eVTOL的技术挑战(上篇)
近些年，电动垂直起降航空器设计百花齐放，发展前景广阔，分析其面临的技术挑战，对推动电动垂直起降航空器的设计优化、技术迭代、数据积累和性能升级有所裨益。
近年来，新能源汽车产业的发展极大地带动了电储能和电驱动相关技术的进步，航空器的设计也摆脱了传统集中式动力系统对飞行器设计的约束，采用分布式电驱动系统的航空器得到了快速的发展。其中电动垂直起降航空器(eVTOL)作为一种短期内(5~8年左右)可实现且具备相对明确商业应用场景的产品，得到资本的追捧，产品设计呈现出百花齐放的状态。
根据美国垂直飞行协会的统计，截止2024年4月22日，其收录的全球范围内的eVTOL概念设计超过了1000个，研发公司超过 400 家。作为对比，其最初于2017年4月推出这项统计时，只有18个eVTOL 项目。
中国国内虽然个别企业进入eVTOL行业的时间较早，但整体行业进入快速发展期也只是近几年的事，尤其是低空经济被写入政府工作报告，以及2023年11月四部委联合印发的《绿色航空制造业发展纲要》引发了行业对 eVTOL大规模商业应用前景的期待，从而吹响了行业发展的“冲锋号”。鉴于 eVTOL 的广阔应用前景，本文将从产品构型选择、电动力系统、操纵方式、适航4个角度对这类产品面临的技术挑战进行分析。
本篇为上篇，将包含构型选择和电动力系统的相关内容。
构型选择
eVTOL大多采用“电池+电机”的动力输出方式，布局构型种类非常多样化。麻省理工大学(MIT)发布的《WorldWide eVTOL》报告中，按来源/直接力的方式大致将当前主要的构型分为4类，即多旋翼构型(无升力机翼)、组合翼非倾转构型(固定升力螺旋桨+巡航升力机翼+推进螺旋桨)、组合翼倾转构型(可倾转螺旋桨+巡航升力机翼)及全倾转机翼构型。
多旋翼构型
多旋翼构型完全靠多旋翼(螺旋桨)产生升力，悬停效率最高，运行姿态的调整依靠不同螺旋桨的转速或桨距调控来实现。因该构型没有机翼提供巡航升力，导致其巡航效率较差，航程及商载能力不及其它构型，但该构型适用于需要频繁起降的城市内人员/物资运输(短途)，是行业早期发展采用较多的构型，其飞行动力学及控制模型与我国发展较好的多旋翼小型无人机非常相似，也是国内企业最早完成取证的 eVTOL构型。
升力+巡航构型
为了弥补多旋翼构型的天然不足，此构型增加了机翼及推进/拉动式螺旋桨，在起降/悬停阶段使用螺旋桨产生升力，在巡航阶段使用机翼产生升力(巡航阶段螺旋桨不产生升力)，利用飞机尾部的推进式螺旋桨产生推力。该构型虽然解决了多旋翼构型完全依赖螺旋桨提供升力的缺点，但在巡航阶段其螺旋桨不产生任何有利作用，还额外带来了无效重量及阻力;另一方面，对于需要频繁起降、巡航距离较短的城市运行场景，其提供升力的机翼的有效工作时间较短反而成为整机的“无效重量”。整体上该构型的速度、航程及商载相对多旋翼构型有一定的提升，能够兼顾的运行场景更广泛。
倾转翼构型
为了解决升力+巡航构型在巡航阶段升力螺旋桨作为无效重量的缺点，倾转翼构型将提供固定升力的螺旋桨改为矢量推力/拉力螺旋桨结构，即通过倾转结构将螺旋桨提供固定方向的推力/拉力改变为受控可变方向上的推力/拉力，从而在起降/悬停阶段螺旋桨提供升力,在巡航阶段提供航向上的拉力/推力。在起降/悬停向巡航过渡的阶段，需要用复杂的控制力来确保螺旋桨提供的矢量推力/拉力能够同时兼顾升力/巡航推力的要求。当然，倾转结构本身也会给飞行器带来额外的结构重量及可靠性的降低。目前，倾转翼构型是行业的主流构型，其速度、航程及商载性能较前两种构型有所提高。
涵道式风扇构型
涵道式风扇构型同样使用了矢量推力技术，与倾转翼构型相比，该构型使用了涵道式风扇(涵道式电动矢量推力)，减少了倾转机构。该构型的代表型号是德国的百合(lilium)公司，其将数量众多的小型涵道式风扇并排集成在机翼后段襟翼结构中，通过襟翼整体绕安装轴的转动实现推力的天量化。该构型的倾转结构数量较倾转翼构型进一步减少，以实现减雷的目的，但采用涵道式风扇在减少噪声、提高推力的同时增加了结构重量及复杂程度。目前采用该构型的型号较少。
综上，由于 evtol行业还处于发展初期、各厂商对于各自产品披露的数据非常有限，且产品并未投入运行，缺少真实数据开展分析，因此只能针对构型选择开展定性分析。
确认构型作为任何一种航空器开展研发所面临的首要任务，并没有绝对好坏之分，这一点对于eVTOL，这一类全新的且缺少实际运行检验的航空器更是如此。选择哪一种构型的主要依据应当是市场运行场景的需求，当然性能更好(主要是速度、航程、商载这三项指标)意味着能够覆盖更多的运行场录(包括未知的、可想象的运行场景 )，成功的可能性会更高一些，但也意味着技术更加复杂、研制难度更大，整机研制及制造成本更高。
电动力系统
eVTOL 是新能源汽车行业技术外溢的“受益者”,但其对电动力系统电(电池、电机、电控)”的要求与汽车行业差别极大，无法直接采用现有汽车行业相关解决方案。全球范围内没有针对eVTOL 电动力系统成熟的整体解决方案尤其是eVTOL构型种类众多，每款产品因其分布式电推力的数量、布置位置等因素的不同，对电动力系统的具体要求也有较大差别，本文重点从电机及电池两个方面进行分析。
电机方面
仅从电机来看，行业内已经出现过不少eVTOL 研制企业因缺少适用的电机而被迫修改构型方案的案例。电机方面，目前面临的挑战主要是尺寸/重量和输出功率密度两方面的问题。
从全球范围看，目前尚无已经取证的货架产品(赛峰集团ENGINeUS 系列中的100~150kW产品计划于2024年完成EASA 认证)，所有在研型号所采用的电机只能在自研或委托供应商定制化开发两种方式上选择。
具体来说，自研面临技术跨界大、成本投入高的问题，而定制化开发则面临与供应商“磨合/配合”问题，即整机企业希望电机配套“一步到位”但自身又缺乏足够的订单来摊销电机的研制费，而且不同整机企业对电机的要求又存在一定程度的差异，这导致供应商面临“选择困境”，因为在行业发展初期很难判断哪种产品未来量产可能性更大。
唯一的选择就是开发能够涵盖某一性能范围的基础版本，但未来 3~5年内必将面临众多批次、极小批量交付的窘境。
此外，配套电机的研制成本在 eVTOL, 未能量产运营的背景下，由谁进行先期投入以及投人如何摊销这两个问题已经成为行业发展存在不确定性的根源。换句话来说，资金充足的整机企业自己开发电机仅供自己用(或者直接收购电机研制企业/团队)，资金不足的则只能寄期望于供应商对自己的“大力”支持了，这将导致当前超 1000 项的eVTOL概念设计未来必将因为缺乏适合的电机货架产品(当然也包括其它因素而极大缩减。因此，未来可以预见的是因电机配套问题，行业中eVTOL构型将针对不同的运行场景趋同，甚至集中于某一两种构型。
目前，eVTOL 行业头部企业乔比的电机采用自研模式，其S4(量产型)单个电机的峰值功率236kW，双绕组电机+电调(电机自身的控制器)重量为28kg，估算最大功重比达到8.4kW/kg全机6个电机，而同类能够实现1+4布局的 eVTOL的电机数量通常在8~12个，甚至更多(当然也受构型的影响):另一家行业头部企业“弓箭手”，其来用的电机重量为25kg，值功率为125kW，峰值功重比 5kW/kg。
电池方面
国际期刊《焦耳》(Joule)发表的篇论文《eVTOL飞行器电池的挑战和关键需求 》，对eVTOL 电池面临的挑战进行了详细分析，其认为eVTOL使用电池面临的应用场景具备以下3个特征，即充电时间小于乘客换乘时间(5-10min)、充电电量满足下一次飞行任务的需求以及循环寿命较长
该文章在一定假设条件下对 eVTOL及新能源汽车对电池的要求进行了定量分析，计算出 eVTOL电池的平均放电倍率、峰值输出时长、等效全循环次数、快速充电的频率、安全性等级5个方面与车用电源的区别(如图2)，具体来说:
从放电倍率来看，eVTOL对电池的平均放电倍率(在规定时间内充进/放出其额定容量时所需要的电流值，在数值上等于电池额定容量的倍数)的要求远高于电动汽车对电池的要求。eVTOL采用能量密度 200Wh/kg 的电池时，其巡航时放电倍率估算值为0.75~15C，悬停时为 25~4.5C，在执行80km 距离的任务下的平均放电倍率约为 1C。
作为对比，特斯拉 Model3汽车的电池平均放电倍率在高速公路上约为03C，在城市中约为0.1C。考虑到放电倍率越大，电池可输出的能量越少(高功率输出下的“底部”电量实际是不可用的，因为无法按照要求的放电倍率放电)。因此保持高平均放电倍率意味着同样能量密度的电池对于 eVTOL 来说其可用的有效“能量”要大幅小于同样应用于电动汽车可用的有效“能量”。
从峰值输出持续时长来看，eVTOL在起飞、悬停、降落时均需要使用峰值输出功率，在上文提到的假设情况下，eVTOL的峰值功率持续时间在30~120秒(不同的构型有所差异 )，而同等情况下电动汽车的峰值功率持续时间为 10 秒。
从快速充电的要求来看，eVTOL主要在地面交通高峰时段运营，因此快速充电能力对eVTOL意义重大。通常eVTOL,每次换乘时间间隔为5~10min，因此电池应当具备在这一时间内快速充电的能力且所充入电量应当能够至少确保完成下一次任务(通常在50-100km)。
从年度等效全循环数(EFC)而言，高频次的快速充电需要电池具备较长的循环寿命。据估算，eVTOL每年运行1600h的情况下，相当于能量密度为200Wh/kg电池的1600次EFC而采用同样电池的新能源汽车EPC为45(假设条件是基于美国人年均驾驶13476mile/337h、平均速度40miie/h,驾驶续航里程为 300mile 的新能源汽车)按照年 1600EFC的标准，折算成当前特斯拉 Model3汽车所采用的电池，意味着eVTOL 3~5个月就必须更换电池，成本无疑是巨大且不可接受的。
从电池能量密度来看，目前汽车行业电池的能量密度最高水平(试验室环境下)已达到500Wh/kg(电芯)这一量级，按照集成效率70%~80%估算电池包的能量密度，将至少超过 350 Wh/kg，这极大地增强了eVTOL,行业的信心。
但eVTOL属于航空飞行器，其电池系统需要达到航空级的安全性,当前(2~3年内)可用电芯的能量密度的巅峰仍将停留在300~350Wh/kg这一最高水平。因为方面试验室环境下的高能量密度电芯在安全性、EFC等方面还不具备实用性;另一方面，固态/半固态电池(因其在安全性、能量密度和功率密度方面的潜在优势，被认为未来最有可能成为主流的电池)这一能量密度上限更高的产品已经靠汽车产业实现了有限的突破，但距离航空领域要求实现大规模量产尚待时日。
整体上对于eVTOL整机制造商而言，还需继续等待可直接用于航空且同时满足高放电倍率、高功率长时间持续输出、可快速充电和长寿命的电池货架产品。
来源：《国际航空》2024.5
作者：么森 中航通用飞机有限责任公司
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