eVTOL 飞机简介

垂直起降电动飞机 (eVTOL) 代表了航空技术的根本性转变，它们有望彻底改变城市交通、缓解道路交通压力并减少传统航空对环境的影响。

这些创新飞机的设计将电力推进的效率与垂直起飞和着陆的能力结合起来，使它们能够在可用空间有限且传统跑道不实用的城市环境中运行。

eVTOL 简史

eVTOL 的想法可以追溯到 20 世纪中叶，当时开发了实验飞机，例如 Hawker Siddeley Harrier（一种 20 世纪 60 年代制造的喷气动力 VTOL 飞机）。然而，这些早期模型不是电动的。在电力推进和电池技术的进步以及对可持续城市交通解决方案日益增长的需求的推动下，现代 eVTOL 运动在 2010 年代开始势头强劲。

eVTOL 领域第一个重要的里程碑之一是 Joby Aviation 和 Volocopter 等公司的成立，这些公司开始开发电动 VTOL 原型机。过去十年，众多初创公司和老牌航空航天公司纷纷进入市场，加速了 eVTOL 技术的开发和商业化。

eVTOL 飞机的工作原理

电力驱动

eVTOL 技术的核心是电力推进，由电池或其他电能来源的电机提供动力。这与使用内燃机的传统飞机形成鲜明对比。电动机具有许多优点，例如噪音水平更低、排放更少和效率更高。 eVTOL 的电动传动系统通常由电池组、电动机和控制能量分配的电力电子设备组成。

垂直起飞和降落

eVTOL 飞机设计为垂直起降，类似于直升机。这种能力是通过各种旋翼、涵道螺旋桨或倾转旋翼配置来实现的。垂直升力通常由分布在飞机周围的多个旋翼产生，这些旋翼可以倾斜或调整以从垂直飞行过渡到水平飞行。在起飞和着陆期间，旋翼被定位以产生垂直推力；在巡航期间，它们可以倾斜以产生向前的推力和升力。

自主和试点操作

许多 eVTOL 设计都配备了先进的航空电子设备和自主飞行系统，以提高安全性和运营效率。自主飞行技术使这些飞机能够在最少的人为干预下运行，从而减少人为错误的可能性。然而，一些电动垂直起降飞机还设计为远程驾驶或由机载飞行员驾驶，以实现灵活的操作并确保遵守适用的航空法规。

不同类型的 eVTOL

eVTOL 市场多种多样，提供多种针对特定用例和操作环境量身定制的设计和配置。这些构造大致可以分为以下几种类型：

• 多旋翼 eVTOL（多旋翼飞行器）
• 升降巡航 eVTOL
• 倾转旋翼和倾转翼 eVTOL
• 具有推力矢量的 eVTOL

让我们仔细看看这些类型：

多旋翼 eVTOL

多旋翼电动垂直起降飞机类似于具有多个旋翼（通常为四到八个）的大型无人机，可提供升力和推力。这些飞机以其简单、稳定和良好的可控性而闻名。它们非常适合城市空中交通 (UAM) 领域的短途应用，例如B. 用于空中出租车和送货无人机。例如 Volocopter 2X 和 EHang 216。

升降巡航 eVTOL

升力巡航电动垂直起降飞机使用单独的旋翼或螺旋桨进行垂直升力和水平巡航飞行。这种配置可在不同的飞行阶段实现最佳性能。垂直升力由起飞和着陆时使用的旋翼提供，而巡航期间的向前推力由固定翼螺旋桨产生。 Joby Aviation S4 是升降巡航电动垂直起降飞机的一个杰出例子。

倾转旋翼和倾转翼 eVTOL

倾转旋翼和倾转翼电动垂直起降飞机具有可以倾斜或旋转的旋翼或机翼，以在垂直和水平飞行模式之间切换。在倾转旋翼设计中，旋翼连接到旋转短舱，以便它们可以在起飞和着陆期间提供垂直升力，并在巡航飞行期间提供向前推力。然而，对于倾斜窗扇，带有转子的整个窗扇可以旋转。这些配置提供高巡航速度和航程。例子包括 Lilium Jet 和 Bell Nexus。

具有推力矢量的 eVTOL

推力矢量电动垂直起降飞机使用固定翼和旋翼或风扇的组合，这些旋翼或风扇可以倾斜以产生垂直升力和向前推力。这种设计允许高效的巡航飞行并提供改进的机动性。推力矢量系统可能更复杂，但在性能和范围方面具有优势。 Archer Aviation Maker 就是带有推力矢量的 eVTOL 的一个例子。

推力矢量 eVTOL 专为高效垂直和向前飞行而设计，凭借其时尚的设计和倾斜旋翼，成为先进 eVTOL 技术的典范

eVTOL 的测试和认证

eVTOL 飞机的测试和认证是一个严格的过程，可确保安全性、可靠性和法规遵从性。测试阶段通常包括几个重要步骤：

eVTOL 飞机严格的测试和认证流程可确保安全性、可靠性和法规合规性

开发和原型设计

在开发阶段，将创建原型并进行初始测试，以验证 eVTOL 飞机的设计和性能。该阶段包括广泛的计算机模拟、风洞测试和创建小型模型，以优化飞机的空气动力学、推进力和结构完整性。

在开发过程中，工程师使用原型、模拟和测试来验证和优化 eVTOL 的设计和性能

地面测试

在地面测试期间，飞机的系统和组件在飞机不离开地面的情况下进行测试。测试包括电力推进系统、航空电子设备、控制系统和电池的测试，确保所有系统正常运行并能够承受飞行过程中的压力和条件。

在地面测试期间，将对 eVTOL 的系统（包括推进系统、航空电子设备、控制系统和电池）进行评估，以确保其在飞行前的功能和可靠性

飞行测试

飞行测试将分几个阶段进行，从低空和低速飞行开始，然后逐渐进展到更复杂和要求更高的飞行条件。在飞行测试期间，工程师评估 eVTOL 的性能、稳定性、可操作性和安全特性。从这些测试中收集的数据用于优化设计并解决任何问题。

飞行测试旨在评估eVTOL的性能、稳定性、机动性和安全性，收集的数据用于优化设计

电气系统测试

测试 eVTOL 飞机的电气系统涉及众多严格的程序，以确保安全性、可靠性和性能。电动机、逆变器和电池等组件均经过测试。下面您将看到此类测试的典型过程的概述：

电动机

台架测试：

性能测试： 发动机在测功机上进行测试，以测量扭矩、速度、效率和输出功率等性能参数。
热测试： 对电机进行热循环，以评估其在不同温度下的性能并识别潜在的过热问题。

可靠性测试：

耐久性测试： 发动机在负载下长时间运行，以评估其寿命并识别潜在的磨损问题。
振动测试： 发动机经过振动测试，以模拟真实的操作条件并验证结构完整性。

环境测试：

潮湿和腐蚀测试： 发动机暴露在潮湿和腐蚀性环境中，以评估其对环境影响的抵抗力。
海拔测试： 发动机在各种海拔条件下进行测试，以确保一致的性能。

逆变器

功能测试：

电力转换效率： 测试逆变器将直流电转换为交流电的效率，反之亦然。
开关性能： 测试开关行为和响应时间以确保有效的功率调制。

热管理测试：

散热： 逆变器经过测试，确保在各种负载条件下都能有效散热。
热循环： 逆变器经过反复的热循环，以测试热稳定性和可靠性。

安全检查：

短路测试： 模拟短路情况来测试逆变器的保护机制。
过载测试 ：在超出额定容量的情况下运行逆变器可确保它们能够安全地处理过载情况。

电池

性能测试：

容量和能量密度： 测量电池的容量和能量密度，以确保其符合设计规格。
充电/放电循环： 重复充电和放电以评估电池寿命和退化率。

测试 eVTOL 电气系统通过严格评估电机、逆变器和电池等组件来确保安全性和性能。测试 eVTOL 电气系统通过严格评估电机、逆变器和电池等组件来确保安全性和性能。

认证考试

eVTOL 飞机必须经过严格的认证程序，以确保其符合适用的航空安全标准。美国联邦航空管理局 (FAA) 和欧洲航空安全局 (EASA) 等监管机构已为 eVTOL 飞机创建了认证框架。认证考试详细审查相关飞机的设计、制造和操作程序。这个过程可能需要几年的时间，并且需要大量的文档和大量的测试。

eVTOL 市场的主要参与者

eVTOL 市场正在快速增长，众多公司和初创公司竞相开发下一代城市空中交通解决方案。主要参与者包括：

Joby Aviation

Volocopter

Volocopter 是一家专注于城市空中交通解决方案的德国公司。旗舰产品 Volocopter 2X 是一款多旋翼电动垂直起降飞机，专为城市地区的短途飞行而设计。 Volocopter 已进行了多次公开演示，并致力于开发城市空中交通基础设施。该公司的合作伙伴和投资者包括梅赛德斯、日本航空、汉莎航空和申克航空。

亿航

亿航以其自动驾驶电动垂直起降飞机（例如亿航 216）而闻名。这款多旋翼电动垂直起降飞机专为客运而设计，已用于各种试点项目和演示。亿航致力于发展综合性的城市空中交通基础设施，包括客运和货运。

Lilium

德国航空公司Lilium 正在开发一款名为 Lilium Jet 的倾斜翼电动垂直起降飞机。 Lilium Jet 配备了 36 个集成在机翼中的电动涵道螺旋桨，由于驱动器的机舱设计，该公司将其描述为第一款垂直起降的电动“喷气机”。它专为高速、长途飞行而设计，预计航程为300公里。该公司与霍尼韦尔、东丽、CustomCells、NetJets 和 Aciturri 等合作伙伴合作。 2024 年 7 月，沙特航空集团宣布签署了一份具有约束力的合同，购买 50 架 Lilium Jets，并可选择购买另外 50 架。这些飞机将在沙特阿拉伯王国使用。

Archer Aviation

美国Archer Aviation 正在开发 Maker，这是一款航程 100 公里的推力矢量电动垂直起降飞机。 2021 年 2 月，联合航空宣布订购 200 架 Archer eVTOL，并可选择另外订购 100 架。此次合作的目的是开发城市空中交通网络，以减少拥挤的大都市区的出行时间和排放。美联航计划从 2025 年开始使用 Archer Midnight eVTOL 空中出租车在芝加哥提供机载拼车服务。芝加哥奥黑尔机场和芝加哥垂直起降机场之间的短途航班大约需要 10 分钟，高峰时段的地面旅行时间约为 1 小时。

Midnight 是一款 12 引擎电动固定翼飞机，翼展 14 米，除飞行员外最多可搭载 4 名乘客。

Eve Air Mobility

总部位于美国的Eve Air Mobility是巴西航空工业公司 (Embraer) 的子公司，巴西航空工业公司是巴西一家主要航空公司，以制造商用、公务和军用飞机而闻名。 Eve 计划推出有人驾驶的 eVTOL，未来也将实现自动飞行。 2022 年，联合航空公司授予该公司最多 200 架 eVTOL 订单，并可选择额外购买 200 架。

Vertical Aerospace

Vertical Aerospace正在开发 VA-X4，这是一款四人电动垂直起降飞机。这家英国公司已与霍尼韦尔、达索、莱昂纳多和吉凯恩等主要航空企业合作。在 2024 年 7 月的新闻稿中，它宣布已收到总计 1,500 份 VX4 预订单，总价值 60 亿美元。客户包括维珍航空、美国航空、日本航空、GOL 和 Bristow。

eVTOL 飞机的未来

eVTOL 飞机有着广阔的前景，并有潜力从根本上改变城市交通和物流。预计几个重要趋势和发展将发挥重要作用：

城市空中交通网络 (UAM)

城市空中交通网络（UAM Networks）的建立是充分发挥电动垂直起降飞机潜力的关键一步。随着电动汽车的出现，对充电基础设施的需求随之而来。此外，由于其特殊性能，eVTOL 电动飞机需要自己的特定操作系统。 垂直起降机场是专门为运营电动垂直起降飞机而设计的机场。它们将包括以下基本要素：

• 用于垂直操作的多个着陆和起飞地点
• 办理登机手续和登机的客运航站楼
• 适用于电池电动和氢动力 eVTOL 的充电和加油系统
• 用于日常检查和维护的维护和维修设施

此外，垂直机场还集成到现代空中交通管理系统中，以确保安全高效的空域协调，并包括监控地面和飞行运行的控制中心。

电池技术的进步

电池技术是电动垂直起降飞机性能和盈利能力的关键因素。能量密度、充电速度和电池寿命的进步将提高 eVTOL 的航程、有效负载能力和运行效率。此外，固态电池、快速充电系统和能源管理领域的研发将在电动垂直起降技术的未来中发挥至关重要的作用。

自主飞行与人工智能集成

自动飞行系统和人工智能（AI）的集成将对电动垂直起降行业产生重大影响。自主飞行技术可以提高安全性、降低运营成本并有助于更有效地利用空域。人工智能的潜力在于飞行路线优化、预测性维护和实时决策，从而提高 eVTOL 运营的整体性能和可靠性。

环境兼容性和可持续性

电动垂直起降飞机有潜力通过减少对化石燃料的依赖和缓解道路交通来减少城市交通系统对环境的影响。电力驱动的使用意味着比传统飞机更低的排放和噪音水平。随着行业的发展，可持续实践，包括使用可再生能源和环保材料，将成为焦点。

法律框架和公众接受度

eVTOL 飞机的成功推出需要支持性的法律框架和公众的接受。监管机构正在努力制定电动垂直起降飞机的认证和运营标准和指南。公众的接受度将取决于证明 eVTOL 技术的安全性、可靠性和优势。社区参与和透明沟通对于建立信任和解决噪音、隐私和安全问题至关重要。

结论

eVTOL 飞机代表了航空技术的突破性进步，有可能彻底改变城市交通，并有助于解决交通拥堵、排放和运输效率方面的紧迫挑战。 eVTOL 的开发和引入需要技术创新、法律框架和公众接受度之间复杂的相互作用。随着技术和监管框架的不断发展，eVTOL 将成为未来城市和区域出行解决方案的基石。