电动垂直起降飞行器的发展现状研究

电动垂直起降飞行器的发展现状研究

赵国鹏, 李明帅, 关云霄, 刘博

 郑州航空工业管理学院  河南省郑州市  450046

摘要：近年来，随着电动航空发动机、电池、电传飞行控制、复合结构等关键技术的快速发展，电动垂直起降车辆（eVTOL）由于其自身的特点，在城市空中交通（UAM）领域经历了革命性的发展，主要用于短途城市客运和货运航空运输，可有效减少拥堵，缩短交通时间，减少空气污染。EVTOL区别于传统飞机的主要技术特征是：（1）可以进行垂直起飞和着陆；（2）采用分布式推进；（3）应用全电动/混合动力技术。与传统直升机相比，EVTOL的显著优势是：低碳、低噪音（电力推进）、高自动化水平（自主飞行）、低运营成本（简化施工和维修成本）、高安全性和可靠性。因此，EVTOL被认为是近年来快速增长的城市航空运输大众市场最有前景和最高效的车辆。

关键词：电动垂直起降飞行器；发展现状；措施

1关键技术分析

（1）一般配置选择和跨学科设计和开发技术。e垂直起飞和着陆基本上可在上述三种合理布局模式下使用：多旋翼、矢量物料驱动、推力和固定巡航复合材料。为了进一步提高飞机的整体性能，降低噪音水平，提高安全系数，分布式系统电力推进设计技术得到广泛应用，使垂直起降设计与传统飞机设计理念完全不同。结合日常任务和性能测试计划，应在计划设计的早期阶段进行总体配置中关键参数的测量分析和设计；充分考虑气动类型、结构、电力、电机和飞机螺旋桨、适航性等设计要素，以提高重力梯度，降低企业成本，确保飞行安全为主要目标，进行多学科分析和优化设计，完成气动类型与结构的优化合理配置，飞机发动机和螺旋桨、推进、飞行控制和性能。（2）自主飞行控制系统。VTOL商业市场的前景主要取决于自动驾驶系统的快速发展。一方面，对于乘客容量有限的资源E的垂直起飞和着陆，驾驶员的配置显著降低了交通的合理性；另一方面，e-VTOL的驾驶培训和许可证管理方法也对其商业化过程产生了重大影响。e因此，垂直起飞和着陆必须由自主飞行控制完成。他的主要研究方向包括：（1）多目标表面控制的冗余分布和重建；（2）根据AI，自主飞行控制和紧急着陆控制。其困难主要表现在其飞行区域（以城市航空为主），其中相对基地飞机具有大量控制波束，无人机水平也较高。（3）入侵检测和避障技术。由于垂直起飞和着陆主要在人口稠密的城市空气和复杂的自然环境中进行，因此必须在飞行区域进行高效和安全的自主飞行，识别和避免周围区域的可怕水平，包括检测和分类多个障碍物（鸟类、无人机、通信塔等），准确定位障碍物，预测轨迹分析和影响风险评估。这涉及许多领域，如认知传感器配置设计、多源信息融合、智能目标识别、障碍物风险评估和避障管理决策，以及需要进行专门科学研究的空域管理、飞行安全规划等法律法规。

2eVTOL发展现状分析

2.1eVTOL技术路线

eVTOL企业设计和开发的技术路线基于预设的使用场景和市场定位。它必须具有非常高的技术研发实力和垂直整合能力，并从四轴飞行器的气动布局和总体配置的角度重点进行选择和调整。在eVTOL企业新的和升级的高科技跑道上，不同类型的eVTOL公司科研机构采用不同的技术路线。根据全球eVTOL企业的发展和设计现状，可分为五种技术路线（如下图1所示）：多旋翼构型、复合机翼构型、倾斜构型、倾斜导管风扇的完全闭环控制、内置推进装置的无翼设计。根据不同类型的技术路线，eVTOL企业制造商必须建立相应的开发系统和供应系统生产系统。他们的研发能力不仅包括导航体、结构和抗压强度、飞行控制核心算法、电气控制系统、航空公司特性的设计能力，还包括整个设备、电力和能源系统软件、航空电子飞行控制系统、，适航设计和其他项目能力。

2.2eVTOL分类

根据垂直导航研究所（VFS）的统计，截至2020年2月，全球有253个新的电子VTOL项目，近188家电子VTOL制造商。根据eVTOL新闻媒体的类型（由VFS持有），e垂直起降键分为以下三类。（1）矢量材料推力类型（偏斜-X）：垂直起降和巡航可以通过调整每个应用环节的推力方向来完成。典型的例子包括LiliumJet、Work-S4等。这种垂直起降的次数为97次。（2）升力巡航型（增强巡航）：用于升力和巡航的飞机螺旋桨是独立的，分别完成垂直起降和巡航。典型的例子包括波音飞机PAV、WiskCora等。此类垂直起降的数量为97架。（3）多旋翼型（多直升机）：无巡航飞机螺旋桨，通过完全控制多旋翼的升力大小来完成导航。例如，Ehang-216、Volocity、LIFTHex等，此类垂直起降的数量为119架（包括46架单人悬挂四轴飞机和19架电动旋翼机）。总体而言，三种类型的e垂直起降次数大致相同，达到30%以上，多旋翼类型的份额接近40%。

2.3eVTOL发展态势

现阶段，全球重点航空公司中国正积极进入eVTOL企业的新生态系统，以占据未来低空飞行智能交通的主要地位。eVTOL企业级飞机的研制进展可分为四个步骤：设计概念规模验证机试验（包括道路试验、机载试验、起飞和着陆试验等）-超大验证机试验（本次试飞、转换场地试飞、噪声测试、乘客试飞、装载试飞、模拟场景测试等）。eVTOL企业的设计、开发和测试认证是一项复杂的工程项目，必须结合流体力学、飞行结构力学、理论力学、仿生设计、，材料科学、电子计算机、控制论等，涉及理论分析、模拟实验、样品研发、生产与组装、组装平台实验、基桩实验、振动实验、系泊实验飞行试验等专业工作，根据地面试验如发电厂组装平台试验、，飞机基桩试验、飞行发动机耐久性试验、半物理物理物理模拟试验，以及通过全过程的气动性能、倾斜特性、控制试验、部件试验、乘波器试验、噪声试验等试验。现阶段，eVTOL企业的研发从设计理念上看仍处于商业化的初级阶段。

3结论

电推进消除了温室气体和其他污染物的排放，有效降低飞行噪声，提高推进效率，降低维护成本。但受限于电池能量密度、电机功重比和效率等核心技术的发展水平，大中型纯电飞机的商业应用还有待观察，而小型eVTOL飞行器则有望在未来2～3年率先投入使用。

参考文献：

[1]杜伟,孙娜.电动垂直起降飞行器的发展现状研究[J].航空科学技术,2021,32(11):1-7.

[2]程子欢,裴海龙.涵道尾座式垂直起降飞行器全包线飞行控制[J].控制理论与应用,2021,38(11):1863-1873.

[3]付敏,陈赛旋.垂直起降涡喷飞行器结构设计及气动性能分析[J].农业装备与车辆工程,2021,59(06):39-44.