eVTOL電動垂直起降飛行器技術發展綜述

eVTOL是指以電力作為飛行動力來源且具備垂直起降功能的飛行器，具有垂直起降、智能操作、快捷機動、低成本、低噪聲、零排放、易維護、高安全等特點，與傳統飛行器相比，安全性、智能性、經濟性和環保性的優勢顯著，可使人和貨物以無縫、經濟的方式在城市低空快速流動與靈活作業。對外公開的eVTOL項目主要作為空中出租車面向城市的通勤市場。從應用角度上來說，eVTOL在旅游觀光、物流運輸、醫療急救、消防應急等場景投入使用，緊急醫療服務（EMS）將會是最先實現的應用場景，消防、搜索救援和空中執法緊隨其后，空中游覽可能是通往載客服務的一個非常好的開端，最后實現空中出租車運營。空中出租車、飛行救護車和貨物運輸可能是未來eVTOL的常態化用途，但是適航認證是必須的應用要求。

從技術專業發展角度上來看，eVTOL系統主要由機體總體、動力系統和航空電子三個大類組成，其中機體總體本行業涉及專業包括總體設計、結構設計、材料選擇、測試驗證等方面；動力系統主要涉及電池系統、電機、電控等方面；而航空電子涉及飛控系統、航電系統、通信系統等；機體總體主要為整機單位主要考慮的方向，而動力能源為電池類生產廠家研制的方向；而其他單位關注的方向則為航空電子領域。

背景

歷史起源

eVTOL即電動垂直起降飛行器（electric Vertical Take-off and Landing），顧名思義，eVTOL的核心在于電動+垂直起降。eVTOL最早的概念機型出現在2010年前后。2009年，全球第一家eVTOL企業Joby成立。2011年，世界直升機巨頭意大利August Westland提出eVTOL概念。2014年，美國直升機國際協會（AHA）和美國航空宇航協會（AIAA）在弗吉尼亞大會上正式將eVTOL概念引入。2016年，Uber提出Uber Elevate空中出租車計劃，引發eVTOL在歐美市場的浪潮。2016年1月，億航智能在美國CES發布全球首款無人駕駛載人eVTOL航空器“億航184”。2017年，由垂直飛行協會編制的第一份eVTOL飛機目錄對外發布。2019年，歐洲航空安全局（EASA）發布了全新的航空管理規定，應用于小型eVTOL飛行器的適航認證工作。自此，eVTOL概念正式得到官方認可，初創公司、汽車、航空產業巨頭等玩家開始紛紛進入eVTOL市場。2019年，中國億航智能在納斯達克上市，成為全球首家上市的UAM（城市空中交通）企業。2021年，美國Joby、德國Lilium、美國Archer、英國Vertical Aerospace等公司陸續上市，eVTOL商業化加速。

分類

據2022年底美國垂直飛行協會（VFS）發布的最新統計，全球有超過750個eVTOL設計研發項目，其中包含矢量推力構型258個、復合翼構型138個、多旋翼構型215個、單旋翼構型51個，涉及全球48個國家的347家公司或創新機構。其中，主要分布的國家是美國（124個）、英國（24個）、中國（21個）、德國（19個）和加拿大（17個），占所有設計實體的近60%。

根據運行模式，eVTOL可分為有人駕駛和無人駕駛兩種類別，或者載人、載客及兼容載人載客三種類別。

按照動力能源維度，eVTOL可分為全電動、混合動力兩大類，全電動類別包括鋰電池、氫燃料電池、太陽能電池三種，混合動力類別包括鋰電池+氫燃料電池、鋰電池+燃油兩種。

按照設計載荷維度，eVTOL可分為輕型（有效載荷100～200kg）、中型（有效載荷300～500kg）、重型（≥1000kg）三類。

按照目標客戶維度，eVTOL可分為2B（商業運營類，指載人客運、載物貨運、低空旅游等）、2G（政府服務類，指城市管理、警務安防、國防軍事、應急救援等）、2C（私人飛行類，個人或家庭出行）。

按照適航認證維度，eVTOL可分為基本型（需要在升力系統、機載設備等發生嚴重故障時，可控著陸，不能用于人口聚集區上飛行或商業運營）和增強型（需要在升力系統、機載設備等發生嚴重故障時，仍保證安全飛行，可用于人口聚集區上空飛行和商業運營）。

技術路線

eVTOL設計研發技術路線主要依據預設的應用場景與目標市場，需要極高的技術研發實力與垂直集成能力，重點從飛行器氣動布局與總體構型角度進行抉擇與調整。根據全球現有的eVTOL開發情況，可以將其分為多旋翼構型、復合翼構型、傾轉構型、傾轉涵道風扇+完全矢量控制、隱藏式推進系統+無翼設計5種技術路線（如圖1所示）。基于不同的技術路線，各廠商需要建立相應的研發體系、供應體系和生產體系，其研制能力涵蓋飛行機體、結構及強度、飛控核心算法、電氣系統、航空特性等設計能力，也包括整機總體集成設計、動力能源系統、航電飛控系統、適航性設計等工程能力。

多旋翼構型eVTOL：由多個旋翼提供升力，通過調整各旋翼轉速來控制姿態及巡飛，無機翼，原理來源于傳統的多旋翼型民用無人機，技術難度最小。以小型四旋翼無人機為例，通過控制不同旋翼轉速可實現懸停、垂直升降、仰俯或滾轉、偏航運動等。多旋翼型eVTOL多為四軸或六軸布局，冗余度高，飛行靈活穩定安全，但有效載荷和航程都相對有限，所面對的應用場景也相對固定，在噪聲控制、地面損傷控制上尚無突破性解決方案，初創公司大多采用多旋翼型。

傾轉構型eVTOL：在起飛階段，旋翼像直升機螺旋槳一樣提供升力，到了平飛階段，旋翼會向前傾轉，提供向前的推力；旋翼傾轉過程中的氣動是十分復雜的非定常氣動，確定其氣動特性是傾轉旋翼機獨有的關鍵技術之一，建立準確的數學表達模型和選擇適合的預測算法非常困難。飛行動力學問題，槳葉揮舞/擺振耦合、槳葉之間通過槳轂的相互運動、動力耦合等都無法用傳統的直升機旋翼動力學方法進行分析。過渡走廊的飛行控制問題，過渡飛行過程中，飛行速度過低會導致機翼失速，飛行速度過高則受到旋翼前行槳葉壓縮性與后行槳葉失速的限制以及旋翼可用率的限制，甚至還受旋翼/機翼動力穩定性的限制。在綜合考慮航程、巡航速度和載重比方面優勢明顯，具有較好的有效載荷、最大起飛重量和運營經濟性，使其在未來商業場景中為用戶節約更多出行時間，但帶來了額外的技術挑戰。

復合翼構型：有兩套旋翼，一套垂直旋翼控制起飛降落，一套水平推進旋翼控制巡航，復合型的起飛降落與推進動力系統分離，因此飛行安全性高，受到了傳統航空企業的偏愛，可以有效地提升巡航效率、航程和安全性。

傾轉涵道風扇+完全矢量控制型在動力可靠性、噪聲控制、氣動效率上有可能獲得更優的平衡。盡管涵道風扇在懸停模式下效率稍高，但在巡航模式下會產生更多阻力。

隱藏式推進系統+無翼設計型有一個隱藏推進系統，配備數個涵道風扇，流線型身型。飛行速度和續航能力好，成本高，推進器固定，無法實現推力平衡。

國內外發展情況

國外發展情況

eVTOL技術在國外發展迅速，美國、英國、德國和加拿大等國家的eVTOL研發項目占據了全球設計實體的近60%，全球約有25%的eVTOL項目處于飛行測試階段。

喬比公司（Joby Aviation）：美國公司，專注于民用空中交通工具的研發，已通過特殊目的收購公司（SPAC）上市，并開發了載人eVTOL Joby S4（矢量推進型飛機）。該公司成立于2009年，從2018年開始S4飛機的適航審定，最大起飛質量為2.2t，航程270km，最大平飛速度315km/h，計劃2025年投入運營。喬比公司的第二架預生產原型機于2022年1月獲得美國聯邦航空局（FAA）特殊適航認證和美國空軍適航批準。2022年5月，喬比公司獲得了FAA頒發的FAR-135部航空承運人證書，使之可以按需開展商業空中出租車運營。2022年8月，喬比公司擴展了與美國國防部（DoD）的現有合同，海軍陸戰隊、陸軍、海軍和空軍都將測試喬比公司的S4，并探索緊急醫療救護等使用場景。2022年10月，FAA發布了針對喬比公司eVTOL的適航審定專用條件（SC），這是其發布的第一個eVTOL適航專用條件。2022年12月，S4的空中滑行通過FAA的系統審查。

阿徹公司（Archer Aviation）：美國公司，成立于2018年，專注于電動垂直起降飛機的研發和制造，2022年已推出首款eVTOL城市空中飛行器Maker（矢量推進型飛機），并成功試飛，翼展約12.2m，重約1587.6kg，采用傾斜旋翼設計，12個電動旋翼分布在機翼上，6個五葉片的前旋翼能夠完全向前傾斜，以實現高效的、由機翼支撐的巡航模式，6個兩葉片的后旋翼在飛行階段結束后將簡單地停在低阻力方向，實現垂直降落，V尾鷦設計（V-tail）；該公司在Maker原型基礎上研制的“午夜”（Midnight），延續了Maker推進布局，區別在于尺寸更大，翼展約14.3m，重約2948.4kg，能夠滿足4位乘客承載的需求，電動垂直起降飛機巡航高度約610m，最高速度可達241km/h，航程可達160km；預計2024年底獲得FAA認證，2025年開始運營。

百合公司（Lilium）：德國公司，成立于2015年，開發了名為Lilium Jet的電動垂直起降噴氣機（矢量推進型飛機），已在美國上市。它在主翼和鴨翼襟翼內有30個電池電動機——這是唯一可移動的外部部件，并且擁有36臺電驅動涵道風扇發動機，巡航高度3000m，巡航速度280km/h，續航里程250km左右。這些襟翼在懸停時向下傾斜，并在巡航時齊平對齊，增加了空氣動力，并允許機身和動力裝置之間的無縫操作。

垂直公司（Vertical）：英國公司，成立于2016年，首架eVTOL飛機于2018年獲得民航局飛行許可，其5座VX4為傾轉旋翼構型（矢量推進型飛機），采用碳纖維復合材料，八個螺旋槳傾轉控制飛行，航程160.9km，巡航速度241km/h，最高時速320km/h，計劃2025年獲得適航證。2022年9月，獲得了英國民航局的飛行許可，VX4原型機完成首次系留懸停試飛，在離地面約1m處懸停了10min。垂直公司表示，VX4已獲得超過1400架有條件預訂，包括美國航空公司、維珍大西洋航空公司、日本航空公司和亞洲航空公司等。

Volocopter：德國公司，成立于2011年，其推出的新型分布式電動多旋翼垂直起降構型，飛行器依次經歷了VC1、VC2、VC200、2X、VoloCity不同的階段。VoloCity（復合翼構型）為Volocopter公司適航審定的正式機型，定位于高凈值乘客從機場到市中心（類似航線）的運營。該機具有18個分布式電機，電機安裝在特殊設計的橫梁結構上面，并且有較大的安裝角，這樣在巡航低頭的時候依然能產生升力，同時尾翼設計為流線型造型，轉動后，旋翼（單個直徑2.3m，固定槳距，轉速1100r/min左右）槳尖的速度并不像直升機旋翼那么高速，發出的聲音相對溫和，可以有效降低令人難受的噪聲。安全冗余大，與常見的多旋翼相比，其最大的特征是在后部旋翼面下方多了個安定面，類似垂尾和平尾。乘員數量2人；最大載重200kg；最大速度110km/h；最大航程35km；雙座Volocopter 2X（多旋翼構型）是Volocopter VC200原型機的改進版，有6個Y形支柱軸上伸出，每個Y軸的交叉點有一個垂直的推進器，另外12個推進器位于支柱的端部，這18個推進器和三相永久磁鐵同步無刷直流電動機由9組電池供電。2017年9月，Volocopter 2X首次實現無人駕駛飛行。2018年1月，首次載人飛行，有效載荷160kg，續航能力為27min，航程27km，巡航速度100km/h，預計2024年投入使用。

BETA Technologies公司：美國公司，成立于2017年，公司業務重心不在客運，而是瞄準了國防應用、貨物運送和醫療物流等場景的空白，并把建立快速充電系統網絡作為補充。主營機型為阿利亞（Alia-復合翼構型），Alia飛機翼展約為15m，核載5人，最大起飛重量達到2.7t，充滿電僅需50min，最大巡航速度為305km/h，機動類型為復合翼，飛機啟動旋翼懸停在地面附近，然后沿著跑道向前加速到巡航速度，多旋翼逐漸卸載，進入到純固定翼飛行狀態。返航時逐漸下降高度，近地面時啟動四個旋翼，逐漸減速，機翼卸載進入純旋翼飛行狀態，最后垂直降落。

Eve公司：巴西公司成立于2020年10月，是巴西航空工業公司的子公司，其未命名的Eve eVTOL為5座，有8個垂直起降專用推進器和兩個飛行推進器，巡航速度未知，航程估計為 100km，預計2024年原型機Eve Air（復合翼構型）生產完成，2025年取得適航證。2022年7月，Eve公司在范堡羅航展上首次展示了eVTOL飛機客艙的全尺寸模型，還披露了與巴航工業和BAE系統公司簽署的意向書，其中包括Eve公司的150臺eVTOL的潛在訂單。

Wisk Aero：美國公司，2019年成立，是波音公司和Kitty Hawk的合資企業，Wisk Aero正在準備在未來幾個月內進行其第六代電動垂直起降飛行器的首次飛行。這款飛行器被稱為世界上第一個四座、全電動、自動駕駛的空中出租車，它代表了Wisk十多年來在自主電動飛行領域的研發成果。Wisk的第六代飛行器旨在成為第一個獲得美國聯邦航空管理局（FAA）型號認證的自主eVTOL飛行器。這款飛行器的巡航速度預計可達約222km/h，續航里程為144km，飛行高度約762～1219m。Wisk計劃在2024年將這款空中出租車推向市場。

國內發展情況

億航智能：中國公司（廣州），2014年成立，已在納斯達克上市，并開發了EH216-S型無人駕駛載人航空器（239w），億航智能的旗艦產品EH216-S已獲得中國民航局頒發的全球首張無人駕駛載人電動垂直起降航空器型號合格證（TC）、生產許可證（PC）和標準適航證（AC）。

峰飛航空：中國公司（上海），2019年成立，已獲得全球首條eVTOL跨海跨城空中航線首飛的成就。自主研發的V2000CG無人駕駛航空器系統（復合翼構型）獲得由中國民用航空華東地區管理局（民航華東局）頒發的型號合格證（TC），這是全球首個通過型號合格認證的噸級以上eVTOL航空器。

小鵬匯天：中國公司，2013年成立，隸屬于小鵬汽車，從成立開始研究飛行汽車載人原型機，到2019年開始研發了型號產品，從第一代旅航者T1、旅航者X1到目前的陸地航母，目前已完成大額融資，目前最新的垂直飛行器為自主研發的多旋翼型旅航者X2。

2023年1月，旅航者X2正式獲得由中國民用航空中南地區管理局頒發的特許飛行證，旅航者X2成為國內首款提出申請并成功獲批的有人駕駛eVTOL產品。

時的科技：中國公司，2021年成立，主打機型為E20傾轉旋翼型5座飛機，其有效載荷450kg，巡航速度260km/h，最大航程200km，中國民用航空華東地區管理局于2023年10月27日正式受理了公司自主研發的傾轉旋翼載人電動垂直起降飛行器E20的型號適航審定申請。

沃飛長空：中國公司，2020年成立，是浙江吉利控股集團有限公司旗下品牌，致力于全球低空智慧交通飛行器研發與商業化運營。該公司正在開展5～6座級傾轉旋翼型AE200垂直起降飛行器工程研發與適航認證相關工作。

其他：御風未來、上海沃蘭特、沃極步耀、億維特、航天時代飛鵬、藍箭航空、大疆、中國移動、中國鐵塔、中國聯通、中國電信、美團無人機、豐翼無人機、極飛科技、道通智能、縱橫股份、科比特、科衛泰、普宙、星邏智能、高巨創新、天途航空、華科爾、時代星光等。

發展挑戰與原則建議

發展挑戰

城市低空空中交通管理

由于城市區域空域資源的邊界模糊性及城市建筑物、地形地貌、電磁環境等空間差異性大，因此支撐eVTOL運行的低空空中交通管理相當復雜。面對未來數量龐大的eVTOL規模化、常態化運行管理需求，必須基于5G通信、北斗星基導航等技術，考慮城市低空空域運行模式、航空器自動化智能化程序、空中交通流量規模等因素，提供空域分配、航線管理、容量管理、流量管理、空中交通管制、飛行監視、電子圍欄、氣象預報、飛行情報、安全管控等空中交通服務，建立有人機與無人機融合運行、目視飛行導航與無人駕駛飛控兼容、民航空域管理系統與低空交通管理系統協同交互的城市低空運行系統，以實現數字化、網格化、無人化、自動化的監視、控制、調度、預警與監管，以保證eVTOL在城市低空空域系統內全流程、集群化、多任務的安全高效有序穩定運行，探索構建具有空域精細化管理、航路動態化分配、態勢數字化監控、安全風險精準化處理等功能的高效、安全、統一的數字低空運行管理體系。

服務應用場景的地面基礎設施

地面基礎設施是eVTOL應用場景中重要的組成部分。垂直起降機場是城市空中運輸網絡的關鍵節點，包括起飛降落區、停車場和航站樓，設置機場信標臺、通信導航等設施以及機場氣象站等設施，為eVTOL運行提供起降場地、充電及維修、管理控制終端、空地交通接駁等功能。國內外就垂直起降機場的規劃與布局已開展了初步探討，提出了不同思路，航空創新機構相繼提出若干創新概念并開展試點實踐，例如Uber的空港（Skyport）概念方案、Volocopter與Skyports的Voloport設計方案、Lilium的模塊化垂直機場Vertiports、Joby Aviation的“垂直起降港”設計方案等，以及新加坡建設了第一個Volo-Port，億航在廣西賀州建設了專用航站樓E-port、英國考文垂的城市航空港樞紐“空中一號”（AirOne）等。雖然EASA發布了世界上首份《垂直起降飛行器機場技術設計規范》，FAA發布了Vertiports垂直起降機場設計的初始標準，但尚未有能成熟落地的系統化整體解決方案。

相關適航認證及監管的法規標準

航空主管部門的初始適航與持續適航管理必須貫穿eVTOL從設計、制造、試驗、試飛、使用、維修和報廢的全生命周期。eVTOL的研制與運營必須置于法律規范的監管之下，但目前與之相關的產品、人員、運行、責任、權利、登記、環境、安保、保險等方面的法律規范及民航規章還是欠缺。EASA對eVTOL的要求最為嚴格，采用了與行業實際發展密切相關的循序漸進的方法，先后頒布eVTOL的特殊條件文件法、符合性方法以城市空中交通運行規劃提案。FAA采取的是比EASA更為具體的認證方案，對eVTOL的適航審定仍然是以23部為基礎，外加適用的專用條件，努力為eVTOL制定出一條獲得認證的確切路徑。中國民航局近年來相繼發布了無人駕駛航空指導性、規范性文件及技術標準，建立了無人機適航管理系統，并開展試驗區先試先行，頒布了億航EH216-S合格審定專用條件，已受理峰飛科技V2000CG的TC申請，推進制訂CCAR-92安全管理規章。各國航空監管部門及國際組織為確保安全性，對無人駕駛自動飛行載客eVTOL的適航審定都十分謹慎，應加強國際交流合作，統一認證標準與監管方案，建立全球通用的針對eVTOL的全新監管體系。

原則建議

無論從上述哪類系統開展eVTOL適配產品研發，主要考慮的原則為安全性、經濟性、輕量化、低功耗和舒適性等。

安全性：eVTOL運行場景是在人口稠密的大城市或城市群內部，由于運行場景的復雜性、空中運行的風險性和運營環境的不確定性，足夠高的安全性是前提條件，再加上公眾對新興產品安全性要求更為嚴格，因此所適配的各類產品或系統必須具有高安全性，才能實現可持續發展。

經濟性：由于其大眾應用場景，目前多家廠商的eVTOL基本標價為百萬級別，因此計劃適配產品的價格方面需要作為重要考慮因素，如何做到經濟性，需要考慮的點包括功能集成、組件集成、系統集成等多個方向。

輕量化：eVTOL整機屬于小型化飛行器，因此全系統部件均需要輕量化、小型化設計。

低功耗：由于eVTOL為電動功能，現階段行業內電池能量密度幾種在300～400Wh/kg，為了保障整機續航里程數，配套產品需要嚴格考慮低功耗設計。

舒適性：載人eVTOL除了技術性能外，還需提供高效、便捷、舒適的飛行體驗，包括乘坐質量、飛行穩定性、艙內噪聲等方面，因此計劃產品需要考慮產品噪聲、穩定性等方面。

總結

本文從eVTOL歷史起源、應用特點、技術分類以及國內外發展情況進行詳細闡述，并針對目前此行業發展挑戰和原則提出建議，旨在為eVTOL領域相關行業提供全面性資料參考。