混合動力eVTOL：當下突破航程限制的必由之路

eVTOL被普遍視為未來城市空中交通的重要工具。為了突破其航程限制，混合動力垂直起降飛行器憑借其廣闊應用前景，正成為推動運輸系統革新的重要方案。

隨著城市空中交通（UAM）成為全球交通系統創新的前沿，電動垂直起降飛行器（eVTOL）因其零排放、垂直起降、低噪聲的特性，被普遍視為短途航空的理想選擇。早期的eVTOL主要依賴鋰電池供能，強調環保和經濟性，例如，行業領先的喬比S4（JobyS4）機型宣稱可實現241km的航程，弓箭手“午夜”（ArcherMidnight）機型設計航程為 150km 。然而，隨著市場需求的多樣化和技術的深入發展，即便是處于行業前沿的純電動方案，最大航程及載重能力仍然受到根本性的限制。電池能量密度成為了制約eVTOL性能水平和應用場景的核心因素，同時對eVTOL的適航認證造成了一定影響。大規模部署eVTOL所需的充電基礎設施在很多國家也是一個難以逾越的障礙。尤其是對于需要更高性能的軍用和長距離商業應用場景，純電eVTOL的短板更加明顯，因此行業內已有一部分玩家開始轉向混合動力技術方案。

eVTOL與直升機動力系統的區別

在動力系統架構方面，現代eVTOL與傳統直升機存在顯著差異。傳統直升機一般只有1個旋翼提供升力，而eVTOL普遍使用6個以上的分布式旋翼。這種設計差異源于幾個關鍵考慮：首先是安全冗余要求，根據FAA的適航標準草案和EASA的SC-VTOL特殊條件，eVTOL必須能夠在任意推進單元失效的情況下維持安全飛行和著陸的能力。分布式電推進系統可以增加推進單元的數量，在單點失效的情況下仍能保持足夠的升力和控制能力。例如，喬比S4配裝了6個傾轉電機，即使在最關鍵的懸停階段損失1個電機，仍能保持平穩飛行。其次是動力裕度要求，垂直起降階段所需的功率是巡航階段的 2.5～3 倍，分布式系統能夠更好地管理這種動態功率需求。相比之下，傳統直升機通過機械傳動機構將發動機的動力分配到一個主旋翼上，系統復雜度較高且存在單點失效風險。

喬比S4垂直起降飛行器。

噪聲特性的同時，將eVTOL航程提升至724km，極大拓展了應用場景。該系統還可以將渦輪發電機的持續功率輸出與電池組的峰值功率相匹配，優化整機的功率管理。

相比之下，并聯式混合動力推進系統的機械結構更簡單，燃油發動機和電動機分別驅動不同的螺旋槳或連接到同一主軸上，共同為飛行器提供動力，因此并聯混動系統相比串聯混動系統更加緊湊。燃油發動機連接變速箱，變速箱驅動螺旋槳。電池通過電控系統為電動機提供電力，電動機再通過離合器連接到變速箱。因此電動機可以獨立或與發動機共同驅動螺旋槳。然而，并聯式混動的缺點也同樣明顯，燃油發動機并不能一直工作在最佳區間內。

eVTOL的電池技術

電池的能量密度是決定航空器性能水平的關鍵因素。當前最先進的航空鋰電池系統級能量密度約為200＼～250Wh/kg。以喬比S4為例，其定制的高性能鋰電池組能量密度約為235Wh/kg。即使是近些年突飛猛進的固態電池、鋰金屬電池等新技術，其極限性能短期內也難以突破500Wh/kg。相較之下，航空燃油的能量密度高達12000Wh/kg。這種數量級的差距不僅影響了最大航程，更直接決定了飛行器的整體性能。以1架四座eVTOL為例，要實現600km的實際航程（包含FAAFARPart91要求的30min備用電量和夜間飛行的額外冗余），即使電池的能量密度可以達到400Wh/kg，僅電池系統重量就將超過1500kg 。按照標準的結構重量比，機體結構占最大起飛重量的 35% ，動力系統約占 20% ，4名乘客商載約450kg，eVTOL的總起飛重量接近 3500kg 。這一重量水平已經遠遠超出了當前電動推進系統的可用設計范圍。

電機，發電機產生的電力再驅動電動機和螺旋槳產生動力，系統較為復雜。串聯式混動結構通過解耦燃油發動機與螺旋槳，保證發動機能夠始終在最佳條件下工作，從而提高了動力系統的耐用性。此外，電動機作為螺旋槳的唯一直接動力，決定了最大輸出功率。串聯式混動的缺點在于功率轉換效率較低。美國貝塔（Beta）公司的ALIA垂直起降飛行器混動版本就采用了創新的串聯混合架構，4個固定電機提供升力，其中1個連接到渦輪發電機的電動機提供水平推力。這種設計在保留電動力系統低

串并聯混合電推進系統結合了串聯和并聯系統的特點，發動機既可以驅動螺旋槳產生動力，也可以驅動發電機產生電力，發電機產生的電能將送到電池中存儲。這一套系統可以在飛行器運行過程中靈活調配能量和動力。

軍事領域轉向混合動力

在混動eVTOL的發展進程中，軍事應用一直是重要的推動力。以美國安杜里爾工業公司為例，該公司基于實戰

混合動力系統的技術方案

在電池技術的約束下，部分具有前瞻性的制造商開始轉向混合動力解決方案?；旌想娡七M系統主要有3種方式：串聯式、并聯式、串并聯混合式。

串聯混動系統由燃油發動機驅動發需求正在開發采用混合動力系統的大型無人eVTOL飛行器。軍事任務對飛行器提出了更為嚴苛的性能要求，不僅需要更長的航程和更大的載重能力，還必須具備在各種極端作戰環境下的實用性與可靠性。在軍事任務中，飛行器的能量補給必須非常迅速，且不能依賴復雜的基礎設施。純電動系統在這方面存在明顯短板，脆弱的充電設施在戰場上是致命缺陷，而有限的航程則會影響作戰靈活性。相比之下，混合動力系統可以利用現有的航空燃料后勤體系，同時兼顧電動飛機的低噪聲和高性能。安杜里爾公司認為混合動力系統具有更強的適應性，其飛行器能夠根據任務需求靈活切換動力模式，在強調隱蔽性的偵察任務中使用純電動模式，在需要長航程的后勤支援任務中使用混合動力模式。這種雙重模式的自由切換使得同一平臺能夠執行多樣化的任務。美國空軍的“敏捷至上”項目近期也逐漸轉向混合動力eVTOL研發。該項目正在與多家eVTOL公司合作，探索混動技術的可能性。美國貝塔（Beta）和弓箭手等公司已經開始針對軍事任務研發混合動力eVTOL。貝塔的渦輪電混動版eVTOL預計可以達到800km的航程，并具備至少900kg的有效載荷。

混動eVTOL相比純電動的 優勢

從整機管理層面來看，混動eVTOL相較于純電動eVTOL更易于維護和操作。雖然混合動力系統增加了渦輪發電機等額外部件，這種架構同時也降低了對大容量電池的依賴，簡化了飛機上最復雜同時也最不可靠的子系統。純電動eVTOL需要管理數百個電池單元，每個電池單元都是潛在的故障源，而且電池性能隨使用時間和環境條件的變化給整機管理帶來了巨大挑戰。相比之下，混合動力系統中的小容量電池組管理更為簡單，而增加的機械部件則是航空業已經高度成熟的技術，具備完善的維護體系和充足的技術儲備。貝塔的ALIA混合動力飛行器采用了模塊化設計理念，將渦輪發電機設計為一個完整的可更換單元，使得維護人員不需要深入系統內部進行復雜的故障排查，能夠在較短時間內完成渦輪發電機的更換。

航空渦輪發動機通過數十年的發展和應用，已經形成了成熟的可靠性標準和維護體系。相比之下，大容量航空用鋰電池系統的長期可靠性數據還在積累中，需要更多實際運營經驗才能建立完整的可靠性評估體系。

在動力系統管理方面，混合動力架構實際上簡化了某些控制難題。純電動架構需要復雜的電池管理系統來處理數百個電池單元的均衡充放電、溫度控制和故障隔離。相比之下，混合系統中的電池容量較小，管理難度顯著降低。同時，渦輪發電機功率輸出穩定的優點也簡化了能量分配策略。

簡單的熱管理系統是混動架構的另一個優勢。純電動架構在快速充放電過程中會產生大量熱量，需要復雜的冷卻系統。混合動力架構中渦輪發電機的熱量可以直接通過傳統航空發動機散熱系統進行處理，而小容量電池組的散熱需求也大幅降低。這不僅降低了系統復雜性，也提高了飛行器的整體可靠性。

在適航認證方面，混合動力eVTOL具有獨特的優勢。盡管FAAFAR-23部適航標準已經給出了通用飛機電推進系統的基本適航框架，仍有大量的條款需要補充和時間的檢驗，而渦輪發動機則擁有完善的FAR-33部認證體系?；旌蟿恿ο到y可以充分利用這些成熟的適航標準，簡化認證過程。有研究者認為，軍用混動eVTOL的發展為民用適航認證提供了寶貴經驗，特別是在系統可靠性驗證、失效模式分析等方面，軍用eVTOL積累的大量實測數據可以幫助局方制定更科學的適航標準。例如美國國防部的MIL-HDBK-516C適航標準中關于混動系統的部分要求就被民用標準所借鑒。此外，混動系統的關鍵部件都有相應的技術標準可循，例如渦輪發電機可參照美國聯邦航空管理局的TSO-C77b渦輪輔助動力裝置（APU）標準，電機控制器適用于TSO一C142b電子件標準，電池系統則需要滿足DO-311A鋰電池標準。相比之下，純電動系統在某些關鍵領域仍缺乏成熟的認證基礎。例如，大容量航空鋰電池的安全性驗證、極端溫度下的性能保證、電池管理系統的可靠性評估等方面都需要建立新的標準。

混合動力系統的技術優勢還體現在運營效率方面。在能量補充效率上，混動系統可在3＼～5min內完成燃油補給，而最優秀的快充型鋰電池也需要20＼～30min才能實現 80% 的充電量。在高頻次任務場景下，這種差異會直接影響到任務效率和經濟性。同時，混動系統可通過調節燃油攜帶量來靈活平衡航程和載荷需求，在短距離任務中減少燃油攜帶量以提高載重能力，而在長距離任務中增加燃油攜帶量以延長航程。這種靈活性是純電動系統無法具備的。在環境適應性方面，混動系統在零下20^°C～40^°C 的溫度范圍內都能保持穩定的性能表現，而鋰電池在低溫下性能衰減顯著，在 0^°C 以下的航程損失可能超過 30% 。

純電動eVTOL對充電設施的需求也非常高。保守估計每架eVTOL的充電功率不低于200kW，即使采用錯峰充電策略，多架eVTOL同時運行對機場的電網系統也提出了不小的挑戰。相比之下，混動系統可以充分利用現有的航空燃油供給體系，無需建設額外的電力基礎設施。這種基礎設施優勢在偏遠地區和應急使用場景中尤為明顯，混動eVTOL可以不受限地快速部署到任何機場和地區。

總結

混合動力方案相比于純電動系統的核心優勢是燃料本身。航空燃油的能量密度是電池的40倍以上，這一差距是純電動系統難以逾越的物理屏障?；靹酉到y結合了渦輪發電機的持續輸出與電池的峰值功率特性，在保持電動系統性能優勢的同時，突破了電池在航程和充電效率上的瓶頸，還可以充分利用現有航空基礎設施，為新一代航空運輸系統開辟了切實可行的發展路徑。

對于600～800km航程的支線航空市場，混動eVTOL有望填補傳統支線航空和高鐵網絡的服務空白。在醫療轉運、海上運輸等專業應用領域，其可靠性和航程優勢也將發揮重要作用。對于航空物流應用場景，混合動力飛行器將提供更靈活的運力支持，滿足快速發展的電商配送需求?；靹臃桨竿ㄟ^簡化最具挑戰性的電池管理環節，降低了飛行器整體的運營維護難度。因此，在可預見的技術發展周期內，混合動力技術都將是長航程垂直起降飛行器的重要發展路徑之一。