統(tǒng)中心軸作為傳動軸的常規(guī)涵道風(fēng)扇，其旋翼直徑不能超過1m，這意味著常規(guī)涵道風(fēng)扇只能應(yīng)用在小型航空器上，而無法應(yīng)用到大中型航空器。

磁懸浮動力裝置設(shè)計方案

要想充分發(fā)揮涵道風(fēng)扇噪聲低、效率高、安全性好的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用到大中型eVTOL上，必須解決常規(guī)涵道風(fēng)扇只能應(yīng)用在小型旋翼航空器上的問題。為此，首先要分析造成這一問題的原因。

通過理論計算和實驗驗證表明：以旋翼系統(tǒng)中心軸作為旋翼驅(qū)動軸的常規(guī)涵道風(fēng)扇，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩與旋翼轉(zhuǎn)速n的平方及旋翼槳葉直徑D的四次方呈線性正相關(guān)，因此隨著旋翼轉(zhuǎn)速的提高和直徑的增大，維持槳葉旋轉(zhuǎn)所需的轉(zhuǎn)矩會以指數(shù)級趨勢上升，出現(xiàn)所謂的“效率崩潰”。由于受限于散熱、材料等因素的限制，電動機轉(zhuǎn)子存在磁飽和問題，因此電動機即使功率足夠大，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)子電動機也難以輸出足夠的轉(zhuǎn)矩，最終制約了常規(guī)涵道風(fēng)扇中旋翼槳葉向大尺寸方向的發(fā)展。為了避免發(fā)生“效率崩潰”現(xiàn)象，目前大多采用多旋翼的氣動布局方式，通過在航空器旋翼水平面內(nèi)對稱布置多個小直徑旋翼，帶動整個機體實現(xiàn)升空飛行，但由于多旋翼航空器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機身空間利用率低，因此這樣的氣動布局并不是中大型eVTOL的理想解決方案。

為了解決常規(guī)涵道風(fēng)扇的電動機難以輸出大轉(zhuǎn)矩的難題，磁懸浮動力裝置應(yīng)運而生。其基本思路是：改變以旋翼系統(tǒng)中心軸作為旋翼驅(qū)動軸的方式，改換成以靠近旋翼系統(tǒng)外緣的涵道風(fēng)扇內(nèi)壁作為旋翼驅(qū)動的方式。參照磁懸浮高速列車在圓形軌道上運行的方式（見圖10），設(shè)計出一款“邊緣磁懸浮驅(qū)動”的涵道風(fēng)扇。由圖11可以看出：當(dāng)微型磁懸浮高速列車在圓形軌道上高速運行時，將足夠多的微型磁懸浮車箱首尾相連，正好圍成一個直徑與涵道風(fēng)扇內(nèi)徑相同的圓圈，相嵌到涵道風(fēng)扇內(nèi)壁上，就構(gòu)成了磁懸浮旋轉(zhuǎn)動力圈。用幾根（例如5根）驅(qū)動桿將磁懸浮滑塊（相當(dāng)于微型磁懸浮列車車箱）連接到位于涵道風(fēng)扇中心位置的旋翼槳殻上，即可帶動旋翼槳葉高速轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生向上的升力，實現(xiàn)eVTOL升空飛行的目的。

eVTOL磁懸浮動力裝置既可以采用單旋翼涵道風(fēng)扇形式，也可以做成雙旋翼涵道風(fēng)扇。通常為了增加eVTOL磁懸浮動力裝置的有效功率，增大總升力，磁懸浮涵道風(fēng)扇的旋翼系統(tǒng)多采用共軸雙螺旋槳（見圖12）。上、下兩個旋翼之間安裝有反向齒輪，使它們的旋轉(zhuǎn)方向相反。對于具有尾推螺旋槳的eVTOL磁懸浮動力裝置，在旋翼槳殻前端安裝有電動離合器及尾推螺旋槳傳動軸，用來驅(qū)動尾推螺旋槳旋翼工作。

當(dāng)eVTOL處于上升，懸停狀態(tài)和過渡狀態(tài)時，涵道風(fēng)扇的旋翼和兩個處于水平旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的尾推螺旋槳，構(gòu)成多旋翼航空器飛行狀態(tài)，以確保eVTOL安全飛行。

當(dāng)eVTOL處于穩(wěn)定的前飛狀態(tài)時，啟動電動離合器，使涵道風(fēng)扇的旋翼停止旋轉(zhuǎn)而處于靜止?fàn)顟B(tài)。eVTOL所需向上的升力完全由固定機翼承擔(dān)，涵道風(fēng)扇的上下兩個端口，將由用復(fù)合材料制造的薄片，以類似照相機鏡頭蓋伸縮的方式，將它們覆蓋起來。此時，eVTOL向前飛行的推力由位于機體后部的兩個處于垂直平面旋轉(zhuǎn)的尾推螺旋槳提供，其工作方式是：磁懸浮動力裝置通過傳動軸驅(qū)動兩個尾推螺旋槳旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向前的推力，推動磁懸浮eVTOL向前飛行。

磁懸浮eVTOL的氣動布局

航空器的氣動布局是指決定它空氣動力學(xué)性能的部件布置方案。雖然影響航空器氣動性能的因素有很多，但作為產(chǎn)生空氣動力的主要部件，如固定機翼、旋翼、尾翼及尾推螺旋槳等的特性和相互間的位置關(guān)系是最關(guān)鍵的。

eVTOL氣動布局的分類

目前，雖然全世界eVTOL的眾多設(shè)計方案中所包含的氣動布局有很多種類，五花八門，而且都有各自的優(yōu)缺點，但是它們都是從固定翼飛行器和旋翼飛行器這兩種最基本的氣動布局衍生或組合出來的，可以將它們的氣動布局歸結(jié)為兩大類：多旋翼eVTOL類型和復(fù)合eVTOL類型（見圖13），其中后者是在固定翼無人機上加裝升力系統(tǒng)后復(fù)合而成，具有明顯的雜交優(yōu)勢。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，目前的設(shè)計方案中，約30%采用多旋翼氣動布局，70%采用復(fù)合氣動布局。

除了少數(shù)使用傾轉(zhuǎn)電動涵道噴氣發(fā)動機的復(fù)合eVTOL以外，大多數(shù)復(fù)合eVTOL上安裝的是旋翼系統(tǒng)，按其結(jié)構(gòu)劃分有開放旋翼和涵道風(fēng)扇兩種；按其工作內(nèi)容劃分有兩大類：升力旋翼和推力（或拉力）旋翼，其中升力旋翼是指旋翼平面可以是水平的，工作時能產(chǎn)生向上的升力，以承擔(dān)復(fù)合eVTOL的重量，保持其在空中懸停或向上飛行姿態(tài)；推力（或拉力）旋翼是指旋翼平面可以是豎直的，工作時能產(chǎn)生向前的推力（或拉力），以克服復(fù)合eVTOL向前飛行時的氣動阻力，保持其在空中向前飛行姿態(tài)，進(jìn)行巡航飛行。

多旋翼eVTOL總體結(jié)構(gòu)和氣動布局

多旋翼eVTOL實質(zhì)上是在電動多旋翼無人機的基礎(chǔ)上，增加安裝了適合人員乘坐的座艙、座椅和相關(guān)設(shè)備所構(gòu)成的一種全新的載人航空器。多旋翼eVTOL的總體結(jié)構(gòu)由多個旋翼、機體、座艙、起落裝置和動力裝置（電動機）五個主要部分組成（見圖14）。

多旋翼eVTOL采用旋翼旋轉(zhuǎn)變速或槳葉變總距（無周期變距）的方式改變各個旋翼升力的大小，因而取消了傳統(tǒng)無人直升機操縱系統(tǒng)中必不可少的自動傾斜器，從而大大簡化了總體結(jié)構(gòu)，提高了機械可靠性，降低了成本。

多旋翼eVTOL的氣動布局多種多樣，主要是受其旋翼數(shù)量和位置所決定的。按旋翼軸數(shù)分為3軸、4軸、6軸、8軸等，其中4、6軸較為常見（見圖15）。氣動布局根據(jù)最前與最后兩個旋翼軸的連線與機體前進(jìn)方向是否在同一直線上，可劃分為I形（或稱為+形）和X形兩種。如果連線與前進(jìn)方向是在同一直線上，多旋翼eVTOL呈I形，否則呈X形。由于X形結(jié)構(gòu)的實用載荷前方的視野比I形的更加開闊，所以在實際應(yīng)用中，多旋翼eVTOL大多采用X形外形結(jié)構(gòu)，即X形布局占主流。除了這兩種類型以外，還有其他類型的結(jié)構(gòu)外形，包括V形、Y形等。

多旋翼eVTOL通過多個旋翼共同產(chǎn)生向上的升力，克服自身重力實現(xiàn)在垂直方向的上下移動，并通過改變電機旋轉(zhuǎn)速度實現(xiàn)在水平方向的各向移動。其飛行原理允許它實現(xiàn)懸停和低速飛行。為了在不增大體積的情況下使多旋翼eVTOL的總功率更大，最簡單的辦法是把兩臺電動機上下疊放，上下兩臺電動機分別驅(qū)動兩個大小相同、轉(zhuǎn)向相反的旋翼轉(zhuǎn)動，使它們產(chǎn)生的反扭矩相互抵消（見圖16），其氣動布局包括Y形共軸雙槳三軸六旋翼，V形共軸雙槳四軸八旋翼等類型。這種氣動布局雖然能節(jié)省空間，但由于上下疊放的兩個旋翼之間存在著較大的空氣動力干擾，會導(dǎo)致有用功率下降20%。

多旋翼eVTOL總體布局有三種類型的構(gòu)型：無固定機翼構(gòu)型，有固定機翼構(gòu)型和磁懸浮動力構(gòu)型，其中磁懸浮動力構(gòu)型如圖17所示?？梢钥闯龆嘈韊VTOL磁懸浮動力構(gòu)型與科幻小說中外星人飛船十分相似。但實際上它是一個具有4個旋翼的多旋翼無人機，動力系統(tǒng)采用4 個磁懸浮動裝置，分別安裝飛碟四周；在位于機體中央的乘客座艙中有5 個座椅，可以乘坐5人（見圖18）。

復(fù)合無人機氣動布局的類型

固定翼無人機具備飛行速度快、飛行高度高、飛行時間長、經(jīng)濟(jì)性好（省油或省電）等優(yōu)點；旋翼無人機具備垂直起降、懸停、低空樹梢高度飛行等特點。將固定翼與旋翼無人機融合起來，形成一種新型的復(fù)合無人機，即在固定翼無人機氣動布局的基礎(chǔ)上，加上多個旋翼后而得到的一種氣動布局。

對固定翼無人機的空氣動力展開分析可以發(fā)現(xiàn)，整個固定翼無人機受到的空氣動力就是各部件受到的空氣動力之和，其升力主要由機翼提供，所有外部件都會產(chǎn)生阻力。固定翼無人機總體空氣動力形態(tài)布局與位置安排稱作氣動布局，即固定翼無人機氣動布局是指它的各翼面，如主翼、尾翼等是如何放置安裝在機體上而成為一個整體的。氣動布局同無人機外形構(gòu)造與它的動態(tài)特性及所受到的空氣動力密切相關(guān)，關(guān)系到無人機的飛行特征及飛行性能。

無人機氣動布局的概念與總體結(jié)構(gòu)布局的概念是不一樣的。無人機氣動布局與它所受到的空氣動力密切相關(guān)，主要關(guān)系到無人機的飛行特征及動態(tài)特性，特別是對無人機飛行中平衡、穩(wěn)定性、操縱性和機動性起關(guān)鍵作用。簡單地說，固定翼無人機氣動布局就是指其主要產(chǎn)生和承受空氣動力的各翼面，如主翼、尾翼等是如何放置的，至于固定翼無人機的動力裝置及任務(wù)載荷等放在哪里的問題，則籠統(tǒng)地稱為固定翼無人機的總體結(jié)構(gòu)布局。

固定翼無人機的任務(wù)需求（用戶需求）不同，其總體設(shè)計任務(wù)和飛行性能要求也就不一樣，這必然導(dǎo)致氣動布局形態(tài)各異，別具特色（見圖19）?，F(xiàn)代固定翼無人機的氣動布局有很多種，其中最常見用作復(fù)合無人機基礎(chǔ)的氣動布局有5種：傳統(tǒng)常規(guī)布局（圖19a）、飛翼布局（圖19b）、鴨翼布局（圖19c），串列翼布局（圖19d）和三重翼布局（圖19e），這些氣動布局都有各自的特殊性及優(yōu)缺點，特色各異，選擇氣動布局形式是一個綜合考慮、仔細(xì)分析和折衷處理的過程。

eVTOL自動駕駛要求

按照UAM的目標(biāo)，一個城市上空同一時間可能會有成千上萬架eVTOL在飛行。為了確保飛行與地面安全，所有eVTOL應(yīng)采用先進(jìn)的無人自動駕駛技術(shù)，包括飛行航線間的自主飛行。地面控制站只是作為飛行監(jiān)督平臺，起監(jiān)測監(jiān)視作用，有必要時才接入監(jiān)管。無人自動駕駛的優(yōu)勢是全自主動飛行，既避免了可能發(fā)生的人為事故，又降低了成本。

eVTOL全自主飛行能力是指其在沒有操控人員的干預(yù)下，可以根據(jù)自身的狀態(tài)和感知信息自主執(zhí)行任務(wù)的能力，包括飛行環(huán)境感知與規(guī)避技術(shù)、飛行路徑規(guī)劃技術(shù)和飛行控制技術(shù)。其中飛行環(huán)境感知與規(guī)避技術(shù)是指無人機自主及時躲避障礙物的智能技術(shù)，通常分為三個階段：感知障礙物階段、自主繞開階段和規(guī)劃路徑階段。目前，eVTOL常用的避障設(shè)備和技術(shù)主要有紅外避障、超聲波避障、激光避障、毫米波雷達(dá)避障、機器視覺避障等，eVTOL能夠通過這些傳感器感知到其他航空器或鳥類的運動軌跡。與此同時，eVTOL的傳感器和計算平臺都需要滿足適航的要求，且計算平臺還能滿足深度學(xué)習(xí)和自動駕駛需要的性能。

基于安全性、低成本和低噪聲三要素，從發(fā)展的角度來看，雖然目前有一些正在研發(fā)的eVTOL設(shè)計方案尚未具備全自主飛行能力，只能進(jìn)行有人駕駛或半自主飛行。但可以預(yù)見到：當(dāng)eVTOL研制發(fā)展到定型階段以后，真正大批量推向市場，投入到實際運營階段時，一定會發(fā)展為具有全自主飛行能力的無人駕駛，因為在現(xiàn)代全球市場激烈的生存競爭中，安全性、低成本、低噪聲、再加上零污染，這四大要素起關(guān)鍵作用，優(yōu)勝劣汰原則是無可抗拒的。

eVTOL乘客座艙

eVTOL的乘客座艙除具有保護(hù)人體免受飛行過程中異常環(huán)境因素危害的作用外， 也需要提供一定的舒適環(huán)境。乘客座艙作為eVTOL氣動布局和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計中一個重要的組成部分，尤其是座艙內(nèi)部裝飾與乘客直接接觸，會對乘客的視覺、心理和意識活動會產(chǎn)生一定的影響，能提升乘客的飛行體驗。對于不同身高的人，座椅的高度應(yīng)該相應(yīng)調(diào)整以提供舒適的支持。例如，身高160cm的人適合坐高約為700mm的座椅，身高180cm的人則適合坐高約為810mm的座椅。簡言之，乘客座艙不僅關(guān)系到乘客的舒適和安全，也對航空公司的經(jīng)濟(jì)效益、品牌形象和乘客忠誠度產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

乘客座艙的整體布局直接決定了eVTOL的整體裝飾效果和視覺感官，其中座艙設(shè)施的造型是整體座艙裝飾設(shè)計的重要組成部分，包括座艙的天花板、玻璃窗戶大小和透明度、行李箱隔板、座椅和安全帶、艙門位置和開門轉(zhuǎn)向等是座艙整體效果的具體體現(xiàn)。在進(jìn)行座艙設(shè)計時，不僅要注重座艙內(nèi)部各系統(tǒng)功能的實用性，還要關(guān)注內(nèi)部裝飾的視覺感官性，良好的視覺感受可以使乘客在飛行過程中有一種賓至如歸的親切感。

復(fù)合eVTOL磁懸浮動力構(gòu)型

在圖13中“固定旋翼構(gòu)型”是指升力旋翼系統(tǒng)安裝在機身或機翼上的位置和指向是固定的；“傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型”是指升力旋翼系統(tǒng)相對于機翼平面是可以傾轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)動）的；“傾轉(zhuǎn)機翼構(gòu)型”是指升力旋翼固定安裝在機翼上，可隨著機翼一起傾轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)動）；“單旋翼構(gòu)型”是指只安裝了一個升力旋翼（開放旋翼）系統(tǒng)；“傾轉(zhuǎn)電動涵道噴氣發(fā)動機構(gòu)型”是指安裝在機翼上的電動涵道噴氣發(fā)動機相對于機翼平面是可以傾轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)動）的；“磁懸浮動力構(gòu)型”只適合于固定機翼飛翼布局，其中eVTOL單磁懸浮動力構(gòu)型如圖20所示，雙磁懸浮動力構(gòu)型如圖21所示。

復(fù)合eVTOL飛翼氣動布局磁懸浮動力構(gòu)型的定義是：在飛翼氣動布局固定翼無人機基礎(chǔ)上，增加安裝多個由磁懸浮動力系統(tǒng)驅(qū)動的升力旋翼系統(tǒng)及適合人員乘坐的座艙、座椅和相關(guān)設(shè)備。從圖20和圖22可看出：飛翼布局沒有傳統(tǒng)常規(guī)氣動布局無人機的桶狀機身，而是采用翼身融合（BWB）的設(shè)計方案，從而難以分辨出機身與機翼的分界面，整個機體如同一個巨大的機翼。所有的機載設(shè)備完全浸沒在巨大的機翼內(nèi)，因此其外形可依氣動性能最優(yōu)的條件進(jìn)行設(shè)計，整個機體都設(shè)計成為一個升力面；同時去除了平尾、垂尾等外形突起部件，從而有效降低了浸潤面積，有助于減少阻力，提高升阻比。與傳統(tǒng)常規(guī)氣動布局相比較，飛翼氣動布局在氣動效率和隱身性能上有著無可比擬的優(yōu)勢，能滿足超長航時、超高空、低可探測性等苛刻的性能要求。其缺點主要是操控難度大，航空器偏轉(zhuǎn)或縱向擺動時難以及時糾正。

復(fù)合eVTOL采用飛翼氣動布局時，首先要解決其復(fù)雜的設(shè)計匹配問題。既要考慮在飛行中如何實現(xiàn)足夠縱向穩(wěn)定性的機翼配置問題，又要仔細(xì)安排好復(fù)合eVTOL圍繞縱軸從垂直起落飛行狀態(tài)向水平飛行的基本要求。為了充分發(fā)揮飛翼氣動布局的優(yōu)勢，需要對其翼型進(jìn)行高效設(shè)計，包括機體的內(nèi)翼區(qū)、中間區(qū)和翼尖區(qū)的翼型優(yōu)化設(shè)計。

采用飛翼氣動布局時，機體各區(qū)域的翼型設(shè)計要求不盡相同。其中機體內(nèi)翼區(qū)的翼型需要抬頭力矩以幫助機體達(dá)到縱向力矩配平，以及良好的隱身特性；機體中間區(qū)翼型要求具有良好的巡航升阻特性、阻力發(fā)散特性和一定的抬頭力矩，以配合實現(xiàn)縱向力矩配平；機體翼尖區(qū)則面臨氣動減阻和隱身特性的設(shè)計要求。

由于抬頭力矩約束和隱身設(shè)計要求，構(gòu)成飛翼氣動布局機體的翼型均呈現(xiàn)明顯的前緣正加載和后緣反加載的外形特征。對翼型這兩種加載特征進(jìn)行合理配置，可以在保持縱向力矩配平的同時，實現(xiàn)飛翼氣動布局的空氣動力和隱身特性的共贏。

飛翼氣動布局的翼型設(shè)計是綜合了氣動、隱身、控制等復(fù)雜多學(xué)科設(shè)計的問題，特別是飛翼結(jié)構(gòu)對機體重心位置的要求比其他類型氣動布局更嚴(yán)格，而且這些設(shè)計要求很難同時完全得到滿足，給優(yōu)化設(shè)計帶來巨大的困難，造成了常用的經(jīng)典常規(guī)翼型設(shè)計方法在飛翼氣動布局上應(yīng)用效果不理想，因而采用飛翼氣動布局的設(shè)計方案也比較少。

磁懸浮復(fù)合eVTOL采用飛翼氣動布局的原因是：其他氣動布局不適宜采用磁懸浮動力構(gòu)型。復(fù)合eVTOL磁懸浮動力構(gòu)型采用旋翼外緣的涵道風(fēng)扇內(nèi)壁作為旋翼驅(qū)動的方式，要求涵道風(fēng)扇的直徑很大，通常至少要有3m或更大。復(fù)合eVTOL氣動布局除了飛翼布局的機翼寬度和機翼整體面積比較大（猶如一片在空中飄楊的樹葉）以外，其他類型eVTOL氣動布局的機翼的寬度比較窄，難以容下磁懸浮動力構(gòu)型所需的大直徑涵道風(fēng)扇。如果非要把磁懸浮動力裝置安裝在機翼寬度比較窄的eVTOL上，有可能會損害其整體結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)完整性。

常見的幾種復(fù)合eVTOL氣動布局對比

常見的幾種eVTOL氣動布局示意圖如圖24所示。圖中前三種機型的動力裝置為普通純電或油電混合動力系統(tǒng)，后三種機型的動力裝置為磁懸浮動力系統(tǒng)。其中圖24（a）為常規(guī)電動多旋翼氣動布局；圖24（b）為常規(guī)氣動布局的傾轉(zhuǎn)機翼構(gòu)型；圖24（c）采用常規(guī)氣動布局的傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型；圖24（d）為多旋翼磁懸浮動力構(gòu)型；圖24（e）和圖24（f）都屬于復(fù)合eVTOL固定機翼飛翼氣動布局的磁懸浮動力構(gòu)型，圖24（e）采用單臺磁懸浮動動力系統(tǒng)，圖24（f）采用兩臺磁懸浮動動力系統(tǒng)。

在進(jìn)行eVTOL的設(shè)計過程中要解決的首要問題是如何進(jìn)行氣動布局，即如何通過先進(jìn)的氣動布局設(shè)計方案來獲得它所需要的升力、減小阻力、提高飛行速度和操控穩(wěn)定性等。這就要從理論上和在實踐中研究eVTOL在飛行中與空氣之間進(jìn)行相對運動時，空氣動力產(chǎn)生的機理及其規(guī)律，以及參考現(xiàn)有各種類型無人機的氣動布局，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行策劃、創(chuàng)新和再布局。

一方面，eVTOL作為一種新型航空器，與固定翼無人機和無人直升機相比，除了在起降與巡航飛行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換階段有比較復(fù)雜氣動特性，大多氣動布局和總體構(gòu)型新穎，且各種構(gòu)型之間的差異較大，因此對以往設(shè)計制造有人機的經(jīng)驗與數(shù)據(jù)的依賴程度比較低。

另一方面，根據(jù)eVTOL本身的結(jié)構(gòu)特點，現(xiàn)有大部分無人機的空氣動力學(xué)理論可應(yīng)用到eVTOL上。不過由于大多數(shù)無人機尺寸小，也沒有在機內(nèi)安裝人員（乘客）坐椅和其他保障人員飛行安全的設(shè)施，安全風(fēng)險系數(shù)小，一旦發(fā)生飛行意外，除了無人機無法回收外，不存在人員安全的風(fēng)險。而作為載客運輸用的eVTOL就不一樣了，其飛行安全是重中之重，保證機上人員的飛行安全是最重要、最基本的要求。所以eVTOL不能完全照抄無人機的氣動布局方案，而應(yīng)當(dāng)重視和解決它自身特有的空氣動力學(xué)問題，特別是在飛行過程中會遇到一些新問題，因此其氣動布局設(shè)計首先要在眾多的相互矛盾的需求之間進(jìn)行較好的折中。表1給出了兩種eVTOL氣動布局特點的比較，包含了布局安排、飛行原理、能量效率、結(jié)構(gòu)特點和性能特點等方面的對比。

磁懸浮復(fù)合eVTOL的傳動系統(tǒng)

磁懸浮復(fù)合eVTOL氣動布局和總體結(jié)構(gòu)有一個特點：不論是單磁懸浮動力構(gòu)型還是雙磁懸浮動力構(gòu)型，都要有尾推螺旋槳。為了將磁懸浮動力裝置的功率傳輸至尾推螺旋槳，中間需要安裝傳動系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)是磁懸浮復(fù)合eVTOL重要的動力部件，一般由尾減速器、中間減速器、離合器、動力傳動軸、尾傳動軸，以及各零部件等組成。其功能主要包括以下幾項：

（1）傳遞動力。將動力從磁懸浮動力裝置傳遞到尾推螺旋槳和其他附件。

（2）改變轉(zhuǎn)速。將磁懸浮動力裝置輸出轉(zhuǎn)速調(diào)整至尾推螺旋槳的設(shè)計轉(zhuǎn)速。

（3）改變轉(zhuǎn)向。將旋轉(zhuǎn)方向從磁懸浮動力裝置輸出軸方向轉(zhuǎn)到尾推螺旋槳軸方向。

傳動系統(tǒng)作為磁懸浮復(fù)合eVTOL動力傳動鏈，可以視為是由質(zhì)量盤及聯(lián)系各質(zhì)量盤的扭軸所構(gòu)成的扭振系統(tǒng)，在工作時處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，其主要受力件是在振動條件下工作，承受周期的交變載荷，不僅有“扭轉(zhuǎn)”振動問題，而且還有軸系的橫向振動和縱向振動問題，其中最常見的是“扭轉(zhuǎn)”和橫向振動兩種。當(dāng)激振力的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近以至重合（共振）時，系統(tǒng)就會承受過大的交變扭矩，引起強烈的振動，甚至造成結(jié)構(gòu)的提前疲勞破壞。為了避免這種災(zāi)難性問題的出現(xiàn)，在設(shè)計磁懸浮復(fù)合eVTOL傳動系統(tǒng)時，要求在該系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)扭振系統(tǒng)的固有頻率與激振頻率之間有足夠的間距。即是說，由于傳動系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作頻率多，在設(shè)計時對傳動系統(tǒng)進(jìn)行固有特性的研究至關(guān)重要。除此之外，由于傳動系統(tǒng)是在高轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，所以在設(shè)計研制過程中必須注意靜、動平衡，以免振動過大。

有的磁懸浮復(fù)合eVTOL設(shè)計方案，為了避免出現(xiàn)復(fù)雜的尾推傳動系統(tǒng)，采用油電混合動力系統(tǒng)，尾推螺旋槳使用單獨的燃油航空發(fā)動機驅(qū)動，優(yōu)點是總體結(jié)構(gòu)大為簡化。

（責(zé)任編輯：馬元）