電動垂直起降飛行器氣動布局分析（六）

符長青

維斯克公司第六代復合電動垂直起降飛行器

從美國小鷹航空公司（Kittyhawk Aero）的發展史，人們可以追溯到維斯克公司（Wisk）的起源。小鷹航空公司是一家研制電動垂直起降飛行器的初創公司，成立于2010年，從提出第一個復合電動垂直起降飛行器設計方案開始，歷經10年，共研制了6種具有不同氣動布局的電動垂直起降飛行器。2019年，美國波音公司和小鷹航空公司組建了一家專注復合電動垂直起降飛行器研制的合資企業，取名維斯克公司。

維斯克公司第六代復合電動垂直起降飛行器采用常規氣動布局傾轉旋翼構型。12副升力螺旋槳安裝在固定翼下方的機梁上，其中，6副前螺旋槳固定安裝在機梁上，不能傾轉；6副后螺旋槳可以傾轉。在電動垂直起降飛行器起飛、懸停和降落階段，12副螺旋槳的旋轉平面與地面平行，產生向上的升力，以克服重力，讓電動垂直起降飛行完成向上飛行或空中懸停。當電動垂直起降飛行器前飛時，6副后螺旋槳停止工作，6副前螺旋槳連同電動機一起向前傾轉，直至旋轉平面與地面垂直，產生向前的拉力，拉動電動垂直起降飛行器向前飛行。該機使用了分布式電推進系統（DEP），每副螺旋槳均由獨立的電動機驅動，不僅可以減少污染排放和降低噪聲，而且在飛行過程中，萬一某副螺旋槳發生故障停止工作，其他螺旋槳仍能正常工作，確保復合電動垂直起降飛行器安全著陸。

1.設計特點

維斯克公司第六代電動垂直起降飛行器是全自主復合電動垂直起降飛行器，使用滑橇式起落架。為了確保乘客安全，該機配裝了三臺獨立的飛行控制計算機。在飛行中，每臺計算機都能獨立控制飛行狀態并計算空中位置，如果其中一臺計算機出現問題，其余兩臺計算機仍然可以提供冗余備份以及可靠的控制導航。除此之外，為了確保機上乘客的絕對人身安全，該機還配裝了降落傘，以防萬一。

2.技術數據

該機可搭載4名乘客，機上沒有駕駛員，機長8.53m，固定翼翼展15.3m，巡航速度222km/h，最大航程144km，最大續航時間29min，最大飛行高度3000m。

貝塔技術公司研制的復合電動垂直起降飛行器

初創企業貝塔技術公司（Beta Technologies）于2017年成立，位于美國佛蒙特州南伯靈頓市，專注于電動垂直起降飛行器和相關充電系統開發。該公司研制的“阿利亞”（Alia）復合電動垂直起降飛行器是一種商用機型。2021年5月，貝塔技術公司完成3.68億美元A輪融資。本輪融資由富達管理研究公司領投，亞馬遜旗下氣候抵押基金（Climate Pledge Fund）跟投。同時，該公司正在推進電動垂直起降飛行器開展美國聯邦航空管理局（FAA）適航審定。

1.設計特點

“阿利亞”電動垂直起降飛行器采用常規氣動布局固定旋翼構型，動力系統為電動裝置，固定翼和尾翼之間安裝了機梁，4副升力螺旋槳安裝在機梁上，1副推力螺旋槳位于機身后部。

2.技術數據

該機可搭載乘客6人，載員重量680kg，最大飛行速度270km/h，最大航程463km，翼展12m。

JDC科技有限公司復合電動垂直起降飛行器

JDC科技有限公司（JDC Technology Inc）是一家航空初創企業，于2020年8月成立，位于美國加州洛杉磯市，專注電動垂直起降飛行器和油電混合動力系統開發。

2022年初，JDC公司在加州硅谷召開產品發布會，向公眾正式推出具有環保、低能耗、低噪聲、低成本等優勢的復合電動垂直起降飛行器設計方案。該方案旨在利用空中飛行和垂直起降優勢，最終成為一種經濟、高效、快速、方便的空中交通運輸工具和醫療救護飛行器。JDC公司復合電動垂直起降飛行器有A型、B型兩種型號，A型有望改變人們的出行方式，滿足城市空中交通和旅游觀光市場需求，B型主要應用于醫療救護，解決因城市地面交通擁堵而耽誤危重傷病人員搶救時間的難題。

1.設計特點

JDC公司復合電動垂直起降飛行器是一種常規氣動布局涵道風扇構型。機身采用水滴形狀的流線形設計，機身兩側各有4臺涵道風扇，共計8臺。涵道風扇采用共軸雙旋翼結構，上下兩副旋翼是固定的，由各自獨立的電動機驅動，為電動垂直起降飛行器起飛、空中懸停、降落提供升力。機身后部安裝有一副推力螺旋槳，該螺旋槳由航空燃油發動機驅動，起推進器作用，為飛行器向前飛行提供推力。尾翼為倒V形布局，優點是僅一個尾翼就兼有垂尾和平尾兩種尾翼的功能，能同時發揮縱向（俯仰）和航向穩定作用。

A型和B型總體結構的主要區別是：A型供乘客上下機的艙門位于機身左側，艙門打開時向上翻起，方便乘客上下機；B型作為醫療救護飛行器，為確保躺著傷病員的擔架順利進出機艙，艙門設在機身前部，即整個機頭作為艙門，艙門向右轉動后打開，以留出足夠空間供擔架進出機艙。

2.技術數據

該機可搭載5名乘客，載員重量600kg，機長8m，機高1.8m，機寬1.8m，最大航程500km，巡航速度200km/h，實用升限3000m。

貝爾直升機公司復合電動垂直起降飛行器

貝爾直升機公司成立于1935年7月10日，總部位于美國得克薩斯州沃思堡市，是一家美國直升機制造商，研制了X-14、X-22、XV-3、XV-15等高速垂直起降飛行器。該公司為美國國家航空航天局（NASA）、美國陸軍和空軍開發了多種不同的產品，例如與波音公司合作研制的V-22“魚鷹”傾轉旋翼直升機。

在2018年舉辦的國際消費類電子產品展覽會（Consumer Electronics Show，CES）上，貝爾直升機公司公布了電動垂直起降飛行器計劃。2019年1月，貝爾公司“北極熊” 6HX（Nexus 6HX）復合電動垂直起降飛行器設計方案的同尺寸樣機在CES上亮相。在2021年1月7日開幕的CES展會上，貝爾直升機公司推出一款新的電動垂直起降飛行器全尺寸模型，名為“北極熊”4HX（Nexus 4EX）。

1.設計特點

“北極熊” 6HX采用常規氣動布局傾轉涵道風扇構型。固定翼左右翼尖各安裝1臺傾轉涵道風扇，固定翼前方后方各安裝2臺傾轉涵道風扇，這6臺傾轉涵道風扇由各自獨立的電動機驅動，為飛行器提供空中懸停、起飛、降落所需的升力，以及前飛所需的拉力。一個油電混合動力系統為6臺傾轉涵道風扇供電。該公司稱，與開放螺旋槳設計方案相比，涵道風扇能提供更優異的動力性能和更低的噪聲水平。

“北極熊” 4HX依然采用常規氣動布局傾轉涵道風扇構型，擁有4臺涵道風扇，動力系統為電動裝置。

由貝爾直升機公司兩種電動垂直起降飛行器設計方案對比可知，4EX比6HX少2臺涵道風扇，主要原因是為了提高巡航效率，涵道風扇越少，阻力越小。兩種電動垂直起降飛行器涵道風扇中的旋翼直徑相似，大約為2.5m，但針對應用場景，各機型會有所優化。此外，4EX飛行器的固定翼翼展比6HX飛行器的固定翼翼展更長，目的是提高巡航效率。對比數據表明，4EX采用目前的槳葉，其4臺涵道風扇在122m以外的噪聲水平比同級別直升機低7dB，但是未達到貝爾直升機公司的降噪要求。因此，該公司將進一步優化設計方案。

2.技術數據

“北極熊” 6HX可以容納4名乘客和1名飛行員，最大起飛重量2954kg。

“北極熊” 4HX可搭載4～5名乘客，最大起飛重量3175kg，巡航速度240km/h，最大航程95km。

德事隆公司復合電動垂直起降飛行器

美國德事隆公司（Textron）在1923年成立之初還是一家小型企業，如今已發展成營業額達134億美元的企業，總部位于美國羅德島州，在25個國家擁有35，000名雇員。縱觀歷史，德事隆公司一直是優秀的技術創新和多元化企業。2021年3月，德事隆公司成立電動航空部門，開始研制復合電動垂直起降飛行器。

1.設計特點

德事隆公司復合電動垂直起降飛行器是一種常規氣動布局傾轉旋翼構型，采用雙尾撐、上單翼（固定翼幾乎為平直形狀）、倒V形尾翼布局。該機共有6副開放螺旋槳，其中4副螺旋槳使用了變距槳葉，2副固定安裝在翼尖小翼上，隨同翼尖小翼一起傾轉；2副安裝在兩個尾撐桿前端，隨同電動機一起傾轉；2副為固定升力螺旋槳，安裝在固定翼后方的尾撐桿上方，不能傾轉，僅在垂直起降和懸停時使用。為降低復雜度和減小巡航阻力，每副固定升力螺旋槳使用2個槳葉，這2個葉槳的尺寸比每副前螺旋槳的4個槳葉尺寸略大。為了降低螺旋槳噪聲，螺旋槳轉速需要減小，所有螺旋槳直徑非常大，約為3.8m，需要采用減振設計。起飛時，所有螺旋槳所在位置的高度都比人體高度高，以保證地面人員安全。相較于固定翼位置，乘員艙位置比較靠前，尾撐桿上方的2個固定升力螺旋槳工作時，幾乎不會受機身氣流阻滯的影響。該機未采用鴨翼布局設計，屬于一種成本最低、傳力簡潔的布局。

2.技術數據

該機最大起飛重量3632kg，巡航速度222km/h，最大航程185km，可搭載1名飛行員、3名乘客，共4人。

現代汽車公司復合電動垂直起降飛行器

現代汽車公司成立于1967年，總部位于韓國首爾市，是世界著名的汽車制造商之一。2021年11月，該公司宣布成立天國（Supernal）城市空中交通（UAM）公司，旨在為所有人提供先進的經濟性空中交通設施。

在2022年舉辦的國際消費類電子產品展覽會（CES）上，現代汽車公司公布首個復合電動垂直起降飛行器設計方案，名為S-A1（見圖6），以及融入城市空中交通網絡的空地一體化城市交通解決方案（見圖7），同時宣布與優步公司合作，成為優步公司城市空中交通項目的第8家合作伙伴和第1家汽車領域的合作伙伴。

現代汽車公司提出的空地一體化城市交通解決方案通過消除城市邊界，創建一種多元化社區來振興城市交通。該公司希望利用三維空間和新型電動垂直起降飛行器的機動性，普及城市空中交通方式，將人們從擁堵的地面交通網絡中解脫出來，大大縮短交通出行時間，同時推行綠色城市出行方式，滿足多種個性化生活方式。

1.設計特點

S-A1復合電動垂直起降飛行器設計方案采用常規氣動布局傾轉旋翼構型和分布式電推進技術，共有為S-A1提供升力的12副開放螺旋槳，其中4副螺旋槳可以傾轉，為巡航飛行提供升力，另外4組上下共軸雙旋翼共8副螺旋槳，僅為飛行器起降提供升力。該公司一開始設計方案時就考慮了自主性，但初期，該機需要1名飛行員。為保障飛行安全，該機安裝了整機降落傘。

2.技術數據

S-A1可搭載5名乘員，設計巡航速度可達290km/h，飛行高度300～600m，最大航程100km。

捷特航空旅游公司復合電動垂直起降飛行器

美國捷特空中交通旅游公司（Jaunt Air Mobility Journey）致力于先進航空器技術開發、管理策略研究，以提供最高水平的運營效率、安全性和社會認可度。該公司期望設計和開發城市空中交通解決方案，成為復合電動垂直起降飛行器研制的先驅者之一。捷特空中交通旅游公司是優步公司“提升”（Elevate）項目涉及的6家電動垂直起降飛行器合作伙伴之一。

最初，“通用”（Jaire）復合電動垂直起降飛行器由美國卡特航空公司（Carter Aviation）設計。后來，卡特航空公司被捷特空中交通旅游公司收購。由于采用了卡特航空公司減速轉子復合技術，“通用”在平飛時，也能由類似于無人直升機的大直徑旋翼系統提供足夠的升力，在提高效率和安全性的同時，大大降低了噪聲水平。在優步公司合作伙伴提出的產品方案中，“通用”復合電動垂直起降飛行器是獨一無二的，因為它只有一副能提供足夠升力的開放螺旋槳，如圖8所示。

1.設計特點

“通用”采用常規氣動布局單旋翼構型，升力旋翼是一種開放螺旋槳，而且直徑很大，安裝在機身上部的支撐塔上，為“通用”垂直起降和空中懸停提供升力。4副拉力螺旋槳安裝在機身兩側的固定翼上，拉動復合電動垂直起降飛行器在空中向前飛行。當“通用”達到一定的前飛速度時，固定翼會產生足以抵消最大起飛重量的升力，支撐塔上的升力旋翼就會完全卸載，以實現低阻力、高效率飛行。由于機身兩側的固定翼各有兩副拉力螺旋槳，該機調節兩副拉力螺旋槳之間的拉力大小，形成拉力差，即可平衡升力旋翼的反扭矩。因此，“通用”復合電動垂直起降飛行器不需要安裝尾槳。該機使用油電混合動力系統，可搭載5位人員，最大飛行速度184km/h。

底特律飛機公司復合電動垂直起降飛行器

美國底特律飛機公司（DAC）成立于2011年，主要業務是小型軍用、民用飛機設計與制造。自2013年以來，已制造小型飛機超過70架。2015年，底特律飛機公司子公司航空太空探索技術公司（AirSpaceX）成立，專注于大型貨運、客運電動旋翼飛行器研制。2018年1月，在底特律市舉辦的北美國際汽車展（NAIAS）上，底特律飛機公司研制的“機動”-1（Mobi-One）電動垂直起降飛行器模型亮相。該機旨在以大眾承擔得起的價格提供綠色、靜音、便利的空中交通服務，滿足點到點通勤市場需求。目標是，到2026年，美國將在50個大城市部署2500架“機動”-1電動垂直起降飛行器，以解決這些大城市地面交通嚴重擁堵的問題。

1.設計特點

“機動”-1采用常規氣動布局傾轉機翼構型，用于客貨運送，具有全自主飛行能力。6臺安裝在傾轉機翼上的電動機驅動6副開放螺旋槳旋轉，為起降、懸停提供升力。其中，2副螺旋槳分別安裝在傾轉機翼前緣的兩端；4副螺旋槳分別安裝在機身兩側的傾轉機翼的下方和上方，并與傾轉機翼垂直。除了自主控制設備之外，該機還具有寬帶連接能力，可接入高速互聯網，避免碰撞，獲取安全信息。

2.技術數據

該機可運送4名乘客，載員重量超過200kg，翼展12m，最高飛行速度高達402km/h，航程104km。

瑞士杜福爾公司復合電動垂直起降飛行器

瑞士杜福爾航宇技術公司（Dufour Aerospace）于2017年成立，總部位于瑞士蘇黎世市，擁有30多年民用直升機運營經驗。“航空”2（Aero2）最初研制目的是驗證技術。后來，隨著“航空”2在飛行試驗過程中的出色表現日漸明顯，促使該公司決定正式生產和銷售這款創新型復合電動垂直起降飛行器。

1.設計特點

“航空”2復合電動垂直起降飛行器采用常規氣動布局傾轉機翼構型。在垂直起飛、降落時，傾轉機翼垂直于地面，安裝在傾轉機翼上的4副螺旋槳產生向上的升力，支撐最大起飛重量；當該機進入過渡飛行階段時，4副螺旋槳隨傾轉機翼逐漸向水平方向傾轉，進而產生向前飛行所需的拉力，拉動復合電動垂直起降飛行器向前飛行；隨著前飛速度的逐漸增大，傾轉機翼產生的升力越來越大，直到可支撐最大起飛重量時，4副螺旋槳產生的拉力全部用來克服前飛時的空氣阻力。該機總體結構設計十分優秀，即使在非常緩慢的向前飛行時，“航空”2也能保持良好的穩定性和控制能力，抵抗較大的陣風吹襲。

“航空”2整機尺寸較小，能夠在狹窄空間起飛和降落，需要使用的地面空間范圍幾乎與傳統垂直起降無人機一樣。

2.技術數據

該機最大起飛重量150kg，巡航速度170km/h，最大載員重量40kg，即可搭載體重小于或等于40kg的乘員1人。當該機使用油電混合動力系統時，最長續航時間為3h，使用電動系統時，最長續航時間為1h。

弓箭手公司復合電動垂直起降飛行器

美國弓箭手公司（Archer）于2020年初成立，也是一家初創企業，總部位于美國加州圣何塞市，在短短一年多時間里迅速崛起，組建了由航空資深人士牽頭的技術團隊。該公司不僅快速招募了大量優秀人員，而且能夠把所招募的人員組織起來，在很短時間里完成原型機設計、開發和制造，說明這家公司擁有很強的執行力。弓箭手公司與特殊目的收購公司合作，于2020年9月17日在紐約證券交易所掛牌上市，股票代碼ACHR，成為繼美國喬比、德國百合花等公司之后的上市電動垂直起降飛行器企業。

1.雙座機型的設計特點

弓箭手公司研制的“制造者”（Maker）雙座復合電動垂直起降飛行器原型機采用常規氣動布局傾轉旋翼構型，6個機梁安裝在固定翼上，12副升力螺旋槳分別安裝在機梁的前方和后方，6副后螺旋槳不能傾轉，6副前螺旋槳可以傾轉。在前飛時，6副前螺旋槳向前傾轉，為前飛提供拉力。

該機采用12副升力螺旋槳的保守設計可以增加冗余度，降低單副升力螺旋槳失效對功率損失的影響。“制造者”電動垂直起降飛行器每副螺旋槳失效將損失16%的功率，而喬比公司電動垂直起降飛行器每副螺旋槳失效將損失33%的功率。此外，“制造者”螺旋槳尺寸較小，因此對傾轉機構產生的壓力也相應較小。不足之處是，由于傾轉螺旋槳數量較多，系統復雜性也隨之增加。

2.五座機型的設計特點與技術數據

在雙座復合電動垂直起降飛行器原型機基礎上，該公司正在研制的五座機型的構型與“制造者”相同，也是常規氣動布局傾轉旋翼構型，采用了電動系統。固定翼安裝了6個機梁，12副螺旋槳安裝在機梁上，為垂直起降提供升力，600m以外的設計噪聲水平為45dB，大大低于城市背景噪聲。美國聯邦航空管理局已批準弓箭手公司五座復合電動垂直起降飛行器的G-1適航審定基礎性文件，這是該機在開展美國聯邦航空管理局第23部適航審定過程中取得的第一個重要文件。在監督開發過程中，美國聯邦航空管理局對弓箭手公司的設計能力充滿信心。

該機可搭載4名乘員和1名飛行員，航程100km，最大巡航速度240km/h。

（未完待續）