電動(dòng)垂直起降航空器（eVTOL）作為低空經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中主要產(chǎn)品形態(tài)，其推進(jìn)方式與傳統(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)相比有了根本的改變，因此相比于傳統(tǒng)直升機(jī)，具有污染少、噪聲低、更加安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，是一種更符合未來(lái)城市空中交通出行的低空航空器。近年來(lái)，隨著我國(guó)低空經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，eVTOL在航空業(yè)界和投資界引起了廣泛關(guān)注，其應(yīng)用領(lǐng)域包括城市交通、醫(yī)療運(yùn)輸、物流配送和旅游觀光等。

eVTOL的基本概念及發(fā)展

eVTOL概念的提出

目前，世界多數(shù)國(guó)家的地面交通狀況普遍極其擁堵，尤其大城市。為了解決這一難題，在旋翼機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展一種新型空中交通工具成為一種解決方案，其核心是垂直起降、無(wú)污染、低噪聲，于是eVTOL應(yīng)運(yùn)而生。

2016年10月，美國(guó)優(yōu)步公司（UBER）發(fā)布了《快速飛入城市空中交通白皮書》，指出正如摩天大樓可以更有效利用有限的城市土地一樣，城市空中交通將利用三維空域緩解地面的交通擁堵；基于eVTOL構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，將能夠在郊區(qū)和城市之間，并最終在市內(nèi)實(shí)現(xiàn)迅速而可靠的交通（見(jiàn)圖1）。由此開始讓eVTOL理念真正地走入全球視野。

美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）于2018年11月發(fā)布了《城市空中交通發(fā)展報(bào)告》，提出了城市空中交通（UAM）的概念，將城市空中交通概念定義為：基于載人航空器和無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的安全、高效城市交通運(yùn)營(yíng)方式，提出了末端配送、空中巴士和空中出租車等典型且最具挑戰(zhàn)性的城市空中運(yùn)輸模式和交通工具。

2019 年，歐洲航空安全局（EASA）針對(duì)eVTOL的認(rèn)證發(fā)布了全新的航空管理規(guī)定，以期建立更有針對(duì)性的全新監(jiān)管體系。隨后，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）也開始加緊推進(jìn)eVTOL適航取證等層面的法規(guī)創(chuàng)新工作，對(duì)原有航空法規(guī)中關(guān)于小型飛機(jī)的認(rèn)證部分進(jìn)行了修訂，允許eVTOL的機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳作為一個(gè)整體進(jìn)行認(rèn)證，這使得推進(jìn)系統(tǒng)和機(jī)體高度集成的eVTOL設(shè)計(jì)理念得到了監(jiān)管層面的支持。

2024年5月23日，歐盟執(zhí)委會(huì)批準(zhǔn)了一項(xiàng)針對(duì)eVTOL的總體政策規(guī)定，由EASA負(fù)責(zé)實(shí)施。該規(guī)定自2025年5月1日起生效，僅適用于有人駕駛eVTOL，對(duì)eVTOL涉及的適航性、運(yùn)行、飛行員執(zhí)照等方面的全部現(xiàn)有規(guī)章進(jìn)行了解讀、補(bǔ)充和修訂，是歐盟迄今為止對(duì)eVTOL最全面、最基礎(chǔ)、最重要的規(guī)定。

至此，eVTOL產(chǎn)業(yè)發(fā)展的外部障礙已逐一被清除，促發(fā)了全球的eVTOL研發(fā)項(xiàng)目如雨后春筍般涌現(xiàn)。現(xiàn)在，eVTOL技術(shù)和先進(jìn)空中交通（AAM）市場(chǎng)的發(fā)展如火如荼，多個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)在進(jìn)行驗(yàn)證機(jī)測(cè)試。

eVTOL市場(chǎng)規(guī)模正在迅速擴(kuò)大

綜觀全球，eVTOL技術(shù)正以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和潛力，引領(lǐng)全球航空工業(yè)的新一輪變革。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：2023年eVTOL的全球市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了125.3億美元；預(yù)計(jì)到2030年，全球eVTOL行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到3000億美元；2040年有望超過(guò)萬(wàn)億美元。

現(xiàn)在，中國(guó)已經(jīng)將低空經(jīng)濟(jì)納入了國(guó)家總體規(guī)劃，相關(guān)扶持政策頻出，顯示出國(guó)家對(duì)發(fā)展低空經(jīng)濟(jì)的決心。低空經(jīng)濟(jì)是以多場(chǎng)景低空飛行活動(dòng)為牽引，輻射帶動(dòng)低空制造、低空飛行、低空保障和綜合服務(wù)等產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展的綜合性產(chǎn)業(yè)形態(tài)。發(fā)展低空經(jīng)濟(jì)不僅可以緩解城市交通，更好的平衡發(fā)展與安全，還可以拓展經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新空間，將低空空域轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫每臻g。

低空航空器是實(shí)現(xiàn)低空經(jīng)濟(jì)的三大物理載體，它們分別是通用航空器、無(wú)人機(jī)和eVTOL。近十多年來(lái)，中國(guó)航空業(yè)界廣大工程技術(shù)人員在研制低空航空器，特別是在VTOL的研制過(guò)程中，攻克了多項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)，取得了顯著進(jìn)展（見(jiàn)圖2）。

2023年，中國(guó)的eVTOL產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到了9.8億元人民幣，同比增長(zhǎng)77.3%，主要集中于中南和華東地區(qū)。多家中國(guó)公司正在深耕該領(lǐng)域，如峰飛航空和沃蘭特航空已經(jīng)發(fā)布了代表性的eVTOL產(chǎn)品，并進(jìn)入試飛測(cè)試和適航取證階段。此外，中國(guó)政府積極推進(jìn)新能源汽車和智能交通領(lǐng)域的發(fā)展，其中也包括eVTOL技術(shù)的研究和開發(fā)。

eVTOL的動(dòng)力系統(tǒng)與磁懸浮方案

eVTOL的動(dòng)力系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)更加安全、高效、環(huán)保的城市空中出行方式，eVTOL的研制過(guò)程中采用了許多新技術(shù)，包括新的設(shè)計(jì)方法、新材料和新工藝等，涉及到的范圍主要有它的氣動(dòng)布局、總體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、飛行控制導(dǎo)航系統(tǒng)、通信鏈路、以及任務(wù)裝載、回收等輔助裝置。

按照垂直起降航空器的定義，所謂“垂直起降航空器”在總體結(jié)構(gòu)上實(shí)質(zhì)上指的就是一種旋翼航空器，可以采用6 種類型的動(dòng)力裝置（見(jiàn)圖3）。顧名思義，eVTOL的動(dòng)力系統(tǒng)必須要包含有電動(dòng)機(jī)和電池，可選擇的動(dòng)力系統(tǒng)只有4種：混合動(dòng)力（燃油發(fā)動(dòng)機(jī)+電動(dòng)機(jī)）、電動(dòng)機(jī)+動(dòng)力電池、電動(dòng)機(jī)+燃料電池、磁懸浮+動(dòng)力電池，因?yàn)檫@4 種動(dòng)力系統(tǒng)都包含了電池在內(nèi)，采用的是電力驅(qū)動(dòng)方式。其中，磁懸浮是一種全新的動(dòng)力系統(tǒng)，非常適合于用到eVTOL上，該項(xiàng)磁懸浮應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)獲得國(guó)家發(fā)明專利。

eVTOL旋翼系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

包括eVTOL在內(nèi)的旋翼航空器，要想實(shí)現(xiàn)垂直起降和空中懸停，必須要安裝有能夠產(chǎn)生克服重力的升力裝置，稱為旋翼系統(tǒng)。

旋翼系統(tǒng)是由一組長(zhǎng)而窄的扁平葉片組成的，通過(guò)中心槳?dú)：椭鬏S連接到動(dòng)力裝置上（見(jiàn)圖4）。當(dāng)動(dòng)力裝置啟動(dòng)工作時(shí)，旋翼開始旋轉(zhuǎn)。旋翼的旋轉(zhuǎn)速度非常高，通?？梢赃_(dá)到每分鐘數(shù)百轉(zhuǎn)。高速旋轉(zhuǎn)的旋翼槳葉在空中切入空氣，產(chǎn)生了強(qiáng)大的氣流，將空氣由上向下推。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)的伯努利定律，當(dāng)氣流通過(guò)旋翼槳葉上表面時(shí)，由于槳葉上表面的曲率較大，氣流速度增加，壓力減小，產(chǎn)生了向上的升力，將旋翼航空器整體抬離地面，升空飛行。

安裝在航空器上的螺旋槳，按外面有沒(méi)有安裝涵道分為兩類：安裝了涵道的稱為涵道風(fēng)扇系統(tǒng)，和沒(méi)有安裝涵道的稱為開放旋翼系統(tǒng)。不論是開放旋翼系統(tǒng)，還是涵道風(fēng)扇系統(tǒng)，又根據(jù)其槳葉的槳距是否可變，分為定距螺旋槳（旋翼）和變距螺旋槳（旋翼）兩大類。定距螺旋槳的槳葉安裝角（槳距）是固定的，優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，重量輕，缺點(diǎn)是只在選定的速度范圍內(nèi)效率較高，在其他狀態(tài)下效率較低。變距螺旋槳的槳葉安裝角（槳距）可變，高速時(shí)用高距，低速時(shí)用低距。螺旋槳變距機(jī)構(gòu)由液壓或電力驅(qū)動(dòng)，可使空氣螺旋槳始終處于最佳工作狀態(tài)。

開放旋翼系統(tǒng)

在開放旋翼系統(tǒng)中，旋翼葉片全部直接暴露在空氣中（見(jiàn)圖5），與飛行中的相對(duì)氣流相互作用，產(chǎn)生升力和前進(jìn)力。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，槳盤平面大，維護(hù)成本低，載重大；缺點(diǎn)是槳葉因高速圓周運(yùn)動(dòng)使葉尖處速度最高，誘導(dǎo)阻力比較大，噪聲大，氣動(dòng)效率低。

在旋翼旋轉(zhuǎn)面內(nèi)的分量形成阻止螺旋槳旋轉(zhuǎn)的力矩，由發(fā)動(dòng)機(jī)的力矩來(lái)平衡。槳葉剖面弦（相當(dāng)于翼弦）與旋轉(zhuǎn)平面夾角稱槳葉安裝角。螺旋槳旋轉(zhuǎn)一圈，以槳葉安裝角為導(dǎo)引向前推進(jìn)的距離稱為槳距。實(shí)際上槳葉上每一剖面的前進(jìn)速度（角速度）都是相同的，但圓周速度則與該剖面距轉(zhuǎn)軸的距離（半徑）成正比，所以各剖面相對(duì)氣流與旋轉(zhuǎn)平面的夾角隨著離轉(zhuǎn)軸的距離增大而逐步減小，為了使槳葉每個(gè)剖面與相對(duì)氣流都保持在有利的迎角范圍內(nèi)，各剖面的安裝角也隨著與轉(zhuǎn)軸的距離增大而減小。這就是每個(gè)槳葉都有扭轉(zhuǎn)的原因。

涵道風(fēng)扇

如果在空氣螺旋槳外面加一個(gè)圓桶形外殼（罩子）將旋翼保護(hù)起來(lái)，就構(gòu)成了一種新的空氣螺旋槳結(jié)構(gòu)體，稱為涵道風(fēng)扇（Ducted Fan），如圖6所示。隨著航空技術(shù)的快速發(fā)展，涵道風(fēng)扇的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，涵道風(fēng)扇氣動(dòng)性能的研究受到各國(guó)科研人員的高度重視。

雖然開放旋翼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用、應(yīng)用廣泛，但由于開放旋翼系統(tǒng)的槳葉旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)主要存在的阻力有空氣摩擦阻力、壓差阻力、誘導(dǎo)阻力和干擾阻力等，槳葉因高速圓周運(yùn)動(dòng)使葉尖處速度最高，誘導(dǎo)阻力比較大，不僅對(duì)外界空氣氣流產(chǎn)生沖擊，造成噪聲大，旋翼工作效率低。而且，由于開放旋翼系統(tǒng)的槳葉是懸臂梁式的結(jié)構(gòu)桿件，在氣動(dòng)力作用下葉尖處容易變形而導(dǎo)致氣動(dòng)環(huán)境進(jìn)一步惡化，受到音障限制，因此使用開放旋翼航空器的前飛速度慢，難以超過(guò)200～300km/h。

為了克服開放旋翼系統(tǒng)的這些固有缺陷，涵道風(fēng)扇應(yīng)運(yùn)而生。與開放旋翼系統(tǒng)相比，涵道對(duì)旋翼槳葉起到一定的保護(hù)作用，具有安全性高、結(jié)構(gòu)更加緊湊、氣動(dòng)效率高及噪聲低等特點(diǎn)。涵道風(fēng)扇系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是把旋翼包在一個(gè)由復(fù)合材料制成的直徑比較小的圓桶（涵道）內(nèi)部，當(dāng)旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)形成所謂涵道氣流。涵道風(fēng)扇的工作原理與開放旋翼相同，它們的區(qū)別在于兩者的工作環(huán)境有較大差別。

涵道風(fēng)扇航空器在前飛時(shí)，涵道處于前方來(lái)流和風(fēng)扇吸流的復(fù)雜氣流中，其升力、阻力和俯仰力矩對(duì)整機(jī)的配平乃至穩(wěn)定控制具有決定性影響。由于涵道風(fēng)扇內(nèi)旋翼槳葉槳尖處空氣流動(dòng)受涵道限制，因而沖擊噪聲減小，誘導(dǎo)阻力減少，氣動(dòng)效率能提高10%～15%。在同樣功率消耗下，涵道風(fēng)扇比同樣直徑的開放旋翼產(chǎn)生的升力更大。

在相同的旋翼轉(zhuǎn)速下，涵道風(fēng)扇的滑流區(qū)氣流速度要小于開放旋翼，導(dǎo)致涵道風(fēng)扇系統(tǒng)的旋翼拉力小于開放旋翼拉力，但是涵道壁會(huì)產(chǎn)生附加拉力，使得涵道風(fēng)扇系統(tǒng)的整體拉力要大于開放旋翼系統(tǒng)的拉力。另外，涵道風(fēng)扇的扭矩略小于開放旋翼系統(tǒng)的扭矩，這主要是由于涵道的存在改變了滑流狀態(tài)，使得涵道風(fēng)扇系統(tǒng)的整體拉力大為提高，而扭矩卻略微減小。

涵道產(chǎn)生氣動(dòng)效率增益的原理主要有兩點(diǎn)：首先，涵道必須足夠高，通常涵道的高度h應(yīng)大于0.4 D（直徑），并且有一個(gè)完整的圓潤(rùn)飽滿的邊緣。涵道的存在使得旋翼的滑流場(chǎng)發(fā)生改變，降低了空氣滑流速度，改善了旋翼槳尖區(qū)域的繞流特性，減小了槳尖損失，從而在一定程度上提高了旋翼的氣動(dòng)效率；其次，旋翼吸流在涵道唇口處產(chǎn)生繞流，形成低壓區(qū)，使涵道壁產(chǎn)生附加拉力，其最大值可達(dá)總拉力的60%左右。與此同時(shí)，由于涵道的環(huán)繞作用， 其結(jié)構(gòu)緊湊、氣動(dòng)噪聲低、不易受外界因素干擾、使用安全性好。涵道風(fēng)扇的缺點(diǎn)是：為了提高氣動(dòng)效率要求槳葉的葉尖和管道間的間隙非常小，通常要求旋翼槳尖和內(nèi)壁的距離控制在槳盤直徑的5‰之內(nèi)。

涵道風(fēng)扇內(nèi)的旋翼數(shù)量有兩種類型，一種是單個(gè)旋翼，另一種是共軸雙旋翼，后者有兩個(gè)直徑和結(jié)構(gòu)相同的旋翼繞同一理論軸線一正一反旋轉(zhuǎn)，起到相互抵消反扭矩的作用。對(duì)于共軸雙旋翼的涵道風(fēng)扇，根據(jù)涵道內(nèi)包含旋翼的數(shù)量（1或2個(gè)）分為兩類：

（1）全涵道風(fēng)扇。不論涵道內(nèi)的旋翼是1個(gè)還是2個(gè)，如果所有旋翼完全包含在涵道內(nèi)，則稱之為“全涵道風(fēng)扇”（見(jiàn)圖6）。

（2）半涵道風(fēng)扇。對(duì)于共軸雙旋翼涵道風(fēng)扇，如果只有1個(gè)旋翼包含在涵道內(nèi)，另一個(gè)完全曝露在涵道外，則稱之為“半涵道風(fēng)扇”（見(jiàn)圖7），如果包含在涵道內(nèi)的是上旋翼，則稱為“上半涵道風(fēng)扇”；反之，如果包含在涵道內(nèi)的是下旋翼，則稱為“下半涵道風(fēng)扇”。

也有一些eVTOL航空器沒(méi)有采用涵道風(fēng)扇的設(shè)計(jì)方案，而是在開放螺旋槳外面加了一個(gè)保護(hù)罩，保護(hù)罩的厚度很?。ㄒ?jiàn)圖8），起不到“涵道”提升性能的作用，只是起保護(hù)螺旋槳不會(huì)觸蹭到周圍人員或物品的作用。

綜合來(lái)說(shuō)，涵道風(fēng)扇的優(yōu)點(diǎn)是：由于旋翼槳葉葉尖處受涵道限制，沖擊噪聲減??；誘導(dǎo)阻力減少，效率較高。在同樣功率消耗下， 涵道風(fēng)扇較同樣直徑的開放旋翼系統(tǒng)， 會(huì)產(chǎn)生更大的推力。同時(shí)由于涵道的環(huán)括作用， 使旋翼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、氣動(dòng)噪聲低、使用安全性好，已廣泛應(yīng)用于各種交通工具尤其是航空器中（見(jiàn)圖9）。

缺點(diǎn)則是：良好的效率要求旋翼槳葉葉尖和管道間的間隙要非常小，風(fēng)道三維形狀設(shè)計(jì)復(fù)雜，加工工藝要求高。除此外，以旋翼系統(tǒng)中心軸作為傳動(dòng)軸的常規(guī)涵道風(fēng)扇，其旋翼直徑不能超過(guò)1m，這意味著常規(guī)涵道風(fēng)扇只能應(yīng)用在小型航空器上，而無(wú)法應(yīng)用到大中型航空器。

磁懸浮動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)方案

要想充分發(fā)揮涵道風(fēng)扇噪聲低、效率高、安全性好的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用到大中型eVTOL上，必須解決常規(guī)涵道風(fēng)扇只能應(yīng)用在小型旋翼航空器上的問(wèn)題。為此，首先要分析造成這一問(wèn)題的原因。

通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：以旋翼系統(tǒng)中心軸作為旋翼驅(qū)動(dòng)軸的常規(guī)涵道風(fēng)扇，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩與旋翼轉(zhuǎn)速n的平方及旋翼槳葉直徑D的四次方呈線性正相關(guān)，因此隨著旋翼轉(zhuǎn)速的提高和直徑的增大，維持槳葉旋轉(zhuǎn)所需的轉(zhuǎn)矩會(huì)以指數(shù)級(jí)趨勢(shì)上升，出現(xiàn)所謂的“效率崩潰”。由于受限于散熱、材料等因素的限制，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子存在磁飽和問(wèn)題，因此電動(dòng)機(jī)即使功率足夠大，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)也難以輸出足夠的轉(zhuǎn)矩，最終制約了常規(guī)涵道風(fēng)扇中旋翼槳葉向大尺寸方向的發(fā)展。為了避免發(fā)生“效率崩潰”現(xiàn)象，目前大多采用多旋翼的氣動(dòng)布局方式，通過(guò)在航空器旋翼水平面內(nèi)對(duì)稱布置多個(gè)小直徑旋翼，帶動(dòng)整個(gè)機(jī)體實(shí)現(xiàn)升空飛行，但由于多旋翼航空器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)身空間利用率低，因此這樣的氣動(dòng)布局并不是中大型eVTOL的理想解決方案。

為了解決常規(guī)涵道風(fēng)扇的電動(dòng)機(jī)難以輸出大轉(zhuǎn)矩的難題，磁懸浮動(dòng)力裝置應(yīng)運(yùn)而生。其基本思路是：改變以旋翼系統(tǒng)中心軸作為旋翼驅(qū)動(dòng)軸的方式，改換成以靠近旋翼系統(tǒng)外緣的涵道風(fēng)扇內(nèi)壁作為旋翼驅(qū)動(dòng)的方式。參照磁懸浮高速列車在圓形軌道上運(yùn)行的方式（見(jiàn)圖10），設(shè)計(jì)出一款“邊緣磁懸浮驅(qū)動(dòng)”的涵道風(fēng)扇。由圖11可以看出：當(dāng)微型磁懸浮高速列車在圓形軌道上高速運(yùn)行時(shí)，將足夠多的微型磁懸浮車箱首尾相連，正好圍成一個(gè)直徑與涵道風(fēng)扇內(nèi)徑相同的圓圈，相嵌到涵道風(fēng)扇內(nèi)壁上，就構(gòu)成了磁懸浮旋轉(zhuǎn)動(dòng)力圈。用幾根（例如5根）驅(qū)動(dòng)桿將磁懸浮滑塊（相當(dāng)于微型磁懸浮列車車箱）連接到位于涵道風(fēng)扇中心位置的旋翼槳?dú)Ｉ希纯蓭?dòng)旋翼槳葉高速轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生向上的升力，實(shí)現(xiàn)eVTOL升空飛行的目的。

eVTOL磁懸浮動(dòng)力裝置既可以采用單旋翼涵道風(fēng)扇形式，也可以做成雙旋翼涵道風(fēng)扇。通常為了增加eVTOL磁懸浮動(dòng)力裝置的有效功率，增大總升力，磁懸浮涵道風(fēng)扇的旋翼系統(tǒng)多采用共軸雙螺旋槳（見(jiàn)圖12）。上、下兩個(gè)旋翼之間安裝有反向齒輪，使它們的旋轉(zhuǎn)方向相反。對(duì)于具有尾推螺旋槳的eVTOL磁懸浮動(dòng)力裝置，在旋翼槳?dú)Ｇ岸税惭b有電動(dòng)離合器及尾推螺旋槳傳動(dòng)軸，用來(lái)驅(qū)動(dòng)尾推螺旋槳旋翼工作。

當(dāng)eVTOL處于上升，懸停狀態(tài)和過(guò)渡狀態(tài)時(shí)，涵道風(fēng)扇的旋翼和兩個(gè)處于水平旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的尾推螺旋槳，構(gòu)成多旋翼航空器飛行狀態(tài)，以確保eVTOL安全飛行。

當(dāng)eVTOL處于穩(wěn)定的前飛狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)電動(dòng)離合器，使涵道風(fēng)扇的旋翼停止旋轉(zhuǎn)而處于靜止?fàn)顟B(tài)。eVTOL所需向上的升力完全由固定機(jī)翼承擔(dān)，涵道風(fēng)扇的上下兩個(gè)端口，將由用復(fù)合材料制造的薄片，以類似照相機(jī)鏡頭蓋伸縮的方式，將它們覆蓋起來(lái)。此時(shí)，eVTOL向前飛行的推力由位于機(jī)體后部的兩個(gè)處于垂直平面旋轉(zhuǎn)的尾推螺旋槳提供，其工作方式是：磁懸浮動(dòng)力裝置通過(guò)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)兩個(gè)尾推螺旋槳旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向前的推力，推動(dòng)磁懸浮eVTOL向前飛行。

磁懸浮eVTOL的氣動(dòng)布局

航空器的氣動(dòng)布局是指決定它空氣動(dòng)力學(xué)性能的部件布置方案。雖然影響航空器氣動(dòng)性能的因素有很多，但作為產(chǎn)生空氣動(dòng)力的主要部件，如固定機(jī)翼、旋翼、尾翼及尾推螺旋槳等的特性和相互間的位置關(guān)系是最關(guān)鍵的。

eVTOL氣動(dòng)布局的分類

目前，雖然全世界eVTOL的眾多設(shè)計(jì)方案中所包含的氣動(dòng)布局有很多種類，五花八門，而且都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但是它們都是從固定翼飛行器和旋翼飛行器這兩種最基本的氣動(dòng)布局衍生或組合出來(lái)的，可以將它們的氣動(dòng)布局歸結(jié)為兩大類：多旋翼eVTOL類型和復(fù)合eVTOL類型（見(jiàn)圖13），其中后者是在固定翼無(wú)人機(jī)上加裝升力系統(tǒng)后復(fù)合而成，具有明顯的雜交優(yōu)勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，目前的設(shè)計(jì)方案中，約30%采用多旋翼氣動(dòng)布局，70%采用復(fù)合氣動(dòng)布局。

除了少數(shù)使用傾轉(zhuǎn)電動(dòng)涵道噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合eVTOL以外，大多數(shù)復(fù)合eVTOL上安裝的是旋翼系統(tǒng)，按其結(jié)構(gòu)劃分有開放旋翼和涵道風(fēng)扇兩種；按其工作內(nèi)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(shí)能產(chǎn)生向上的升力，以承擔(dān)復(fù)合eVTOL的重量，保持其在空中懸?；蛳蛏巷w行姿態(tài)；推力（或拉力）旋翼是指旋翼平面可以是豎直的，工作時(shí)能產(chǎn)生向前的推力（或拉力），以克服復(fù)合eVTOL向前飛行時(shí)的氣動(dòng)阻力，保持其在空中向前飛行姿態(tài)，進(jìn)行巡航飛行。

多旋翼eVTOL總體結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)布局

多旋翼eVTOL實(shí)質(zhì)上是在電動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)的基礎(chǔ)上，增加安裝了適合人員乘坐的座艙、座椅和相關(guān)設(shè)備所構(gòu)成的一種全新的載人航空器。多旋翼eVTOL的總體結(jié)構(gòu)由多個(gè)旋翼、機(jī)體、座艙、起落裝置和動(dòng)力裝置（電動(dòng)機(jī)）五個(gè)主要部分組成（見(jiàn)圖14）。

多旋翼eVTOL采用旋翼旋轉(zhuǎn)變速或槳葉變總距（無(wú)周期變距）的方式改變各個(gè)旋翼升力的大小，因而取消了傳統(tǒng)無(wú)人直升機(jī)操縱系統(tǒng)中必不可少的自動(dòng)傾斜器，從而大大簡(jiǎn)化了總體結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)械可靠性，降低了成本。

多旋翼eVTOL的氣動(dòng)布局多種多樣，主要是受其旋翼數(shù)量和位置所決定的。按旋翼軸數(shù)分為3軸、4軸、6軸、8軸等，其中4、6軸較為常見(jiàn)（見(jiàn)圖15）。氣動(dòng)布局根據(jù)最前與最后兩個(gè)旋翼軸的連線與機(jī)體前進(jìn)方向是否在同一直線上，可劃分為I形（或稱為+形）和X形兩種。如果連線與前進(jìn)方向是在同一直線上，多旋翼eVTOL呈I形，否則呈X形。由于X形結(jié)構(gòu)的實(shí)用載荷前方的視野比I形的更加開闊，所以在實(shí)際應(yīng)用中，多旋翼eVTOL大多采用X形外形結(jié)構(gòu)，即X形布局占主流。除了這兩種類型以外，還有其他類型的結(jié)構(gòu)外形，包括V形、Y形等。

多旋翼eVTOL通過(guò)多個(gè)旋翼共同產(chǎn)生向上的升力，克服自身重力實(shí)現(xiàn)在垂直方向的上下移動(dòng)，并通過(guò)改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度實(shí)現(xiàn)在水平方向的各向移動(dòng)。其飛行原理允許它實(shí)現(xiàn)懸停和低速飛行。為了在不增大體積的情況下使多旋翼eVTOL的總功率更大，最簡(jiǎn)單的辦法是把兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)上下疊放，上下兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)大小相同、轉(zhuǎn)向相反的旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)，使它們產(chǎn)生的反扭矩相互抵消（見(jiàn)圖16），其氣動(dòng)布局包括Y形共軸雙槳三軸六旋翼，V形共軸雙槳四軸八旋翼等類型。這種氣動(dòng)布局雖然能節(jié)省空間，但由于上下疊放的兩個(gè)旋翼之間存在著較大的空氣動(dòng)力干擾，會(huì)導(dǎo)致有用功率下降20%。

多旋翼eVTOL總體布局有三種類型的構(gòu)型：無(wú)固定機(jī)翼構(gòu)型，有固定機(jī)翼構(gòu)型和磁懸浮動(dòng)力構(gòu)型，其中磁懸浮動(dòng)力構(gòu)型如圖17所示。可以看出多旋翼eVTOL磁懸浮動(dòng)力構(gòu)型與科幻小說(shuō)中外星人飛船十分相似。但實(shí)際上它是一個(gè)具有4個(gè)旋翼的多旋翼無(wú)人機(jī)，動(dòng)力系統(tǒng)采用4 個(gè)磁懸浮動(dòng)裝置，分別安裝飛碟四周；在位于機(jī)體中央的乘客座艙中有5 個(gè)座椅，可以乘坐5人（見(jiàn)圖18）。

復(fù)合無(wú)人機(jī)氣動(dòng)布局的類型

固定翼無(wú)人機(jī)具備飛行速度快、飛行高度高、飛行時(shí)間長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性好（省油或省電）等優(yōu)點(diǎn)；旋翼無(wú)人機(jī)具備垂直起降、懸停、低空樹梢高度飛行等特點(diǎn)。將固定翼與旋翼無(wú)人機(jī)融合起來(lái)，形成一種新型的復(fù)合無(wú)人機(jī)，即在固定翼無(wú)人機(jī)氣動(dòng)布局的基礎(chǔ)上，加上多個(gè)旋翼后而得到的一種氣動(dòng)布局。

對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)的空氣動(dòng)力展開分析可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)固定翼無(wú)人機(jī)受到的空氣動(dòng)力就是各部件受到的空氣動(dòng)力之和，其升力主要由機(jī)翼提供，所有外部件都會(huì)產(chǎn)生阻力。固定翼無(wú)人機(jī)總體空氣動(dòng)力形態(tài)布局與位置安排稱作氣動(dòng)布局，即固定翼無(wú)人機(jī)氣動(dòng)布局是指它的各翼面，如主翼、尾翼等是如何放置安裝在機(jī)體上而成為一個(gè)整體的。氣動(dòng)布局同無(wú)人機(jī)外形構(gòu)造與它的動(dòng)態(tài)特性及所受到的空氣動(dòng)力密切相關(guān)，關(guān)系到無(wú)人機(jī)的飛行特征及飛行性能。

無(wú)人機(jī)氣動(dòng)布局的概念與總體結(jié)構(gòu)布局的概念是不一樣的。無(wú)人機(jī)氣動(dòng)布局與它所受到的空氣動(dòng)力密切相關(guān)，主要關(guān)系到無(wú)人機(jī)的飛行特征及動(dòng)態(tài)特性，特別是對(duì)無(wú)人機(jī)飛行中平衡、穩(wěn)定性、操縱性和機(jī)動(dòng)性起關(guān)鍵作用。簡(jiǎn)單地說(shuō)，固定翼無(wú)人機(jī)氣動(dòng)布局就是指其主要產(chǎn)生和承受空氣動(dòng)力的各翼面，如主翼、尾翼等是如何放置的，至于固定翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力裝置及任務(wù)載荷等放在哪里的問(wèn)題，則籠統(tǒng)地稱為固定翼無(wú)人機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布局。

固定翼無(wú)人機(jī)的任務(wù)需求（用戶需求）不同，其總體設(shè)計(jì)任務(wù)和飛行性能要求也就不一樣，這必然導(dǎo)致氣動(dòng)布局形態(tài)各異，別具特色（見(jiàn)圖19）?，F(xiàn)代固定翼無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)布局有很多種，其中最常見(jiàn)用作復(fù)合無(wú)人機(jī)基礎(chǔ)的氣動(dòng)布局有5種：傳統(tǒng)常規(guī)布局（圖19a）、飛翼布局（圖19b）、鴨翼布局（圖19c），串列翼布局（圖19d）和三重翼布局（圖19e），這些氣動(dòng)布局都有各自的特殊性及優(yōu)缺點(diǎn)，特色各異，選擇氣動(dòng)布局形式是一個(gè)綜合考慮、仔細(xì)分析和折衷處理的過(guò)程。

eVTOL自動(dòng)駕駛要求

按照UAM的目標(biāo)，一個(gè)城市上空同一時(shí)間可能會(huì)有成千上萬(wàn)架eVTOL在飛行。為了確保飛行與地面安全，所有eVTOL應(yīng)采用先進(jìn)的無(wú)人自動(dòng)駕駛技術(shù)，包括飛行航線間的自主飛行。地面控制站只是作為飛行監(jiān)督平臺(tái)，起監(jiān)測(cè)監(jiān)視作用，有必要時(shí)才接入監(jiān)管。無(wú)人自動(dòng)駕駛的優(yōu)勢(shì)是全自主動(dòng)飛行，既避免了可能發(fā)生的人為事故，又降低了成本。

eVTOL全自主飛行能力是指其在沒(méi)有操控人員的干預(yù)下，可以根據(jù)自身的狀態(tài)和感知信息自主執(zhí)行任務(wù)的能力，包括飛行環(huán)境感知與規(guī)避技術(shù)、飛行路徑規(guī)劃技術(shù)和飛行控制技術(shù)。其中飛行環(huán)境感知與規(guī)避技術(shù)是指無(wú)人機(jī)自主及時(shí)躲避障礙物的智能技術(shù)，通常分為三個(gè)階段：感知障礙物階段、自主繞開階段和規(guī)劃路徑階段。目前，eVTOL常用的避障設(shè)備和技術(shù)主要有紅外避障、超聲波避障、激光避障、毫米波雷達(dá)避障、機(jī)器視覺(jué)避障等，eVTOL能夠通過(guò)這些傳感器感知到其他航空器或鳥類的運(yùn)動(dòng)軌跡。與此同時(shí)，eVTOL的傳感器和計(jì)算平臺(tái)都需要滿足適航的要求，且計(jì)算平臺(tái)還能滿足深度學(xué)習(xí)和自動(dòng)駕駛需要的性能。

基于安全性、低成本和低噪聲三要素，從發(fā)展的角度來(lái)看，雖然目前有一些正在研發(fā)的eVTOL設(shè)計(jì)方案尚未具備全自主飛行能力，只能進(jìn)行有人駕駛或半自主飛行。但可以預(yù)見(jiàn)到：當(dāng)eVTOL研制發(fā)展到定型階段以后，真正大批量推向市場(chǎng)，投入到實(shí)際運(yùn)營(yíng)階段時(shí)，一定會(huì)發(fā)展為具有全自主飛行能力的無(wú)人駕駛，因?yàn)樵诂F(xiàn)代全球市場(chǎng)激烈的生存競(jìng)爭(zhēng)中，安全性、低成本、低噪聲、再加上零污染，這四大要素起關(guān)鍵作用，優(yōu)勝劣汰原則是無(wú)可抗拒的。

eVTOL乘客座艙

eVTOL的乘客座艙除具有保護(hù)人體免受飛行過(guò)程中異常環(huán)境因素危害的作用外， 也需要提供一定的舒適環(huán)境。乘客座艙作為eVTOL氣動(dòng)布局和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的組成部分，尤其是座艙內(nèi)部裝飾與乘客直接接觸，會(huì)對(duì)乘客的視覺(jué)、心理和意識(shí)活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的影響，能提升乘客的飛行體驗(yàn)。對(duì)于不同身高的人，座椅的高度應(yīng)該相應(yīng)調(diào)整以提供舒適的支持。例如，身高160cm的人適合坐高約為700mm的座椅，身高180cm的人則適合坐高約為810mm的座椅。簡(jiǎn)言之，乘客座艙不僅關(guān)系到乘客的舒適和安全，也對(duì)航空公司的經(jīng)濟(jì)效益、品牌形象和乘客忠誠(chéng)度產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

乘客座艙的整體布局直接決定了eVTOL的整體裝飾效果和視覺(jué)感官，其中座艙設(shè)施的造型是整體座艙裝飾設(shè)計(jì)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(zhuǎn)向等是座艙整體效果的具體體現(xiàn)。在進(jìn)行座艙設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要注重座艙內(nèi)部各系統(tǒng)功能的實(shí)用性，還要關(guān)注內(nèi)部裝飾的視覺(jué)感官性，良好的視覺(jué)感受可以使乘客在飛行過(guò)程中有一種賓至如歸的親切感。

復(fù)合eVTOL磁懸浮動(dòng)力構(gòu)型

在圖13中“固定旋翼構(gòu)型”是指升力旋翼系統(tǒng)安裝在機(jī)身或機(jī)翼上的位置和指向是固定的；“傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型”是指升力旋翼系統(tǒng)相對(duì)于機(jī)翼平面是可以傾轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)動(dòng)）的；“傾轉(zhuǎn)機(jī)翼構(gòu)型”是指升力旋翼固定安裝在機(jī)翼上，可隨著機(jī)翼一起傾轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)動(dòng)）；“單旋翼構(gòu)型”是指只安裝了一個(gè)升力旋翼（開放旋翼）系統(tǒng)；“傾轉(zhuǎn)電動(dòng)涵道噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型”是指安裝在機(jī)翼上的電動(dòng)涵道噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于機(jī)翼平面是可以傾轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)動(dòng)）的；“磁懸浮動(dòng)力構(gòu)型”只適合于固定機(jī)翼飛翼布局，其中eVTOL單磁懸浮動(dòng)力構(gòu)型如圖20所示，雙磁懸浮動(dòng)力構(gòu)型如圖21所示。

復(fù)合eVTOL飛翼氣動(dòng)布局磁懸浮動(dòng)力構(gòu)型的定義是：在飛翼氣動(dòng)布局固定翼無(wú)人機(jī)基礎(chǔ)上，增加安裝多個(gè)由磁懸浮動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的升力旋翼系統(tǒng)及適合人員乘坐的座艙、座椅和相關(guān)設(shè)備。從圖20和圖22可看出：飛翼布局沒(méi)有傳統(tǒng)常規(guī)氣動(dòng)布局無(wú)人機(jī)的桶狀機(jī)身，而是采用翼身融合（BWB）的設(shè)計(jì)方案，從而難以分辨出機(jī)身與機(jī)翼的分界面，整個(gè)機(jī)體如同一個(gè)巨大的機(jī)翼。所有的機(jī)載設(shè)備完全浸沒(méi)在巨大的機(jī)翼內(nèi)，因此其外形可依氣動(dòng)性能最優(yōu)的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)機(jī)體都設(shè)計(jì)成為一個(gè)升力面；同時(shí)去除了平尾、垂尾等外形突起部件，從而有效降低了浸潤(rùn)面積，有助于減少阻力，提高升阻比。與傳統(tǒng)常規(guī)氣動(dòng)布局相比較，飛翼氣動(dòng)布局在氣動(dòng)效率和隱身性能上有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，能滿足超長(zhǎng)航時(shí)、超高空、低可探測(cè)性等苛刻的性能要求。其缺點(diǎn)主要是操控難度大，航空器偏轉(zhuǎn)或縱向擺動(dòng)時(shí)難以及時(shí)糾正。

復(fù)合eVTOL采用飛翼氣動(dòng)布局時(shí)，首先要解決其復(fù)雜的設(shè)計(jì)匹配問(wèn)題。既要考慮在飛行中如何實(shí)現(xiàn)足夠縱向穩(wěn)定性的機(jī)翼配置問(wèn)題，又要仔細(xì)安排好復(fù)合eVTOL圍繞縱軸從垂直起落飛行狀態(tài)向水平飛行的基本要求。為了充分發(fā)揮飛翼氣動(dòng)布局的優(yōu)勢(shì)，需要對(duì)其翼型進(jìn)行高效設(shè)計(jì)，包括機(jī)體的內(nèi)翼區(qū)、中間區(qū)和翼尖區(qū)的翼型優(yōu)化設(shè)計(jì)。

采用飛翼氣動(dòng)布局時(shí)，機(jī)體各區(qū)域的翼型設(shè)計(jì)要求不盡相同。其中機(jī)體內(nèi)翼區(qū)的翼型需要抬頭力矩以幫助機(jī)體達(dá)到縱向力矩配平，以及良好的隱身特性；機(jī)體中間區(qū)翼型要求具有良好的巡航升阻特性、阻力發(fā)散特性和一定的抬頭力矩，以配合實(shí)現(xiàn)縱向力矩配平；機(jī)體翼尖區(qū)則面臨氣動(dòng)減阻和隱身特性的設(shè)計(jì)要求。

由于抬頭力矩約束和隱身設(shè)計(jì)要求，構(gòu)成飛翼氣動(dòng)布局機(jī)體的翼型均呈現(xiàn)明顯的前緣正加載和后緣反加載的外形特征。對(duì)翼型這兩種加載特征進(jìn)行合理配置，可以在保持縱向力矩配平的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)飛翼氣動(dòng)布局的空氣動(dòng)力和隱身特性的共贏。

飛翼氣動(dòng)布局的翼型設(shè)計(jì)是綜合了氣動(dòng)、隱身、控制等復(fù)雜多學(xué)科設(shè)計(jì)的問(wèn)題，特別是飛翼結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)體重心位置的要求比其他類型氣動(dòng)布局更嚴(yán)格，而且這些設(shè)計(jì)要求很難同時(shí)完全得到滿足，給優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大的困難，造成了常用的經(jīng)典常規(guī)翼型設(shè)計(jì)方法在飛翼氣動(dòng)布局上應(yīng)用效果不理想，因而采用飛翼氣動(dòng)布局的設(shè)計(jì)方案也比較少。

磁懸浮復(fù)合eVTOL采用飛翼氣動(dòng)布局的原因是：其他氣動(dòng)布局不適宜采用磁懸浮動(dòng)力構(gòu)型。復(fù)合eVTOL磁懸浮動(dòng)力構(gòu)型采用旋翼外緣的涵道風(fēng)扇內(nèi)壁作為旋翼驅(qū)動(dòng)的方式，要求涵道風(fēng)扇的直徑很大，通常至少要有3m或更大。復(fù)合eVTOL氣動(dòng)布局除了飛翼布局的機(jī)翼寬度和機(jī)翼整體面積比較大（猶如一片在空中飄楊的樹葉）以外，其他類型eVTOL氣動(dòng)布局的機(jī)翼的寬度比較窄，難以容下磁懸浮動(dòng)力構(gòu)型所需的大直徑涵道風(fēng)扇。如果非要把磁懸浮動(dòng)力裝置安裝在機(jī)翼寬度比較窄的eVTOL上，有可能會(huì)損害其整體結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)完整性。

常見(jiàn)的幾種復(fù)合eVTOL氣動(dòng)布局對(duì)比

常見(jiàn)的幾種eVTOL氣動(dòng)布局示意圖如圖24所示。圖中前三種機(jī)型的動(dòng)力裝置為普通純電或油電混合動(dòng)力系統(tǒng)，后三種機(jī)型的動(dòng)力裝置為磁懸浮動(dòng)力系統(tǒng)。其中圖24（a）為常規(guī)電動(dòng)多旋翼氣動(dòng)布局；圖24（b）為常規(guī)氣動(dòng)布局的傾轉(zhuǎn)機(jī)翼構(gòu)型；圖24（c）采用常規(guī)氣動(dòng)布局的傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型；圖24（d）為多旋翼磁懸浮動(dòng)力構(gòu)型；圖24（e）和圖24（f）都屬于復(fù)合eVTOL固定機(jī)翼飛翼氣動(dòng)布局的磁懸浮動(dòng)力構(gòu)型，圖24（e）采用單臺(tái)磁懸浮動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)，圖24（f）采用兩臺(tái)磁懸浮動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)。

在進(jìn)行eVTOL的設(shè)計(jì)過(guò)程中要解決的首要問(wèn)題是如何進(jìn)行氣動(dòng)布局，即如何通過(guò)先進(jìn)的氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)方案來(lái)獲得它所需要的升力、減小阻力、提高飛行速度和操控穩(wěn)定性等。這就要從理論上和在實(shí)踐中研究eVTOL在飛行中與空氣之間進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣動(dòng)力產(chǎn)生的機(jī)理及其規(guī)律，以及參考現(xiàn)有各種類型無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)布局，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行策劃、創(chuàng)新和再布局。

一方面，eVTOL作為一種新型航空器，與固定翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人直升機(jī)相比，除了在起降與巡航飛行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換階段有比較復(fù)雜氣動(dòng)特性，大多氣動(dòng)布局和總體構(gòu)型新穎，且各種構(gòu)型之間的差異較大，因此對(duì)以往設(shè)計(jì)制造有人機(jī)的經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)的依賴程度比較低。

另一方面，根據(jù)eVTOL本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，現(xiàn)有大部分無(wú)人機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)理論可應(yīng)用到eVTOL上。不過(guò)由于大多數(shù)無(wú)人機(jī)尺寸小，也沒(méi)有在機(jī)內(nèi)安裝人員（乘客）坐椅和其他保障人員飛行安全的設(shè)施，安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)小，一旦發(fā)生飛行意外，除了無(wú)人機(jī)無(wú)法回收外，不存在人員安全的風(fēng)險(xiǎn)。而作為載客運(yùn)輸用的eVTOL就不一樣了，其飛行安全是重中之重，保證機(jī)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(wú)人機(jī)的氣動(dòng)布局方案，而應(yīng)當(dāng)重視和解決它自身特有的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，特別是在飛行過(guò)程中會(huì)遇到一些新問(wèn)題，因此其氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)首先要在眾多的相互矛盾的需求之間進(jìn)行較好的折中。表1給出了兩種eVTOL氣動(dòng)布局特點(diǎn)的比較，包含了布局安排、飛行原理、能量效率、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能特點(diǎn)等方面的對(duì)比。

磁懸浮復(fù)合eVTOL的傳動(dòng)系統(tǒng)

磁懸浮復(fù)合eVTOL氣動(dòng)布局和總體結(jié)構(gòu)有一個(gè)特點(diǎn)：不論是單磁懸浮動(dòng)力構(gòu)型還是雙磁懸浮動(dòng)力構(gòu)型，都要有尾推螺旋槳。為了將磁懸浮動(dòng)力裝置的功率傳輸至尾推螺旋槳，中間需要安裝傳動(dòng)系統(tǒng)。傳動(dòng)系統(tǒng)是磁懸浮復(fù)合eVTOL重要的動(dòng)力部件，一般由尾減速器、中間減速器、離合器、動(dòng)力傳動(dòng)軸、尾傳動(dòng)軸，以及各零部件等組成。其功能主要包括以下幾項(xiàng)：

（1）傳遞動(dòng)力。將動(dòng)力從磁懸浮動(dòng)力裝置傳遞到尾推螺旋槳和其他附件。

（2）改變轉(zhuǎn)速。將磁懸浮動(dòng)力裝置輸出轉(zhuǎn)速調(diào)整至尾推螺旋槳的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速。

（3）改變轉(zhuǎn)向。將旋轉(zhuǎn)方向從磁懸浮動(dòng)力裝置輸出軸方向轉(zhuǎn)到尾推螺旋槳軸方向。

傳動(dòng)系統(tǒng)作為磁懸浮復(fù)合eVTOL動(dòng)力傳動(dòng)鏈，可以視為是由質(zhì)量盤及聯(lián)系各質(zhì)量盤的扭軸所構(gòu)成的扭振系統(tǒng)，在工作時(shí)處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，其主要受力件是在振動(dòng)條件下工作，承受周期的交變載荷，不僅有“扭轉(zhuǎn)”振動(dòng)問(wèn)題，而且還有軸系的橫向振動(dòng)和縱向振動(dòng)問(wèn)題，其中最常見(jiàn)的是“扭轉(zhuǎn)”和橫向振動(dòng)兩種。當(dāng)激振力的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近以至重合（共振）時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)承受過(guò)大的交變扭矩，引起強(qiáng)烈的振動(dòng)，甚至造成結(jié)構(gòu)的提前疲勞破壞。為了避免這種災(zāi)難性問(wèn)題的出現(xiàn)，在設(shè)計(jì)磁懸浮復(fù)合eVTOL傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，要求在該系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)扭振系統(tǒng)的固有頻率與激振頻率之間有足夠的間距。即是說(shuō)，由于傳動(dòng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作頻率多，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行固有特性的研究至關(guān)重要。除此之外，由于傳動(dòng)系統(tǒng)是在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，所以在設(shè)計(jì)研制過(guò)程中必須注意靜、動(dòng)平衡，以免振動(dòng)過(guò)大。

有的磁懸浮復(fù)合eVTOL設(shè)計(jì)方案，為了避免出現(xiàn)復(fù)雜的尾推傳動(dòng)系統(tǒng)，采用油電混合動(dòng)力系統(tǒng)，尾推螺旋槳使用單獨(dú)的燃油航空發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)是總體結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。

（責(zé)任編輯：馬元）