電動垂直起降飛行器氣動布局分析（三）

符長青

電池技術對電動垂直起降飛行器氣動布局的影響

電動垂直起降飛行器（eVTOL）作為航空科技領域的一個全新概念，目前面臨著系統復雜、涉及面廣、關鍵技術多、難度大等一系列問題。要想取得全面突破，在加強相關基礎研究工作的同時，對關鍵技術應進行專項研究和攻關，其中包括：高能量密度電池技術、氫燃料電池技術和動力系統綜合優化技術等。這三項技術要求的內容，在進行電動垂直起降飛行器（eVTOL）氣動布局時，屬于優先考慮的重要因素之列。

高能量密度電池技術難點

當人們按照電動垂直起降飛行器（eVTOL）定義的基本要求，將電動系統作為主要的動力裝置應用于其上時，會遇到一個非常棘手、而非電動機本身的問題，這就是為電動機提供能源的電池能量密度太低，比航空燃油的能量密度低十余倍。結果造成純電型的電動垂直起降飛行器（eVTOL）在試飛和實際使用中，通常表現出重載動力不足、飛行時間短等缺點。

現以鋰電池能量密度舉例：大多數鋰電池能量密度在170Wh/kg左右，少數比較先進的鋰電池能量密度能超過該數值，例如比亞迪三元鋰電池能量密度為219Wh/kg，寧德時代麒麟電池目前能量密度255Wh/kg。

對于電池能量密度對于eVTOL續航能力的影響，根據清華大學郝瀚副教授團隊測算：

（1）當電池能量密度為200Wh/ kg時，eVTOL續航距離100km所需電池容量為70kWh，eVTOL續航距離 200km所需電池容量為537kWh。按照每度電5kg的重量，eVTOL續航距離200km需要重量為2.5t的電池，大大超出eVTOL載重能力。

（2）當電池能量密度提升至400Wh/kg時，eVTOL續航距離100km所需電池容量為44kWh；續航距離200km所需電池容量下降到94kWh（下降了80%以上）。因此，電池能量密度如果提升至400Wh/kg，eVTOL續航可達到300km；能量密度如果提升至600Wh/kg，eVTOL續航距離可達到400km。

但現實是：在當前鋰離子電池化學體系下很難使能量密度超過255Wh/kg，就更不用說實現超過400Wh/kg的能量密度了。

氫燃料電池方案的可行性

相對于鋰電方案，雖然氫燃料電池存在能量密度高、電池壽命長等優勢，但在動態響應性及功率密度上存在一定不足（航空器通常要求1500W/kg的功率密度，而氫燃料電池系統僅僅只能達到600W/kg），因此長期來看，氫燃料搭配一部分鋰電池儲能是更優方案，鋰電池可用于啟動和提供快速變化的功率輸出，氫燃料電池可用于巡航飛行中的能量輸出。

動力系統綜合優化技術

根據電動垂直起降飛行器（eVTOL）的定義，其動力系統并不是簡單地將傳統的燃油動力裝置（航空發動機）換成電動裝置。實際上，電動垂直起降飛行器的設計與傳統燃油（航空發動機）飛行器的設計思路完全不同。由于電動垂直起降飛行器可以根據需要將大功率電機分解為多個小功率電機，這樣做的好處是傳統的集中動力形式變成按需配置的分布式動力形式，便于實現總體、氣動、動力等最佳優化組合，從而獲得總體的最佳收益。

分布式電推進（Distributed Electric Propulsion，DEP）的一個重要優點可將動力分散到電動垂直起降飛行器的各個主要結構上，并可改變機體周圍的流場，提高氣動性能，降低噪聲水平?？梢哉f，分布式電推進技術的出現，拓展了電動垂直起降飛行器設計的自由度，可大幅提高它的綜合性能，但與此同時將帶來多學科優化設計和計算分析的復雜性等難題。

需要指出的是，現有大部分電動垂直起降飛行器的氣動布局基本上是對傳統布局的改型或改進，較少依據電推進的特點，并進行多學科綜合優化設計得到，因此并沒有充分發揮分布式電推進的優點，這是需要引起人們重視和加以改進的地方。

電動垂直起降飛行器的座艙設計

航空器的類型

隨著電動垂直起降飛行器概念的提出，目前世界上有三種不同類型的航空器：

（1）有人駕駛航空器。機上有人，要有人（飛行員）駕駛，如固定翼飛機和直升機。

（2）無人駕駛航空器。機上無人，沒有飛行員和乘客，如固定翼無人機和旋翼無人機。

（3）電動垂直起降飛行器。機上有人（乘客），但機上沒有飛行員，無人駕駛。

機上有人還是無人，對航空器的氣動布局、總體結構設計和要求有很大的差別。在進行航空器氣動布局和總體結構設計時，如果機上有人，首先要考慮的是機上人員的安全。雖然電動垂直起降飛行器與無人機一樣，機上都不需要飛行員進行駕駛，但是它與無人機不同的是：電動垂直起降飛行器上有人（乘客），因而既要確保電動垂直起降飛行器飛行安全，又要滿足乘客乘坐方便舒適的要求，即電動垂直起降飛行器的總體結構設計要在具有自主飛行能力的無人機基礎上增加乘客座艙。

乘客座艙的作用

電動垂直起降飛行器的乘客座艙是機上乘客乘坐的場所。座艙除具有保護人體免受飛行過程中異常環境因素危害的作用外，在提供一定舒適條件方面也具有重要作用。乘客座艙作為電動垂直起降飛行器氣動布局和總體結構設計中一個重要的組成部分，對其飛行安全和性能的發揮有著至關重要的作用。尤其是座艙內部裝飾與乘客直接接觸，會對乘客的視覺、心理和意識活動會產生一定的影響。

乘客座艙的整體布局直接決定了電動垂直起降飛行器的整體裝飾效果和視覺感官，其中座艙設施的造型是整體座艙裝飾設計的重要組成部分，包括座艙的天花板、玻璃窗戶大小和透明度、行李箱隔板、座椅和安全帶、艙門位置和開門轉向等是座艙整體效果的具體體現。在進行電動垂直起降飛行器的乘客座艙設計時，不僅要注重座艙內部各系統功能的實用性，還要關注內部裝飾的視覺感官性，良好的視覺感受可以使乘客在飛行過程中有一種賓至如歸的親切感。

乘客座艙設計與人體測量的關系

人體測量學以對人類大量個體各部位的測量、記錄和描述為基礎，研究人類個體發育、體質特征，進而通過測量所得到的各種數據資料，對個人與個人之間、群體與群體之間進行對比研究。在航空器氣動布局和總體結構設計中，主要是綜合考慮人體的形態結構、生理和身體素質之間的關系，將人體測量學的數據運用到乘客座艙設計中，包括座艙重心位置，座椅大小和距離位置安排等。

電動垂直起降飛行器氣動布局的定義和特點

目前，電動垂直起降飛行器（eVTOL）的設計空間相當廣闊，各國設計師們已經嘗試或正在嘗試許多不同的空氣螺旋槳配置（氣動布局）方案，至今已出現了600多個采用不同氣動布局的設計方案，以滿足電動垂直起降飛行器必須達到的各種技術和應用要求。因此，對電動垂直起降飛行器的氣動布局深入進行分析研究，將有助于該行業從業人員比較深入地了解每種氣動布局的優缺點，以及選擇固定機翼和空氣螺旋槳最佳復合配置的方法。

電動垂直起降飛行器研制流程

研制一種新型號的電動垂直起降飛行器，從設計方案的提出到試制、生產并投入市場使用，需要進行大量的科學研究、工程設計、分析計算、試驗驗證、工藝試制、飛控調試、軟件開發、測試和試飛等工作。為了比較清晰地描述這個復雜過程，通常把電動垂直起降飛行器研制過程稱為該項目的生命周期。

項目生命周期確定了項目的開端和結束，項目階段的前后順序是由項目生命周期確定的，在項目實施過程中，通常要求現階段的工作成果經過驗收合格后，才能開始下階段工作。在實際工作中，站在不同的角度上來看，可將新型號電動垂直起降飛行器項目生命周期分為兩個階段，前一階段為設計研制階段，后一階段為生產使用階段，如圖1所示。

電動垂直起降飛行器項目設計是指設計人員應用氣動、結構、動力、材料、工藝、電子和計算機軟硬件等學科知識，通過分析、綜合和創造思維將設計要求轉化為一組能完整描述電動垂直起降飛行器的參數（文檔、圖紙和軟件）的活動過程，包括概念設計，初步設計和詳細設計三部分。

電動垂直起降飛行器項目設計是一門應用科學，是各項先進的科學技術綜合應用的結果，其內容涉及空氣動力學、飛行動力學、結構動力學、氣動彈性力學、動力系統、自動控制技術、計算機技術、自控軟硬件以及制造工藝等多種學科和專業技術領域。由于在設計研制階段要全面確定整個電動垂直起降飛行器新型號項目的產品策略、外觀、結構、性能和功能等，從而確定整個生產系統的布局，因而，其項目設計的意義重大，具有“牽一發而動全局”的重要意義。

在電動垂直起降飛行器新型號項目設計研制階段，首要的工作任務是設計確定其氣動布局，它是整個項目設計研制工作能否成功的基礎之一。

電動垂直起降飛行器氣動布局的定義

航空器的空氣動力布局（簡稱氣動布局）是其主要空氣動力部件的氣動外形及相對位置的設計和安排，即航空器外部總體形態布局與位置安排。例如，固定翼無人機氣動布局是指它的各翼面，如主翼、尾翼等是如何放置的；旋翼無人機氣動布局是指它的旋翼系統（如單旋翼+尾槳或多個旋翼）是如何放置的；復合式無人機氣動布局是指它的固定機翼與旋翼系統是如何組合安置在一起的。

航空器的氣動布局同它的外形構造、動態特性及所受到的空氣動力密切相關，關系到航空器的飛行特征、飛行性能、穩定性和機動性。至于航空器的動力系統、機載設備及任務載荷等放置在哪里的問題，則籠統地稱為航空器的總體布局。雖然總體布局對航空器的飛行性能也會有一定的影響，但是起決定作用的主要是它的氣動布局，因為只有氣動布局才能夠最直接地決定航空器的基礎形態。掌握了氣動布局的種類，人們就能夠將航空器進行簡要歸類梳理。由于電動垂直起降飛行器在空氣動力和自動駕駛方面與無人機產品更為接近，因此成熟的無人機技術可以為其提供更多的參考。

常見的無人機氣動布局主要有4種類型：固定翼無人機、無人直升機、多旋翼無人機和復合無人機。以往，大中型固定翼無人機和無人直升機都很少采用電動機作為其動力系統，原因是蓄電池電池能量密度太低，比航空燃油的能量密度低十余倍。由于蓄電池重量太重，因而在人類100多年的航空發展史上，除了個別科研實驗外，一直都沒有在大中型固定翼飛機（有人駕駛或無人駕駛）及大中型直升機（有人駕駛或無人駕駛）上廣泛使用電動機作為動力系統，幾乎全部都是使用燃油航空發動機作為動力裝置。

那么現在為什么電動機可以成功地用在多旋翼無人機和復合無人機上呢？主要是利用了電動機功率具有與尺寸無關的特性，即一個大功率電機系統分解為多個小功率電機后，整個系統的功率密度、效率和重量基本保持不變。這樣就可以采取多個小電機驅動多個小螺旋槳的辦法，使加起來的總功率達到系統功率要求。由此可見，在進行電動垂直起降飛行器氣動布局時，需要借鑒和參考多旋翼無人機和復合無人機兩種類型。

（1）多旋翼無人機與多旋翼電動起降飛行器的關系。多旋翼無人機是由多個旋翼（至少4個）在空中旋轉獲得升力的無人機。其特點是在整個飛行過程中，全機重量自始至終主要由旋翼系統承擔，具有垂直起降、空中懸停、結構簡單以及性價比高等優勢，缺點是載重小、航程近、航時短等。多旋翼電動起降飛行器實質上是在電動多旋翼無人機的基礎上，增加安裝適合人員乘坐的座艙、座椅和相關設備所構成的一種全新的載人航空器。

（2）復合無人機與復合電動起降飛行器的關系。采用固定翼無人機與旋翼無人機相結合的復合式氣動布局，即在固定翼無人機的基礎上，安裝上能夠產生抵消全機重量的升力螺旋槳系統。目的是為了兼具固定翼無人機航時長、速度快、航程遠的特點及旋翼無人機垂直起降、空中懸停的功能。它與多旋翼無人機的主要區別在于：在整個飛行過程中，全機重量分階段由旋翼系統和固定機翼分別承擔，或共同承擔。復合電動起降飛行器實質上是在電動復合無人機的基礎上，增加安裝適合人員乘坐的座艙、座椅和相關設備所構成的一種全新的載人航空器。

目前，全世界電動垂直起降飛行器600多個設計方案中所包含的氣動布局雖然有很多種類且都有它們各自的優缺點，但是它們都是從固定翼無人機和旋翼無人機這兩種最基本的氣動布局衍生或組合出來的?？梢詫⑺鼈兊臍鈩硬季謿w結為兩大類：多旋翼eVTOL類型和復合eVTOL類型（如圖2所示），其中后者是在固定翼無人機上加裝升力旋翼系統后復合而成，具有明顯的雜交優勢。據統計資料顯示，目前600多個設計方案中，大約30%采用多旋翼氣動布局，70%采用復合氣動布局。

大多數多旋翼電動垂直起降飛行器的氣動布局都沒有固定機翼，只是有少數加裝了固定機翼。由于后者沒有安裝可用來提供向前飛行所需推力的推力螺旋槳，又沒有采用頃轉旋翼或頃轉機翼等技術手段提供前飛所需的推力，因此固定機翼不能承載復合eVTOL的高效飛行模式，不能在巡航飛行階段獨自承擔eVTOL的全部重量，只是在前飛過程中為升力螺旋槳系統分擔一些機體重量。因此，其氣動布局實質還是多旋翼eVTOL類，不能視為復合eVTOL類。

在復合電動垂直起降飛行器上安裝的空氣螺旋槳（旋翼）系統，按其結構劃分有開放螺旋槳（旋翼）和涵道風扇兩種；按其工作內容劃分有兩大類：升力旋翼和推力（或拉力）旋翼，其中升力旋翼是指旋翼平面可以是水平的，工作時能產生向上的升力，以承擔復合電動垂直起降飛行器的重量，保持其在空中懸?；蛳蛏巷w行姿態；推力（或拉力）旋翼（螺旋槳）是指旋翼平面可以是豎直的，工作時能產生向前的推力（或拉力），以克服復合電動垂直起降飛行器向前飛行時的氣動阻力，保持其在空中向前飛行姿態，進行巡航飛行。

眾所周知，固定翼無人機只有推力旋翼（空氣螺旋槳安裝在機體后面）或拉力旋翼（空氣螺旋槳安裝在機體前面），沒有升力旋翼系統，飛行時所需的升力全部由固定機翼產生，因此它必須采取地面滑跑或外力助推的方法才能起飛；旋翼無人機包括多旋翼無人機和無人直升機兩大類，都只有升力旋翼系統，沒有推力（或拉力）旋翼（螺旋槳），也沒有固定機翼，飛行時所需向上的升力和向前（向后、向左、向右）的推力都是由同一個升力旋翼系統提供。總共只有1個或2個旋翼的無人機稱為無人直升機；總共有4個或4個以上旋翼的無人機稱為多旋翼無人機。

“固定旋翼構型”是指升力旋翼系統安裝在機身或機翼上的位置和指向是固定的；“傾轉旋翼構型”是指升力旋翼系統相對于機翼平面是可以轉動的；“傾轉機翼構型”是指升力旋翼固定安裝在機翼上，可隨著機翼轉動；“單旋翼構型”是指只安裝了一個升力旋翼（開放螺旋槳）系統；“傾轉電動涵道噴氣發動機構型”是指安裝在機翼上的電動涵道噴氣發動機相對于機翼平面是可以轉動的。

常見的幾種電動垂直起降飛行器氣動布局示意圖如圖3所示。其中除了圖3（a）為多旋翼氣動布局以外，其他的都屬于復合eVTOL的氣動布局。圖3（b）為復合eVTOL常規氣動布局的固定旋翼構型，圖3（c）和3（d）都采用常規氣動布局的傾轉旋翼構型，但是它們采用的旋翼系統類型不一樣，圖3（c）中采用的是開放旋翼系統，圖3（d）中采用的是涵道風扇系統。圖3（e）表示復合eVTOL串列翼氣動布局的傾轉電動涵道噴氣發動機構型，其電動涵道噴氣發動機采用涵道電動矢量推力（DEVT）技術，安裝在固定機翼上電動涵道噴氣發動機是可以傾轉的。

有一點需要說明的是：在有些文獻中，把傾轉旋翼（螺旋槳）和傾轉機翼的電動垂直起降飛行器（eVTOL）劃歸為同一個類型，取名為“矢量推力”類。

電動垂直起降飛行器氣動布局的特點

電動垂直起降飛行器以其低碳環保、噪聲低、自動化等級高、運行成本低、高安全性和高可靠性被看作是最具發展前景的航空器產品。在它的設計過程中要解決的首要問題是如何進行氣動布局，即如何通過先進的氣動布局設計方案來獲得它所需要的升力、減小阻力和提高飛行速度。這就要從理論上和在實踐中研究電動垂直起降飛行器在飛行中與空氣之間進行相對運動時，空氣動力（飛行作用力）產生的機理及其規律，以及參考現有各種類型無人機的氣動布局，并在其基礎上進行策劃、創新和再布局。

一方面，與固定翼無人機和無人直升機相比較，電動垂直起降飛行器（除了在起降與巡航飛行狀態之間的轉換階段有比較復雜氣動特性外，由于電動垂直起降飛行器普遍采用分布式動力（Distributed Electric Propulsion，DEP）系統，因此動力系統對它的氣流分布和氣動力的影響更加復雜。另外，電動垂直起降飛行器作為一種新型的航空器，大多氣動布局和總體構型新穎，且各種構型之間的差異較大，因此對以往設計制造有人駕駛固定翼飛機和直升機的經驗數據依賴程度比較低。

另一方面，根據電動垂直起降飛行器本身的結構特點，現有的大部分無人機的空氣動力學理論可應用到電動垂直起降飛行器上。不過由于大多數無人機尺寸小，也沒有在機內安裝人員（乘客）坐椅和其他保障人員飛行安全的設施，安全風險系數小，一旦發生飛行意外，除了無人機無法回收外，不存在人員安全的風險。而作為載客運輸用的電動垂直起降飛行器則不同，其飛行安全是重中之重，保證機上人員的飛行安全是最重要、最基本的要求。所以eVTOL不能完全照抄無人機的氣動布局方案，而應當重視和解決它自身特有的空氣動力學問題，特別是在飛行過程中會遇到一些新問題，因此其氣動布局設計首先要在眾多的相互矛盾的需求之間進行較好的折中。表1給出了電動垂直起降飛行器各種類型氣動布局特點的比較，包含了布局安排、飛行原理、能量效率、結構特點和性能特點等方面的對比。

除了表1列出的一些特點以外，大多數電動垂直起降飛行器都會遇到小雷諾數空氣動力學問題，這是其重要的空氣動力特點之一。過去這方面的研究比較少，現在進行氣動布局設計時，它是一個繞不過去的坎，必須引起足夠的重視并認真地解決它。

電動垂直起降飛行器不同構型的懸停性能對比

電動垂直起降飛行器與無人直升機在結構和飛行原理方面既有一些相同之處，也有許多不同的地方?，F在正在研制的電動垂直起降飛行器試飛測試的結果表明：無人直升機的懸停升力效率最高。因為懸停升力效率與槳盤載荷（旋翼拉力與槳盤面積的比值）相關，槳盤載荷越小，懸停升力效率越高，如圖4所示。電動垂直起降飛行器（eVTOL）中固定旋翼和傾轉旋翼這兩種構型懸停升力效率最高，但比無人直升機低不少；傾轉機翼構型的懸停升力效率次之，傾轉涵道風扇的懸停升力效率再次之，傾轉電動涵道噴氣發動機的懸停升力效率最低，排在最后。

雖然無人直升機的懸停升力效率最高，但是它與電動垂直起降飛行器相比較，缺點是速度慢、振動大、噪聲高、使用成本高等。這是否意味著將來無人直升機會被電動垂直起降飛行器所完全取代呢？答案是：不會。因為無人直升機優異的懸停升力效率是其他航空器所無法企及的，使其能夠勝任包括eVTOL在內的許多其他類型飛行器無法完成的任務。只不過，無人直升機今后的發展方向需要在降低振動和噪聲水平，降低使用和維護成本等方面加以改進。

多旋翼電動垂直起降飛行器氣動布局分析及案例

多旋翼電動垂直起降飛行器氣動布局分析

多旋翼電動起降飛行器實質上是在電動多旋翼無人機的基礎上，增加安裝了適合人員乘坐的座艙、座椅和相關設備所構成的一種全新的載人航空器。多旋翼電動垂直起降飛行器的總體結構由多個旋翼、機體、座艙、起落裝置和動力裝置（電動機）5個主要部分組成，如圖5所示。

（1）旋翼。機翼的主要功用是產生升力，以支持多旋翼電動垂直起降飛行器在空中飛行，同時也起到穩定和操控作用。

（2）機體。機體的主要功用是將多旋翼電動垂直起降飛行器所有部件連接組合成一個整體。

（3）座艙。座艙的主要功用是供乘員乘坐、裝載貨物和各種設備。

（4）起落架。起落架是指多旋翼電動垂直起降飛行器在地面停放和起飛著陸時用于支撐其重力，承受相應載荷的裝置。

（5）電動機。電動機是多旋翼電動垂直起降飛行器的動力裝置。

（6）電池。電池是為電動機提供能源的儲能設備。

多旋翼電動垂直起降飛行器采用旋翼旋轉變速或槳葉變總距（無周期變距）的方式改變旋翼升力的大小，因而取消了傳統無人直升機操縱系統中必不可少的自動傾斜器，從而大大簡化了總體結構，提高了機械可靠性，降低了成本。

多旋翼電動垂直起降飛行器的氣動布局多種多樣，主要是受其旋翼數量和位置所決定的，通常有以下幾種類型，如圖6所示。

（1）以旋翼數量劃分。根據多旋翼電動垂直起降飛行器所具有的旋翼數量可分為4、6、8、12、16、18、24、36……旋翼等多種類型。不同的旋翼數量的氣動布局，其飛行性能也各具特色，其中四旋翼電動垂直起降飛行器的結構簡單，機動性很好；六旋翼、八旋翼電動垂直起降飛行器則穩定性更好；其他旋翼數量的氣動布局也深受需求各異的用戶喜愛。

（2）以旋翼分布位置劃分。根據最前與最后兩個旋翼軸的連線與機體前進方向是否在同一直線上，可劃分為“I”型（或稱為“+”型）和“X”型兩種。如果連線與前進方向是在同一直線上，多旋翼電動垂直起降飛行器呈“I”型，否則呈“X”型。由于“X”型結構的實用載荷前方的視野比“I”型的更加開闊，所以在實際應用中，多旋翼電動垂直起降飛行器大多采用“X”型外形結構。除了這兩種類型以外，還有其他類型的結構外形，包括“V”型，“Y”型和“IY”型等。

（3）以共軸電動機數量劃分。為了在不增大體積的情況下使多旋翼電動垂直起降飛行器的總功率更大，最簡單的辦法是把兩臺電動機上下疊放。上下兩臺電動機分別驅動兩個大小相同、轉向相反的旋翼轉動，使它們產生的反扭矩相互抵消，其氣動布局包括IY型共軸雙槳三軸六旋翼，Y型共軸雙槳三軸六旋翼，V型共軸雙槳四軸八旋翼等類型。這種氣動布局雖然能節省空間，但由于上下疊放的兩個旋翼之間存在著較大的空氣動力干擾，會導致有用功率下降20%。

多旋翼電動垂直起降飛行器的飛行操縱方式

多旋翼電動垂直起降飛行器飛行操縱方式與傳統的無人直升機不一樣，它沒有自動傾斜器。下面以四旋翼eVTOL為例，說明多旋翼eVTOL的操縱方式。

四旋翼電動垂直起降飛行器是通過協調改變各旋翼升力的大小來實現姿態控制的，需要對旋翼旋轉轉速或總距進行精準的同步調制，它是一個不穩定系統，也是欠驅動系統。欠驅動系統是指系統的獨立控制變量個數小于系統自由度個數的一類非線性系統，在節約能量、降低造價、減輕重量、增強系統靈活度等方面都比完整驅動系統優越。欠驅動系統結構簡單，便于進行整體的動力學分析和試驗，同時由于系統的高度非線性、多目標控制要求及控制量受限等原因，欠驅動系統又足夠復雜。

四旋翼電動垂直起降飛行器（eVTOL）的旋翼槳葉只能產生向上的升力，不能產生向下的推力，所以它不穩定，很難控制好，萬一飛行器翻過來之后基本沒辦法控制回來，就墜機了。歷史的經驗證明：四旋翼飛行器的非線性、欠驅動系統結構讓人手來控制難度實在太高，只能用自動控制器來控制飛行姿態才能解決問題。

如圖7所示，四旋翼電動垂直起降飛行器有4個處于同一高度平面旋轉的旋翼，前后旋翼（1和3）順時針方向旋轉，左右旋翼（2和4）逆時針方向旋轉。由位于2個軸向的旋翼反方向旋轉方式抵消彼此扭矩，從而使四旋翼電動垂直起降飛行器能在空中保持飛行預定方向或懸停不動。四旋翼電動垂直起降飛行器在空中飛行時有6個自由度，它們分別是沿3個坐標軸作平移和旋轉動作。沿x軸正方向運動稱為向前運動，垂直于旋翼運動平面的箭頭向上表示此旋翼升力提高，向下表示此旋翼升力下降，沒有箭頭表示升力不變。

（1）垂直運動。當同時增加或減小四個旋翼的升力時，四旋翼電動垂直起降飛行器便會垂直上升或下降；當四旋翼產生的升力等于機體的自重時，四旋翼電動垂直起降飛行器便保持懸停狀態（圖7a）。

（2）俯仰運動。改變旋翼1和旋翼3的升力，保持旋翼2和旋翼4的升力不變。產生的不平衡力矩使機身繞y軸旋轉，實現四旋翼eVTOL的俯仰運動（圖7b）。

（3）滾轉運動。改變旋翼2和旋翼4的升力，保持旋翼1和旋翼3的升力不變，產生的不平衡力矩使機身繞x軸旋轉，實現四旋翼eVTOL的滾轉運動（圖7c）。

（4）偏航運動。當旋翼1和旋翼3的升力增大，旋翼2和旋翼4的升力下降時，旋翼1和旋翼3對機身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉動，實現四旋翼eVTOL的偏航運動（圖7d）。

（5）前后運動。改變旋翼3和旋翼1的升力，同時保持其它兩個旋翼升力不變，四旋翼電動垂直起降飛行器首先發生一定程度的傾斜，從而使旋翼升力產生水平分量，實現四旋翼eVTOL的向前和向后運動（圖7e）。

（6）側向運動。由于結構對稱，側向飛行的工作原理與前后運動完全一樣（圖7f）。（未完待續）