低空经济 | （二）eVTOL各部分技术概述
关联阅读低空经济 | （一）eVTOL简介
主要技术路线
多旋翼构型
特点：多旋翼构型的eVTOL没有机翼或只配有很短的机翼，依赖多个旋翼提供所有的升力和前行动力。这种构型在控制和飞机设计方面相对简单，因为它全程依赖旋翼的动力输出。
优势：技术风险低，研制难度较小，适合于技术成熟度较低的初期市场和特定应用场景，如低空旅游。
局限性：由于整个飞行阶段完全依赖旋翼，其空气阻力大，飞行速度较低，且飞行距离有限（通常航程小于100km，巡航速度在150km/h以内）。
复合翼构型
特点：复合翼eVTOL拥有完整的机翼和独立的旋翼，机翼和旋翼分别负责提供升力和巡航推力。这种构型在垂直起降和水平飞行阶段可以切换不同的飞行模式，使得飞机能在不同飞行阶段优化其性能。
优势：能在不同飞行阶段根据需要切换推力和升力来源，提高了飞行效率和灵活性。
局限性：两套独立系统的存在导致垂直升力在巡航阶段可能会闲置，不能达到最大化利用效率，技术难度和风险居中。
倾旋翼构型（矢量推力型）
特点：倾旋翼eVTOL结合了多旋翼和复合翼的优点。起飞阶段，旋翼像直升机一样提供升力；到了平飞阶段，旋翼可以向前倾转，转变为提供向前的推力。
优势：具有较大的动力输出和更长的飞行距离，同时保持较快的飞行速度和高载重比。例如，倾旋翼型的Joby S4的巡航速度可以达到322km/h，有效载荷也是三者中最高。
局限性：机械设计复杂，控制难度高，技术成本和维护成本也相对更高。
关键零部件
航空级电池
eVTOL对电池的要求极为严格，主要体现在以下几个方面：
高能量密度：航空级电池需要具备高能量密度以支持长时间飞行。目前的能量密度已达到285Wh/kg，预期2030年将达到500Wh/kg，2040年达到1000Wh/kg。
高倍率放电能力：eVTOL在起飞和着陆阶段需要极高的放电倍率，根据报告，起飞和着陆时的放电倍率分别约为4C和4.8C。
高安全性和快充能力：安全性是航空级电池的重中之重，同时，快速充电能力对于提高运营效率也至关重要。
电池技术的挑战与发展：
电池成本：电池是eVTOL中单项成本最高的部件，其成本和寿命对整体运营成本有决定性影响。电池成本降低1%，运营商的利润可以增加3%；电池寿命延长1%，运营利润将增加2%。
轻量化：电池重量大约占eVTOL空机重量的1/3，电池的轻量化可以显著增加航程并实现成本降低。
未来技术的展望：
固态电池和超级电容器：固态电池被认为是提升能量密度和安全性的未来技术。报告中提到，美国国家航天局（NASA）认为支持小型飞机市场扩张的电池能量密度需达到500Wh/kg。固态电池可以显著提高航空级电池的能量密度，同时在安全性和循环寿命方面也有所提升。此外，超级电容器具有出色的功率密度和快速充放电能力，通过与电池系统配合使用，可以提供起降过程所需的瞬变功率。
行业应用与合作：
国内企业的参与：宁德时代、正力新能、孚能科技等国内领先的锂电企业已经在航空级电池产品上做出了前瞻性布局。例如，宁德时代的电池能量密度已突破500Wh/kg，并与中国商飞和上海交大成立了合资公司。
电推进系统
电推进系统主要由两个部分组成：
动力产生装置：通常为螺旋桨或涵道式风扇，负责产生推力。
驱动电机系统：包括电机和电机驱动器，负责将电能转化为机械能，驱动动力产生装置工作。
电推进技术的特点：
分布式电推进（DEP）技术：这是一种利用电力驱动多个推进器的技术，可以显著提高飞机的气动效率、载运能力和环保性（例如降低噪音）。DEP技术的应用使得eVTOL的构型突破了传统架构的限制，使飞行器即使在较小的能量密度下也具备一定的使用价值。
永磁同步电机：由于eVTOL对电机效率和转矩密度的高要求，永磁同步电机成为首选。相比于直流电机和感应电机，永磁同步电机具有更高的功率密度、广泛的调速范围和较大的电磁转矩。这些特性使其非常适合于eVTOL在起飞和着陆阶段的动力需求。
技术优势与应用：
结构简化和可靠性提高：电推进系统可以设计为直驱方式，取消传统的齿轮机构，从而简化推进系统的结构并提高可靠性。
轻量化方案：采用高速电机和减速器的方案可以减轻电机系统的重量，有助于提高整体飞行器的性能和效率。
高压大功率电机的发展：
宽禁带功率器件：为了应对高压大功率需求，新一代宽禁带功率器件如SiC（碳化硅）模块逐渐取代传统功率器件。这些高性能的功率器件可以支持电机系统在高频大功率操作中的需要，进一步提高电推进系统的效率和响应速度。
未来的挑战与机遇:
尽管电推进系统为eVTOL带来了诸多优势，但其技术的复杂性和成本仍是需要克服的主要挑战。电机和驱动系统的进一步优化、高效的能量管理策略、以及更高性能的材料技术将是未来研发的重点领域。
航电飞控系统
航电飞控系统负责飞行器的稳定控制和航迹管理，具体功能包括：
自动驾驶：代替飞行员操作，实现全面或部分的飞行控制。
增强操控性和稳定性：通过精准的动力和机械控制，提高飞行器的响应性和安全性。
自动导航和自动降落：根据预设航线自动飞行，实现精确着陆。
地形跟踪和飞行中自动调整机翼负荷分布：根据地形变化自动调整飞行高度和机翼负载，优化飞行性能。
精准定位和编队飞行：实现多架飞行器的精确定位和编队协同飞行。
航电飞控系统的组成：
电源模块：为整个飞控系统提供稳定的电力支持。
检测模块：包括惯性测量单元(IMU)、电子罗盘、气压计等，提供飞行器的实时姿态和环境数据。
控制模块：中央控制单元处理检测到的数据，并生成控制信号。
驱动模块：根据控制模块的指令控制各旋翼或螺旋桨的转速，实现精确的飞行动作。
市场和技术发展：
市场集中度：全球飞控系统市场集中度较高，关键技术掌握在少数几家大型航电公司手中，如Honeywell, Collins, Garmin, Thales和BAE等。
开源平台与定制化：许多工业级飞控产品基于开源平台如PX4或Ardupilot开发，可针对特定需求进行定制化开发。
适航安全和智能操控：全球诸如CAAC、FAA、EASA和ICAO等官方机构对航电飞控系统的安全性和智能化提出了高标准的要求。
国内市场的发展：
近年来，随着民用航空市场的发展，国内新兴的飞控系统供应商也开始涌现，如狮尾指能、边界智控、创衡控制等。这些新兴企业提供的产品在性价比上具有优势，逐渐形成与传统老牌飞控系统供应商的竞争格局。
未来挑战与机遇：
航电飞控系统的未来发展面临多方面的挑战，包括提高系统的智能化程度、增强系统的适应性和鲁棒性、以及满足更高的安全标准。同时，随着技术的进步和市场的需求增长，航电飞控系统将持续发展，特别是在提升自动化和网络化能力方面有很大的发展空间。
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