eVTOL：让电动梦想成为安全之梦

贺兰石

数百家初创公司押注电动航空，希望能给乘客提供安全、负担得起的城市空中交通服务。但验证其垂直起飞架构的适航性面临着一些严峻的挑战。
1977年5月，一个周一的晚上，纽约航空的一架通勤直升机在曼哈顿59层高的泛美大厦上搭载乘客时，直升机的一侧起落架倒塌。旋转的旋翼击中了旁观者和等待登机的乘客，导致4人遇难。此外还杀死一个街区外地面上等待公交车的女乘客——她被旋转的旋翼碎片击中。
这场惨烈的事故导致泛美大厦的直升机场被永久性关闭，但其更深远的意义影响至今，这表明在人口稠密的城市运营直升机（拥有强大的高能旋转部件）存在巨大的安全风险。
直升机在城市空中交通运营的经济性研究显示，商业模式往往需要直升机以高飞行量运行，这增加了拥挤的城市空域发生事故的可能性，直升机的旋翼叶片硬度很高，速度也很快，每一片都像高速飞行的“匕首”。

航空业曾尝试通过直升机提供空中出租车的服务，但都失败了。历史告诉我们一些关于旋翼机空中的士服务规模经济的重要知识。
而现在至少有100家充满活力的初创公司对这个领域再度发起挑战，这让城市空中交通工具在未来几年内变得可行，而且它们可能比传统直升机更安全、更安静和更环保，这主要归功于垂直起降飞行器的设计、动力和驱动方式的转变。
随着分布式电力推进方式的出现，未来空中出租车和其他形式的城市空中交通将不再需要单个巨大的高能涡轮驱动旋翼盘和尾桨来抵消由此产生的扭矩并确保稳定性，这种新兴的锂电池供电电动垂直起降飞机（eVTOL）将更轻，由小型电动机驱动的旋翼推动，这些旋翼位于机身周围，共同提供升力、推力和矢量控制。
泛美航空大楼顶上发生的事故不会造成太大的人员伤亡，因为不会有巨大的旋翼飞向旁观者或冲向下方的行人。而且，这些 eVTOL 设计的控制架构可能会让此类事故发生的可能性更小。

这里没有一刀切的方案：eVTOL 概念适用于各种飞机设计，这些飞机带有旋翼或涵道风扇，推进器数量从6个到36个不等。每种设计都可以适应不同的任务。
一些开发eVTOL技术的公司正受到投资者的热烈关注，尤其是来自特殊目的收购公司，这些公司没有商业运营，存在的唯一目的是通过首次公开募股筹集资金。筹集的资金随后用于收购目标公司，并为其提供资金开发产品。
推动这种兴趣的部分原因是分析师令人难以置信的财务预测。例如，投资银行摩根士丹利预测，到2040年，全球eVTOL/城市空中交通市场价值将达到1万亿美元，到2050年将达到9 万亿美元。管理咨询公司麦肯锡预计，到2028年，全球UAM公司将需要雇佣和培训60000 名eVTOL飞行员。
值得注意的是：在eVTOL市场起飞之前，制造商需要克服重重困难，获得美国联邦航空管理局、欧洲航空安全局和英国民航局等监管机构的适航安全认证。

由于设计电动垂直起降飞机的方法有很多，而且其中的一些组件对于航空业来说是相当新的，例如高功率锂电池组、电动机和电动推进器/机翼倾斜机构。许多以前都没有在安全关键的空中应用中飞行过，因此适航认证可能比普通飞机更困难。
分布式电力推进是一个好主意，一个绝妙的概念，但要达到成熟应用的层面却很难，尤其是认证过程将会很漫长而且成本高昂。
但支持者表示，提高安全性应该被视为大多数eVTOL几乎天生的特性。
Whisper Aero公司的创始人兼首席执行官、航空工程师马克·摩尔表示，通过在机身上的多个推进器上分配升力和推力，eVTOL制造商能提供直升机所缺乏的一个关键安全功能：推进器冗余。摩尔在弗吉尼亚州NASA兰利研究中心工作了 30 年，率先提出了分布式电力推进的概念，然后又花了四年时间在Uber Elevate推广eVTOL概念，该公司于12月被Joby Aviation收购。

例如，在六旋翼或八旋翼的eVTOL上，如果因电机或齿轮故障或鸟击而失去推进器，将为飞机留下足够的升力余量，使其能够继续安全着陆。正如一些eVTOL供应商所提议的那样，对于具有多达18或36个推进器的设计来说，情况更是如此。
摩尔说：“绝大多数直升机都是单发或双发动机驱动，所以这很关键。直升机有各种不同的飞行关键部件，如果其中任何一个出现故障，比如尾桨，它就无法飞行。”虽然直升机的旋翼可以在没有发动机动力的情况下下自动旋转并紧急着陆，但飞行员无法选择降落地点，而 eVTOL 由于有冗余，则有更多选择。
他说，除了这种基本的、内在的安全贡献之外，与复杂的涡轮机和往复式发动机相比，电动机的完全简单性也提供了安全性。“eVTOL的真正魅力在于这些电动机非常紧凑、极其可靠、只有一个移动部件并且效率惊人。一旦你使用它们来分配推进力。一旦你用它们来分配推进力，你就可以非常非常好地在飞机上分配推力和控制力。”
摩尔说：“这改变了飞机设计的规则。”

这些规则是如何改变的？eVTOL飞机的四种主要架构解决了旋翼布置、推进方式和其他因素，使这一点更加突出。
这些结构中的每一种都可以以多种方式变化，可能是通过增加升力面，或在机翼上安装更多的推进器，或者使用开放式旋翼、倾转旋翼和涵道风扇的组合。
这些架构的支持者如何确保安全性的呢？
德国卡尔斯鲁厄的Volocopter公司采用了其中两种格式。在威斯康星州举行的EAA Airventure展会上，该公司驾驶了Volocopter 2X，这是其计划中的VoloCity eVTOL的原型，是一款航程35公里的双座18旋翼多旋翼飞机（采用当今的电池技术）。该公司的带翼VoloConnect飞机仍处于概念阶段，将采用四座升降巡航eVTOL，航程100公里，由六个升降旋翼和尾部两侧的两个管道风扇推动，将其向前推进。
Volocopter的首席风险和认证官奥利弗·莱因哈特表示，尽管eVTOL是一种新型飞行器，但其设计中的所有类型的部件都有可认证的标准，无论是电机、机载电子设备还是安全关键飞行软件。例如，他说，尽管VoloCity的电机设计在尺寸、形状和电气特性上有所不同，但目前在某些电动轻型飞机（如 Pipistrel）上使用的电动机的认证要求适用于VoloCity的版本。

莱因哈特提到：“我们需要满足的通用要求和安全级别有很多共性。”
Volocopter为其VoloConnect eVTOL选择了升力和巡航设计，而不是矢量推力设计，部分原因是美国军方在V-22鱼鹰倾转旋翼方面的经验。也许最臭名昭著的是，1992年，一架鱼鹰飞机在华盛顿特区南部的波托马克河上坠毁，当时据报道，贵宾们聚集在一起观看新飞机首次降落在华盛顿特区。机上7人全部遇难。
莱因哈特表示：“当你回顾鱼鹰的历史时，你会发现军事认证的开发始于 20 世纪 80 年代的某个时候。但从那时起，没有制造商能够获得任何倾转旋翼机或倾转翼设计的民用型号证书。将此类技术用于民用eVTOL可能会使获得认证“极其复杂”。”
然而，垂直航空公司正在为其VA-X4（一种带翼、八旋翼、航程160公里的eVTOL）采用基于倾转旋翼的推力矢量设计。VA-X4 将在机翼后方配备四个升力旋翼，但在机翼前部配备四个可倾斜的推进器，可从垂直飞行转换为水平飞行，罗罗公司提供发动机，霍尼韦尔提供电传操纵控制系统。

一架光滑的黑色多螺旋桨垂直eVTOL飞机停在混凝土跑道上，尾翼上有一个鸟的标志。
垂直航空公司的认证负责人保罗·哈珀说，该公司很早就拒绝了直升巡航设计，因为“垂直起飞和着陆部分显然仅在起飞和着陆时使用。因此，在剩下的飞行过程中，你要拖着沉重的自重。我们需要尽量减少飞机上纯垂直起降设备的数量。前部的倾斜旋翼让我们能够做到这一点。它们通过提供前向巡航推力来增加飞机重量。这增加了一些复杂性，但可以显著减轻重量”。
哈珀说，垂直航空公司并不担心鱼鹰在军事领域的记录。“归根结底，倾斜系统是一个致动系统，现有的[商用]飞机上有安全关键的致动器，比如电梯上的致动器。我们只需要确保单个致动器故障的后果对飞机是无害的。”
在加利福尼亚州圣克鲁斯的Joby Aviation，eVTOL 架构的选择避开了 Vertical Aerospace 的后排仅升力推进器；它是一台完全推力矢量机器，其所有六个推进器均可倾斜，以实现从升力到推力（反之亦然）的转换。
Joby的首席试飞员贾斯汀·潘恩斯表示，在确定配置之前，他们“分析和测试了许多配置，包括建造和测试各种小型飞机”。

他说，十年来，Joby证明适航性的道路一直建立在与FAA协商的工程“可认证解决方案”的基础上。作为一名前“鹞式”跳跃式喷气式飞机飞行员，以及曾在X-35攻击战斗机和F-35人机界面上工作的人，简化Joby eVTOL的控制是潘恩斯的一个关键目标。他说：“通过使飞机易于飞行，我们可以降低飞行员的工作量，从而减少飞行员的失误”。
但像大多数其他eVTOL制造商一样，潘恩斯表示Joby并不急于实现自动驾驶。他提到：“Joby 飞机的当前设计旨在由飞行员驾驶，电传飞行等功能增强了操作安全性。显然，未来几年自动化和自主性的提高具有巨大潜力，Joby 正在采取分阶段的方法来实现这一最终目标。”
摩尔也认为，自动驾驶还有很长的路要走——“要实现完全自主的 eVTOL 能力，这将是一个缓慢的演变过程。我相信这还需要 10 年时间。”
衡量公众对UAM的接受程度
欧盟航空安全局聘请咨询公司麦肯锡公司就社会对城市空中交通运营的接受程度进行研究。该公司在2020年11月至2021年4月期间对欧洲六个城市的3690人进行了调查。最令人担忧的是安全、环境影响、噪音和安保。
在其他主要发现中，64% 的人表示他们很可能会或非常有可能尝试送货无人机，49% 的人表示他们很可能会或非常有可能尝试空中出租车。
受访者表示，他们更倾向于有人驾驶城市空中交通工具，而不是无人驾驶。

EVTOL认证面临的挑战

尽管eVTOL制造商普遍持乐观态度，但 Uber Elevate 前安全主管雅采克·卡韦茨基表示：eVTOL认证仍有许多具有挑战性的方面。
卡韦茨基说：“一个是了解如何认证锂离子电池；了解它们的寿命有点困难。但当监管机构不确定时，他们往往会为了公共安全的利益而更加保守地思考。随着时间的推移，他们将了解如何更好地限定这些未知数。”
Volocopter的莱因哈特表示，eVTOL认证也存在跨大西洋的症结。欧洲航空安全局希望所有eVTOL都能获得与全球商用客机相同的安全级别认证，即每10亿飞行小时就有一次灾难性事件（概率为10-9）。
但美国联邦航空管理局正在考虑允许带有机翼的电动垂直起降飞机（eVTOL）在巡航飞行中提高能源效率，并且可以用来在断电后滑翔至安全着陆，认证概率为 10-7，或者每1000万飞行小时发生一次灾难性事件，与轻型飞机必须遵守的标准相同，而不是客机。

但Volocopter并不认为FAA允许UAM发生100倍灾难性故障的逻辑。莱因哈特表示：“对于我们都希望在空中飞行的大量 eVTOL 飞行器来说，这毫无意义”。他希望EASA的10-9概率能够在全球范围内适用于eVTOL。
考虑到泛美航空大厦的灾难，同意提高可接受事故限制的门槛可能是监管机构能做的最好的事情。eVTOL社区的每个人都知道，如果他们的新型电动飞机再次发生那场悲剧，那么UAM行业将陷入困境。
5月，摩根士丹利在其最新的UAM行业分析中警告称，eVTOL公司的营销材料与纽约航空公司1962年宣传其通勤直升机服务的方式非常相似。eVTOL行业和监管机构必须表明，这一次，情况将有所不同。