尤少春，張曉麗，吳飛飛，羅正學

（空軍軍醫(yī)大學空軍特色醫(yī)學中心，北京 100142）

0 引言

近年來，未來城市空中交通體系（urban air mobility，UAM）的概念備受關注，預計到2040 年全球產業(yè)規(guī)?？蛇_1.5 萬億美元[1]。作為主流認可的UAM 解決方案，電動垂直起降飛行器（electric vertical takeoff and landing，eVTOL）技術發(fā)展非常迅速。

航空醫(yī)療救援是使用裝有專用醫(yī)療救護設備的航空器，為緊急施救患者而進行的飛行活動[2]，相比地面救護車輛具有速度快、轉運距離遠、受道路交通條件影響小等顯著優(yōu)勢[3]。eVTOL 能夠滿足中短途航空醫(yī)療救援對航空器的要求，同時具備經濟性好、安全性高、自動化程度高、綠色環(huán)保等獨特優(yōu)勢[4]，可以成為現(xiàn)有醫(yī)療救援體系的有效補充。本研究對eVTOL 的發(fā)展現(xiàn)狀、基本特點進行介紹，分析其在航空醫(yī)療救援中應用的可行性，并對具體應用場景進行了展望。

1 eVTOL 的發(fā)展、特點及優(yōu)勢

1.1 eVTOL 的基本概念和發(fā)展歷程

eVTOL 運用電力推進作為動力基礎，可以進行垂直起降和水平飛行，其基本組成包括電動機、電池、傳感器、通信導航模塊、機載電子控制器、巡航升力翼等硬件部分以及飛行控制系統(tǒng)、具體功能模塊等軟件部分。

最早進行此類產品開發(fā)的是2009 年成立的美國JOBY 公司[5]。2011 年阿古斯塔公司在一個名為“Project Zero”（零點工程）的項目中提出了現(xiàn)在廣為人知的eVTOL 產品概念[6]。2014 年美國直升機國際協(xié)會、美國航空宇航協(xié)會在弗吉尼亞大會上正式引用了eVTOL 概念[7]。

2016 年，Uber 提出“Uber Elevate”城市空中出租車計劃，勾勒出eVTOL 在未來交通領域的前景和市場潛力，空中客車、波音等企業(yè)紛紛跟進[8]。同時，美國空軍高度重視其軍事價值，于2019 年推出“Agility Prime”（敏捷至上）項目，向JOBY、Beta 等多家美國廠商授予總額超過1 億美元的合同，探索在軍事任務中應用eVTOL 的可行性[9]。

截至2022 年年底，美國垂直飛行協(xié)會收錄的eVTOL 項目已超過750 個[10]，領軍企業(yè)包括Joby Aviation、Lilium、Volocopter、Vertical、Archer、中國億航、峰飛航空等，傳統(tǒng)航空企業(yè)中波音、空客以及汽車行業(yè)的吉利、小鵬、豐田、戴姆勒等也啟動了各自的eVTOL 研發(fā)項目。

1.2 eVTOL 的常見分類與特點

1.2.1 常見分類

eVTOL 正處于產業(yè)發(fā)展初期，技術路徑、形態(tài)特征和設想應用場景種類繁多，因此有很多不同的分類標準，常見的分類標準包括以下6 種：

（1）根據動力來源可分為全電動力、混合動力兩大類，目前的技術條件下，混合動力具有更長的航程和更優(yōu)的經濟性，全電動力顯然是未來的發(fā)展方向。

（2）根據運行模式可分為有人駕駛和無人駕駛2 種類別，或者載人、載客及載人載客兼顧3 種。

（3）根據有效載荷可分為輕型（有效載荷100～200kg）、中型（有效載荷300～500kg）、重型（≥1000kg）3 類[11]。

（4）按照目標用戶可分為2B（商業(yè)運營類，指載人客運、載物貨運、低空旅游等）、2G（政府服務類，指城市管理、警務安防、國防軍事、應急救援等）、2C（私人飛行類，個人或家庭出行）三大類。

（5）按照適航認證可分為基本型（需要在升力系統(tǒng)、機載設備等發(fā)生嚴重故障時可控著陸，不能用于人口聚集區(qū)上空飛行）和增強型（需要在升力系統(tǒng)、機載設備等發(fā)生嚴重故障時仍保證安全飛行，可用于人口聚集區(qū)上空飛行）[11]。

（6）機體構型很大程度上決定著eVTOL 的基礎性能，這也是最重要的分類標準。按照機體構型可分為多旋翼型（如圖1 所示）[12]、升力-巡航復合型（如圖2 所示）[13]、傾轉旋翼型（如圖3 所示）[14]、涵道矢量推力型（如圖4 所示）[15]四大類[16]。

圖1 德國Volocopter2X（多旋翼型）[12]

圖2 中國峰飛V1500 M（升力與巡航復合型）[13]

圖3 美國JOBY S4（傾轉旋翼型）[14]

圖4 德國Lilium jet（涵道矢量推力型）[15]

1.2.2 不同構型的性能特點

eVTOL 基礎性能主要受氣動布局影響，當轉為水平飛行時，提供垂直升力的旋翼成為主要阻力來源[17]。

多旋翼型沒有固定機翼提供升力，水平飛行阻力大，因此速度和航程偏小，應用場景受限；優(yōu)點是技術成熟、安全可靠、懸停能力強，適合在城市內短途使用，目前適航認證進度最快。傾轉旋翼型和涵道矢量推力型的速度和航程優(yōu)勢明顯，應用場景廣、發(fā)展?jié)摿Υ螅珒A轉裝置結構復雜、操控難度大、事故風險高，采用此類結構的美軍V22 魚鷹傾轉旋翼機一直事故不斷，2022 年2 月JOBY 公司一架原型機發(fā)生墜毀事故[18]。升力-巡航復合型的性能位于多旋翼型和傾轉旋翼型之間，技術較為成熟可靠，中短期發(fā)展前景較好，但垂直旋翼的死重和阻力無法避免[19]，遠期發(fā)展受限。不同構型eVTOL 代表機型的典型性能參數(shù)見表1。

表1 不同構型eVTOL 代表機型的典型性能參數(shù)

1.3 eVTOL 的優(yōu)勢

1.3.1 安全可靠

傳統(tǒng)航空器動力系統(tǒng)復雜，故障率較高。eVTOL的電動推進裝置在結構上更加簡單，綜合采用分布式電推進布局、更加先進的態(tài)勢感知傳感器、自動避障算法、飛行控制、智能化自動輔助駕駛系統(tǒng)等技術與手段，進一步提高了冗余度，使eVTOL 安全性得到了有效增強。

1.3.2 經濟性好

eVTOL 的經濟性優(yōu)勢源自3 個方面：一是電力推進系統(tǒng)的效率是內燃機的2～4 倍；二是電能成本只有航空燃料的30%；三是動力系統(tǒng)的結構更簡單，后期的保養(yǎng)維護成本更低。相關研究表明，與活塞發(fā)動機直升機相比，4 座傾轉旋翼eVTOL 飛行器運營成本可降低26%[20]。

1.3.3 舒適性佳

eVTOL 電動機避免了傳統(tǒng)內燃機以及復雜機械傳動系統(tǒng)工作時產生的噪聲和振動。另外在氣動噪聲方面，布局合理的分布式推進系統(tǒng)和小尺寸的旋翼產生的噪聲也遠小于傳統(tǒng)螺旋槳[21]。因此eVTOL的飛行穩(wěn)定性、靜音效果和乘坐舒適性得到了很大提升。

1.3.4 環(huán)保性好

eVTOL 電動機能量轉化效率高于傳統(tǒng)內燃機，直接碳排放幾乎為零，同時電能有很多綠色的獲取途徑，相比傳統(tǒng)內燃機環(huán)保優(yōu)勢顯著。eVTOL 在城市上空飛行時產生的噪聲污染遠低于傳統(tǒng)飛行器。這些顯著的綠色環(huán)保特征使得eVTOL 尤為適于在城市及周邊地區(qū)飛行。

1.3.5 智能化程度高

隨著高精度導航、低延遲通信、智能化無人自動駕駛等技術的快速發(fā)展，eVTOL 在數(shù)字化、信息化、智能化方面具有傳統(tǒng)飛行器無法比擬的優(yōu)勢。各大企業(yè)已經在廣泛試驗遠程控制和自動駕駛技術，有望實現(xiàn)智能化集群自主飛行。集群無人eVTOL 將具有動態(tài)自愈合網絡、分布式集群智慧、分布式探測、自愈性和高效信息共享能力等諸多優(yōu)勢[22]。

2 eVTOL 航空醫(yī)療救援應用的可行性

航空醫(yī)療救援包括常態(tài)化的航空醫(yī)療救護和應急航空醫(yī)療救援。

常態(tài)化的航空醫(yī)療救護按救援任務發(fā)生階段的不同可分為院前急救和院間轉運。2019 年3 月和2022 年2 月，中國民用航空局和國家衛(wèi)生健康委員會先后聯(lián)合印發(fā)《航空醫(yī)療救護聯(lián)合試點工作實施方案》和《關于深化航空醫(yī)療救護聯(lián)合試點工作的通知》，明確截至2024 年底建立具有中國特色的航空醫(yī)療救護體系[23-24]。2020 年9 月，國家衛(wèi)生健康委員會等9 部委出臺的《關于進一步完善院前醫(yī)療急救服務的指導意見》中也提出，有條件的地區(qū)要積極開展航空醫(yī)療救護[25]。

應急航空醫(yī)療救援是航空應急救援的重要職能，是國家應急救援體系的重要組成部分。《國家突發(fā)公共事件醫(yī)療衛(wèi)生救援應急預案》要求：“迅速組織協(xié)調應急醫(yī)療隊伍趕赴現(xiàn)場，必要時建立戰(zhàn)地醫(yī)院或醫(yī)療點，實施現(xiàn)場救治。加強救護車、醫(yī)療器械、藥品和血漿的組織調度。根據需要分流重傷員，實施異地救治[26]?！薄秶业卣饝鳖A案》也指出：“及時赴現(xiàn)場開展醫(yī)療救治、疾病預防控制等衛(wèi)生應急工作。及時為受災地區(qū)提供藥品、器械等衛(wèi)生和醫(yī)療設備[27]?！焙娇蔗t(yī)療救援在突發(fā)事件應急處置中既能向受災區(qū)域運送醫(yī)護人員、儀器設備和藥品耗材等，也可以快速向安全區(qū)域醫(yī)療后送傷病員。

根據《航空醫(yī)療救護聯(lián)合試點工作實施方案》，醫(yī)療急救所使用的航空器、加改裝醫(yī)療設備應具備標準適航證，航空器加改裝后應通過適航審定方可使用，所有機載醫(yī)療設備裝置都應符合相關適航標準，并接受安全評審[23]。eVTOL 加裝生命體征監(jiān)護、呼吸、輸液等生命支持系統(tǒng)功能模塊[28]也必須符合相關法規(guī)的要求。下文將從4 個維度分析其改裝后應用于航空醫(yī)學救援領域的可行性。

2.1 從時間維度分析

根據時效救治原則，患者獲得有效救治時間應當越短越好[29]。根據2022 年度《中國城市交通報告》，我國城市最快通勤速度在30 km/h 左右[30]，eVTOL 速度可以實現(xiàn)該時速，同時通過對未來空中交通管理的航跡進行優(yōu)化[31]，可進一步提高時效性。

由于救援現(xiàn)場環(huán)境復雜，不確定因素較多，航空器應當有足夠的留空時間。目前eVTOL 飛行時間普遍可達到60 min 以上，部分機型可達180 min，可以滿足留空時長需求。在執(zhí)行應急救援任務時，大批量傷病員需要救治，因此需要考慮連續(xù)出動的問題。整個飛行周期的總時間（從接到調度中心的飛行任務指示起，到做好隨時可執(zhí)行下次起飛任務準備止，包括響應時間、總飛行時間、接駁傷病員時間、整備至能夠隨時再次出動的時間）應當越短越好，eVTOL 的信息化優(yōu)勢能夠提高響應敏捷性，大大壓縮全流程的總時間。

2.2 從空間維度分析

航空醫(yī)療救援的不同應用場景對航空器航程和飛行高度要求有所不同，原則上最小服務半徑應不低于同等環(huán)境內地面載具30 min 的行程，最大飛行高度不低于城市最高建筑的高度，因此航程應當不低于50 km，飛行高度不低于200 m。目前在研的eVTOL 主流航程為50～250 km，巡航飛行高度為200～600 m，能夠滿足要求。

2.3 從運送能力維度分析

航空器在搭載醫(yī)療器材的同時，至少應滿足搭載1 名坐姿醫(yī)護人員和1 名臥姿患者，載重能力在200 kg 以上為宜，目前eVTOL 載重普遍為200～500 kg，未來還有進一步提高的空間。

為應對批量傷病員的連續(xù)轉運，航行器不僅應當具備完成單機單次飛行任務的能力，還應當具備單機連續(xù)出動、多機編隊單次出動、多機編隊多波次隨機出動的能力。由于eVTOL 的智能化、自動化程度更高，未來將綜合運用先進通信和導航系統(tǒng)、先進航空交通管制系統(tǒng)[32]，利用深度學習技術進行航線規(guī)劃[33]，多機編隊能力和連續(xù)出動能力較傳統(tǒng)航行器具有明顯優(yōu)勢。

2.4 從安全性維度分析

在城市地區(qū)飛行的航空器，應當具有足夠高的安全性，原則上安全系數(shù)指標應當高于傳統(tǒng)直升機和固定翼飛機，即使發(fā)生故障，也需有足夠的冗余度以提高機上生存概率，同時盡量避免故障造成附帶損傷。eVTOL 正常運行時發(fā)生安全事故的概率為9.648×10-7，此數(shù)值低于傳統(tǒng)航空運輸風險閾值[34]。同時，借助先進傳感器和自動避障程序，將有效降低因操作失誤造成的飛行器損壞和傷及人身與建筑物的事故發(fā)生率[35]，部分eVTOL 還配備了整機降落傘，大幅提升了飛行安全性[36]。

3 eVTOL 航空醫(yī)療救援應用展望

直升機噪聲大、安全系數(shù)低，不適合在人口密集的城市上空運行；固定翼飛機需依托機場和航空指揮系統(tǒng)的支持，且只有在長距離空中轉運時才能發(fā)揮優(yōu)勢[37]。在城市及周邊半徑30～200 km 的范圍內，eVTOL 執(zhí)行1 000 m 以下低空領域的點對點中短程醫(yī)療救援任務具有廣闊前景。

3.1 補充完善院前醫(yī)療急救網絡

院前醫(yī)療急救網絡通過急救車輛連接急救中心（站點）與急救網絡醫(yī)院，形成城市10～15 min 和農村30 min 急救圈，少數(shù)地區(qū)在試點使用救護直升機[24]，努力實現(xiàn)城鄉(xiāng)1 h 航空醫(yī)療救援的目標。隨著當前城市交通擁堵情況的加重，救護車輛難以及時抵達現(xiàn)場，而城郊和農村地區(qū)的院前急救力量更加薄弱，不僅急救站點密度較低，而且就近急救網絡醫(yī)院救治能力較弱，難以對患者進行有效救治。

eVTOL 可以對現(xiàn)有院前醫(yī)療急救體系進行有效補充，多旋翼型eVTOL 的高安全穩(wěn)定性、高垂直懸停能力適合在城市內使用，其飛行速度比城市內地面交通快，飛行距離可以滿足半徑15～30 km 內的需求，通常急救站的平均覆蓋范圍是5 km，因此只需要在部分起降條件較好的站點部署eVTOL 即可覆蓋整個城市區(qū)域。在城市郊區(qū)的站點部署飛行半徑50～200 km、飛行速度250 km/h 的升力-巡航復合型或傾轉旋翼eVTOL，即足夠覆蓋城市郊區(qū)和附近農村地區(qū)，可確保在30～60 min 之內將患者轉送至救治能力較強的急救網絡醫(yī)院。

3.2 實現(xiàn)經濟快捷的院際轉運

為了獲得更適宜的醫(yī)療救治，危重癥患者可能需要在就醫(yī)機構之間進行轉運，擁有完善醫(yī)療設備的轉運平臺是安全運送患者的基礎[38]。目前的轉運模式是短途使用救護車，中途使用衛(wèi)生直升機，長途多使用經過醫(yī)療改裝的大型固定翼飛機。

eVTOL 比急救車速度快、舒適性好，比直升機安靜穩(wěn)定、經濟性好，因此可以使用多旋翼型eVTOL進行50 km 以內的短途轉運，使用復合翼型eVTOL 進行50～100 km 的轉運，使用載荷較大、航程較遠、改裝潛力大的傾轉旋翼型eVTOL 進行200 km 以上的轉運。同時也可使用小型自動無人駕駛eVTOL 在醫(yī)療機構之間快速運送血液、急需短缺藥品、器官等，可大幅提高效率和經濟性。

3.3 勝任靈活高效的應急醫(yī)療救援

在突發(fā)自然災害、事故災難、公共衛(wèi)生事件和社會安全事件時[39]，應急航空醫(yī)療救援能夠有效拯救生命。突發(fā)事件通常會造成道路交通受阻，最后一公里的末端救援往往是最大的挑戰(zhàn)之一?，F(xiàn)場與外圍醫(yī)療救援節(jié)點之間的交通運輸高度依賴垂直起降航空器。直升機運輸任務非常繁重，以我國目前直升機和飛行員儲備難以滿足大規(guī)模危機中巨大的運輸需求，而且現(xiàn)場空域必然非常擁擠，傳統(tǒng)空管模式難以有效應對。

eVTOL 更加靈活高效，可以承擔前送醫(yī)療人員、器械藥材[40]以及后送傷員等任務，每架次可以運送2～3 名傷員，采用自動或半自動模式飛行，既可在救援零散傷員時單機出動，也可在發(fā)現(xiàn)大批量傷員時以分布式集群的方式出動，實現(xiàn)超過單個航空器疊加的功能和效率[41]，具有更好的任務彈性，也可節(jié)省寶貴的直升機和飛行員資源。

4 結語

eVTOL 作為一種新概念航空器，擁有巨大的潛力和廣闊光明的應用前景。得益于新能源汽車、無人機等領域的技術進步和市場規(guī)模優(yōu)勢，我國eVTOL研發(fā)與世界先進水平同步，并且具有顯著的供應鏈優(yōu)勢，研發(fā)人員應當盡快開展針對實際場景的應用研究和實踐探索。航空醫(yī)療救援是重要的“空中生命線”，有著極為迫切的發(fā)展需求。隨著電池、電控、電動機、飛控等關鍵技術的進一步提升，配套技術及政策法規(guī)的逐步完善，eVTOL 一定能憑借優(yōu)異性能和獨特優(yōu)勢，在航空醫(yī)療救援中發(fā)揮出巨大的作用。