一百多年前的1907年11月13日,法國人保羅·科爾尼做了一次如今來看堪稱偉大的試驗:乘坐在自己研制的載人直升機“飛行自行車”號上,依靠一臺24馬力的發動機,垂直起飛。
這次飛行離開地面0.3米,并連續飛行了20秒,目前可知,是人類歷史上垂直起降飛行器第一次飛行。
其實,讓eVTOL上天并不難,一個人使用大號航模都能做到這一點,而真正難的是實現安全、可靠、大規模地飛行,讓eVTOL成為公共的出行工具。
根據不完全統計,目前全球一共有超過200多家公司正在開發eVTOL。其中按照技術構型分類:多旋翼54款、復合翼35款、傾旋翼86款。
傾旋旋翼越來越成為eVTOL開發的行業主流選擇,但其實,當前大多數產品都是部分旋翼傾轉、部分旋翼固定的半傾轉旋翼,比如英國Vertical公司的VX4、 美國Archer公司的Midnight,以及中國沃飛長空AE200、時的科技E20。
能真正實現全傾轉旋翼的,只有美國的Joby公司,同時,還有一些中國公司處于全傾轉旋翼原型機研發的階段,比如華羽先翔。
全傾轉與半傾轉的核心區別是,水平飛行階段有多少旋翼工作——如果平飛時只有部分傾轉旋翼工作,反而形成死重,限制了飛行器升阻比的提升。只有全傾轉,才能確保垂直起降和巡航過程中的最優效率。
eVTOL到底要怎么飛上天?行業必將經過百花齊放到收斂的演進過程,而答案,就藏在全傾轉旋翼里。
三代技術構型,向傾轉旋翼迭代
眾所周知,按照技術代際來看,eVTOL可分為多旋翼、復合翼、傾旋翼三種構型,飛行距離分別是10公里、100公里和300公里級別,同時研發的難度也呈幾何倍遞增。
第一代是多旋翼構型,類似大疆無人機,有多個旋翼,沒有機翼或有短機翼,飛行器巡航時也依靠推進器提供全部或部分升力,技術風險和研制難度較低。
億航E216采用的就是多旋翼構型,在全球第一個拿到了TC認證。在此之后,多旋翼構型的取證速度越來越快,企業向局方提交申請后一年半左右,就有望獲批。由此,2025年和2026年將有一批多旋翼eVTOL集中獲批亮相。
(億航E216全球第一個拿到TC認證)
多旋翼構型的缺點也很明顯,平飛時空氣阻力較大,飛行效率較低,一般航時不超過30分鐘,航程不超過50公里,使用場景相對有限。
第二代是復合翼構型,作為過渡技術,技術風險中等、難度也中等。
打個比方,復合翼就像兩人三足游戲,有AB兩人,A擅長爬山,B擅長長跑,兩人捆綁在一起,爬山時A背著B,長跑時B背著A。
復合翼可以說是插上翅膀的多旋翼,既有旋翼也有獨立的螺旋槳,分別提供升力和巡航推力。但缺點是,升力和推力來源于不同的螺旋槳,意味著始終存在著效率浪費,達不到更高效率,速度也達不到最快。
當前,中國的行業技術主要發展第一代和第一代,美歐正大力發展第三代。
第三代傾轉旋翼構型,被普遍認為是最佳的解決方案。由任一矢量推進器既提供垂直升力也提供水平巡航推力,旋翼可以根據需要調整方向——就像是兩項全能選手,即擅長爬山,又擅長長跑。
起飛階段,旋翼像直升機螺旋槳那樣提供升力;平飛階段,旋翼可以向前傾轉,提供向前的推力,升力則依靠固定機翼來解決。
傾轉翼的優點是重量較輕,推力較大,在速度和航程上都更有優勢;缺點是研發難度大,目前全世界還沒有取證成功的飛行器。
就國內制造商而言,多旋翼以億航智能、小鵬匯天為主導;在復合翼背后是峰飛航空、沃蘭特、御風未來、覽翌航空、億維特等多家企業;傾轉旋翼背后,又有沃飛長空、時的科技、零重力、倍飛智航、華羽先翔等一眾主機廠。
從全球低空經濟的發展趨勢來看,歐美國家的eVTOL研發,就是經歷了“百花齊放”到技術收斂的過程。全球頭部eVTOL主機廠商,包括JOBY、ARCHER、VERTICAL、WISK、BELL都紛紛從其他構型,轉而研制傾轉旋翼構型。
國內方面,沃飛長空也從復合翼半路轉道,如今主力研發傾轉旋翼產品AE200。即使是多旋翼路線的代表小鵬匯天,也在2021年啟動了傾轉類技術的研發,已完成垂起、懸停試飛,并開展多項測試和實驗。
錢的方向,涌動著行業的轉向。工信部下屬機構賽迪顧問發布的《中國低空經濟發展研究報告(2024)》顯示,2023年,中國eVTOL整機制造領域的投融資主要集中在傾轉旋翼構型領域,資本比較看好這一技術路線因而加大了投資。
對此,時的科技合伙人兼CMO蔣俊認為,2021年很多人說傾轉旋翼做不出來,2022年討論傾轉旋翼開發有難度,但到2024年,很多公司都在布局傾轉旋翼。例如,相比上一屆,2024年珠海航展上出現許多傾轉旋翼產品,傾轉構型技術趨同性已經顯現。
半傾轉旋翼,一種過渡技術
在多旋翼、復合翼、傾旋翼三代技術的基礎分類上,還出現了一種2.5代技術,那就是由純復合翼向著復合翼加部分傾轉發展,打造部分傾轉構型。
這是一種介于全傾轉旋翼和復合翼之間的折中設計,部分旋翼傾轉、部分旋翼固定,一定程度上提高了復合翼的飛行效率,同時有了降低噪音的更多可能。
其實,當前大多數“傾轉旋翼”產品,都是半傾轉旋翼,比如英國Vertical公司的VX4、 美國Archer公司的Midnight,以及中國沃飛長空的AE200、時的科技E20。
在中國,沃飛長空的產品研發和試航取證進程最快,AE200已經順利完成全尺寸、全重量、全包線傾轉過渡等系列飛行試驗所有科目,成為中國首個、全球第二完成該類試驗科目的eVTOL企業。
沃飛AE200傾轉旋翼產品研發和試航進程最快的產品
但要強調的是:能真正實現全傾轉旋翼的,只有美國的Joby公司,同時,還有一些中國公司處于全傾轉旋翼原型機研發的階段,比如華羽先翔。
半傾轉和全傾轉旋翼的核心區別是什么?關鍵是水平飛行階段有多少旋翼工作。
半傾轉旋翼工作方式是,在垂直起降時,旋翼保持垂直,提供足夠的升力。在水平飛行時,旋翼傾斜,變成類似傳統飛機的推進方式,通過機翼和旋翼的推力組合提供升力和推力。
全傾轉旋翼工作方式是,在垂直起降時,機翼和旋翼都保持垂直,提供升力。在水平飛行時,整個機翼(包括旋翼)都傾斜至水平位置,使飛行器能夠像傳統飛機一樣以水平姿態飛行。
需要注意,沃飛長空AE200等半傾轉構型,一共有8個電機,但是在平飛時只有4個傾轉旋翼工作,死重比較大。
假設半傾轉和全傾轉具有相同的懸停效率,無論在轉換的前期還是后期,飛機升力隨攻角變化,能很清晰地看到,半傾轉在過渡過程中存在拔河效應。
因為飛行器結構設計有巨大差別。半傾轉旋翼結構相對簡單,機翼和旋翼的控制相對獨立,只有旋翼需要在垂直和水平之間調整角度。
全傾轉旋翼結構更加復雜,機翼不僅要能夠傾斜到不同的角度,還必須保證在傾斜過程中承受飛行過程中產生的應力和振動。同時傾斜的機翼需要既能提供足夠的升力,又要具備一定的剛性以維持飛行穩定性。
真正的全傾轉,首先對結構設計與機動性提出要求,要設計強度高、重量輕、且能夠承受多次循環運動的機構,同時平衡機翼剛性和靈活性,以避免在轉向或飛行過程中產生過度的變形。
其次,對動力系統協調性的要求呈指數級增長。與半傾轉飛行器相比,全傾轉飛行器的動力系統需要在機翼和旋翼的傾斜過程中保持平穩的動力傳輸。這要求復雜的傳動裝置,能夠在旋翼和機翼傾斜時有效地協調動力。
第三,對飛行控制系統也提出巨大挑戰。機翼和旋翼共同傾斜時,飛行器的氣動特性會發生顯著變化,這需要開發非常精確的飛行控制系統,確保飛行器在轉變飛行模式時保持穩定。
全傾轉的技術難度,遠遠大于半傾轉。
解決不可能三角,只有全傾轉旋翼
盡管難度很大,但按以終為始的方式去思考,全傾轉旋翼才是技術的終局解法。
比如困擾eVTOL行業的噪音問題,只有全傾轉旋翼才有最優解。eVTOL要想大規模利用,必須將噪音水平降低到居民區可容忍的水平,甚至低于環境噪音。
歷史上,就是因為噪音太大,已經有過多次失敗的嘗試。1950年,英國費爾雷公司成功研制了一種槳尖噴氣的高速旋翼機——“羅托達因”(Rotodyne),由于性能問題與噪聲過大而下馬。
1962年,貝爾獲得了研制兩架X-22A傾轉涵道驗證機的合同,第一架飛機在1965年5月25日首飛,但同樣由于噪聲過大未實現民用。
因此,一款合格的商業產品,在設計之初就應該將噪聲控制定義為飛機僅次于安全性的第二設計指標,通過對槳盤載荷、槳尖速度、以及螺旋槳幾何外形的設計,使飛機可擁有低于目前絕大多數同類飛行器的噪聲。
以65dB的噪聲等級為分界線。對比國內主流eVTOL產品,鴻鵠Mark 1采用全傾轉構型,飛行器起降時的噪音不超過65dB,巡航時的噪音更是維持在45dB;而采用復合翼構型的沃蘭特VE25和御風未來M1,噪聲等級都大于65dB。
要知道,環境噪音高于75dB時,人體就有明顯不適。傳統直升機在巡航階段的噪音超過88dB,起降階段高于100dB。
這要回到構型來看。復合翼一般只能采用兩葉螺旋槳,傾轉旋翼可采用多葉螺旋槳。激波的產生,導致噪聲不可控。
要兼顧起降與平飛性能,還要滿足中等槳的尺寸、設計較小的槳盤載荷的約束,還要考慮較低的槳尖速度、較低的槳尖渦強度等,在如此多的約束下,設計難度極高。
只有掌握螺旋槳設計優化、仿真驗證、風洞實驗驗證的關鍵技術,才能真正能實現eVTOL高性能低噪聲螺旋槳。
這意味著,只有真正的全傾轉,才能實現升力與阻力的平衡。
機翼和旋翼一同傾斜會改變飛行器的氣動布局,影響飛行器的升力和阻力。在傾斜過程中,需要優化空氣動力學形狀,以確保飛行器在兩種飛行模式下都能保持高效的升力和較低的阻力。
數字的對比更直觀,業內平均的飛行器升阻比是8,如果采用全傾轉旋翼路線,比如華羽先翔的鴻鵠eVTOL,升阻比能達到12-15,確保垂直起降和巡航過程中均具有最有效率。
這是因為鴻鵠eVTOL采用氣動效率最高,結構多余重量最低的傾轉旋翼設計,并通過三翼面氣動布局與 6 旋翼的組合設計,使得飛機在巡航中沒有多余的會產生額外氣動阻力的部件存在,飛機氣動效率優于絕大多數在研eVTOL飛行器,更節能更高效。
性能、舒適、安全,堪稱eVTOL設計的不可能三角。或許外界永遠想象不到,飛機設計師為了減小每一克的重量與增加每0.001的性能系數,能做出多大努力。
而一代又一代科學家做的事,就是把不可能三角變成可能。
百花齊放到收斂,行業必然規律
在全傾轉旋翼這條最難也最正確的賽道上,玩家不多。
目前全世界范圍內僅有美國的JOBY公司研發成功樣機Joby S4,適航進度最快,中國國內尚未有公司宣布樣機試飛成功,華羽先翔的進度相對領先,工程樣機已總裝下線,很快對外推出。
華羽先翔全傾轉旋翼產品鴻鵠MARK1
即使是Joby公司,也經歷了試錯的多個階段。
第一階段是構型演進。2009年公司成立,2011年推出了單人出行交通工具的概念,當然這時很多想法還不成熟,也并沒有確定要做城市公路交通;2014年,Joby提出了S2的概念機型,采用了傾轉螺旋槳的設計,也應用了包括折疊螺旋槳在內的一些技術。
由于可折疊螺旋槳設計較為復雜,最終S2的設計被Joby公司放棄,進而開始設計更加簡易的機型Joby S4。
S4相較于S2明顯的不同在于:其一,螺旋槳的數量從原來的12+4變為了6個,降低設計構型的復雜程度;其二,槳盤面積(Rotor Area)明顯提升,做出了更大的電推進螺旋槳。
因為懸停效率很關鍵。螺旋槳越少,槳盤面積越大,懸停效率越高;螺旋槳越多,槳盤面積越小,懸停效率越低。
固定翼結構更容易提供飛行器升力,即能獲得較大的升阻比,具備水平巡航的優勢;
同時,槳盤面積越大的飛行器擁有越小的槳盤載荷,即擁有良好的懸停/垂直起降優勢。
以S4為開端,Joby公司的第二階段從此開啟,2015年、2016年,Joby開展了25%縮比驗證測試;2020年1月,Joby發布了S4原型機。
2021年2月,確定了FAA審定基礎,Joby獲得了來自美國空軍計劃的第一筆收入。2021年,它還進行了包括整機能力測試、噪聲測試等一系列測試。
一款產品的成功,帶動一家公司的成功;而產品的成功,取決于技術演進的速度,從Joby S2到Joby S4的變遷充分證明了這一點。
美國Joby S4全傾轉旋翼產品
現在我們所明確的行業發展關鍵階段、關鍵推動因素,其實在發展早期,是并不清晰的。但唯一確定的是,跟著技術演進的方向走。
eVTOL的產品進展,離不開四大技術背景:航空電推進技術長足進步、電池功率密度與能量密度快速提升、新材料技術的廣泛應用以及飛行控制系統小型化。
其中,分布式電推系統(DEP)的逐漸成熟,對于eVTOL最為關鍵。用多個小型電動機的分布式推進構型,可以實現相當于一個大型電動機的推進效果。
自2014年以來,美國國家航空航天局分布式電推進項目一直在研發中,在加利福尼亞沙漠的航空實驗室展示了X-57麥克斯韋飛機,這是第一架全電動實驗飛機的早期版本,改編自意大利制造的Tecnam P2006T雙引擎螺旋槳飛機。
在中國,首個分布式電推進飛行試驗機在2017年研發亮相。由西北工業大學“飛機電推進技術工信部重點實驗室”和“陜西省試驗飛機設計與飛行技術工程實驗室”科研團隊研發,是國內飛機電推進技術從理論研究到實際飛行驗證的一次跨越。
電推進技術在商業化的利用,最先出現在了小型消費級航拍飛行器以及小型無人機上。2015年以來,采用升力+巡航構型的工業級無人機在中國以及世界范圍內出現,短短七年的發展時間,中國工業級無人機已形成龐大規模,在軍用民用領域廣泛應用。
繼無人機之后,分布式電推系統(DEP)正應用到eVTOL上,這就是全傾轉旋翼路線的基石。西北工業大學的科研成果,加速從實驗室走到現實,這就是華羽先翔,在研產品主要有鴻鵠Mark 1系列eVTOL。
自身前期技術的積累已充足,加上行業整體向傾轉旋翼的轉型已明確,2022年1月,華羽先翔成立了,這也是國內唯一航空專業院校孵化的eVTOL企業。
2024年華羽先翔剛剛完成數千萬元人民幣天使輪融資,由湖南省通航基金領投,公司總部也因此落在長沙,此后的產品總裝、測試及試運營都將于長沙進行,西安則為公司研發中心。
歷史經驗告訴我們,一項技術從誕生到被廣泛應用,或許僅僅需要10年-20年。而老行業巨頭的隕落,新巨頭的誕生,就孕育于此。（咸寧新聞網）
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