純電動，低噪音，價格低，能像直升機一樣著陸和起飛，像固定翼飛機一樣巡航，不需要超長的機場跑道…… eVTOL（Electric Vertical Takeoff and Landing，純電動垂直起降飛機）作為汽車電動化的延伸，提供了一種頗具未來感的空中出行方式，已經被看做未來交通革命的一部分。
目前，全球從事 eVTOL 開發(fā)的項目達 260 余項，科技巨頭布局、資本頻頻下注，不少企業(yè)也定下五年內商業(yè)化的目標。
2021 年 12 月，前沿社在極客公園創(chuàng)新大會暨冬季會晤期間，攜 33 位創(chuàng)業(yè)者與 VOLANT 沃蘭特創(chuàng)始人 & CEO 董明進行了近一個半小時的閉門交流，共同探討 eVTOL 的行業(yè)現(xiàn)狀和商業(yè)應用發(fā)展。
VOLANT 沃蘭特成立于 2021 年 6 月，是 eVTOL 領域的新星創(chuàng)業(yè)公司，致力于研制安全、綠色、經濟的客運級 eVTOL，成立 1 個月便完成數(shù)百萬美元種子輪融資。2021 年 9 月，沃蘭特代號為「TINY 小胖子」的 eVTOL 1:3 縮比驗證機成功首飛，各項飛行特性符合預期，并為全尺寸技術驗證機設計優(yōu)化積累了珍貴的數(shù)據(jù)。
從閉門交流中我們發(fā)現(xiàn)，雖然 eVTOL 領域內目前已有多個玩家正在探索，但不管技術成熟度還是商業(yè)應用等探索還處于早期階段，產業(yè)鏈上下游并不足夠清晰，還有很大的發(fā)展空間及時間去證實。

董明 VOLANT 沃蘭特創(chuàng)始人 & CEO，航空系統(tǒng)及 eVTOL 專家，從業(yè) 20 余年 | 圖：前沿社?

eVTOL對比傳統(tǒng)直升機

1.新能源發(fā)展推動新航空動力型態(tài)產生

近年來電動汽車的發(fā)展推動了電能源形態(tài)的轉變，尤其是動力電池，不管是能源密度、功率密度還是成本、效率都有極大的提升，所以使電儲能、動力儲能變成了一個可能。由于電形態(tài)的出現(xiàn)，在飛機上也形成了一種新的動力形態(tài)，叫分布式電推進系統(tǒng)。傳統(tǒng)飛機是由內燃機或渦輪發(fā)動機推動，而這種推動形態(tài)因為其自身的價格昂貴、重量和尺寸較大無法實現(xiàn)分布式動力型態(tài)，所以傳統(tǒng)飛機的發(fā)動機一般是 2-4 發(fā)。而目前在研的航空級電機以傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機千分之一的價格，十分之一的重量，能夠實現(xiàn)以前不可能的分布式動力系統(tǒng)。
2.分布式電推進新構型優(yōu)勢明顯

1）成本角度，跟傳統(tǒng)直升機相比，eVTOL 不管是采購成本還是運行成本都有顯著的下降，預測采購成本可降低至原來雙發(fā)直升機的 50%-70%，運行成本也僅是之前的 1/5-1/10，如雙發(fā)（發(fā)動機）直升機每小時運行成本大約在 3000 美金，而 VOLANT 目前同種飛機初始運行成本目標可以做到每小時 300 美金。
2）安全特性得到極大的提高。傳統(tǒng)直升機安全上表現(xiàn)并不是很好，其主要原因是直升機的復雜機構導致了維護復雜，而維護要求高在實際運行中很容易出現(xiàn)安全問題。而電傳動的運行復雜度降低很多，固有維護要求降低，進而安全性得到極大提升。
3）噪聲及排放問題得到解決。傳統(tǒng)直升機運行噪音是很大的問題，eVTOL 狀態(tài)平飛時由固定翼提供飛機升力，只有兩臺電動的推進電機，如果運行高度在 500 米到 1000 米的高度范圍內，通過良好噪聲設計，可以使飛行噪聲混入環(huán)境背景噪聲，使地面人員不易感知。
3.應用層面 eVTOL 前景廣闊，可立即取代直升機大部分用途
eVTOL 飛機是垂直起降，不需要機場、跑道，起降更加方便。eVTOL 平飛時是用固定翼狀態(tài)（直升機沒有這個狀態(tài)），巡航效率非常高，更加便捷、安全，但懸停時的所需功率較平飛時高5-6倍，所以長時間懸停不能有效發(fā)揮固定翼eVTOL的效率優(yōu)勢。而直升機的懸停效率與平飛效率一樣，適合懸停需求較多的運行場景。

eVTOL 在國際上已經有近十年的發(fā)展歷史，從 2016 年開始逐漸被公眾所認知，資本圈、政府也開始關注和熟悉 | 圖：沃蘭特

eVTOL技術路線

1.多旋翼Vs傾轉翼Vs復合翼
1）多旋翼，從控制角度和飛機設計角度是最簡單的一個構型，它不需要考慮太多的氣動及操穩(wěn)等飛機總體性能。但是由于技術性能比較差，速度慢、航程短且平飛時噪音大，例如大疆的無人機等。因而適用的市場會比較有限。
2）傾轉翼在 50-60 年代開始出現(xiàn)直到 80 年代末V-22投入使用，與傳統(tǒng)直升機相比具有顯著的速度，航程優(yōu)勢，但從V-22的服役歷史來看，全損事故有 13 起，死亡人數(shù)超過 40 人，對一款軍用飛機而言都是一個非常高的事故率。如此高的事故率表明貝爾直升機公司和波音公司30多年的研發(fā)，任然無法充分識別，預防，處置傾轉翼構型的相關故障模式和發(fā)生機理，所以無法采取合適地措施去維護、探測防止事故發(fā)生。要充分識別估值模式，機理，防護，處置等方面的技術，需要大量的數(shù)據(jù)，而全世界范圍內很少有機構具備相應儲備。
3）傾轉翼的技術和直升機相比是有很顯著優(yōu)勢，但是和復合翼相比，它的優(yōu)勢在eVTOL當前200-300公里航程范圍內，并不顯著，比如：從重量的節(jié)省上來說，傾轉翼和 VOLANT 沃蘭特 Tiny 這類新型復合翼構型相比， 大體上只能省掉兩個推力，因為升力系統(tǒng)一個都少不了，即便把推力全部算上，節(jié)省可能還不到 3%，所以這方面優(yōu)勢只是微乎其微。
4）復合構翼型飛機，在飛行中遇到風切變，失控，失速等情況時，能夠立即啟動獨立升力系統(tǒng)，把飛機在空中懸停并且受控下降著陸，這個功能的實現(xiàn)需要動力系統(tǒng)的準備及響應時間及短，而傾轉構型需要數(shù)秒到數(shù)十秒的傾轉過程，無法實現(xiàn)這一保護功能。
2.純電動Vs混動

混動系統(tǒng)的挑戰(zhàn)在于如何平衡燃油動力系統(tǒng)和電動力系統(tǒng)的優(yōu)缺點，重量對飛機性能的影響比汽車更為顯著，額外的燃油動力系統(tǒng)會使系統(tǒng)復雜度上升，對維護要求也更高，需要慎重評估決策。此外，在除電池以外的能源型態(tài)方面，氫能是值得關注和研究的。
3.續(xù)航問題
1）根據(jù)當前的能源形態(tài)，VOLANT 沃蘭特采用的是鋰電池，目標航程擬在 200-300 公里，續(xù)航 1 小時左右，升限在海拔 3000 以下低空飛行設計，不需要加壓、供氧。
2）能源問題不僅會影響飛機的續(xù)航問題，也會影響飛機的形態(tài)。如果飛機可以是一個長航程的狀態(tài)，航程可達到 1000公里以上，飛機形態(tài)設計可能需要調整，比如飛的更快、飛的更高等，這就會帶來一系列的不一樣的系統(tǒng)要求，包括：動力方面就可能需要采用新的高速推進形態(tài)，比如涵道，還會需要加壓、加氧以及衛(wèi)生間，水廢水等。
3）未來氫能源在飛行器上的應用是一個很值得探討的方向，有很多重要的技術領域，比如儲能，電堆等，從儲能角度固態(tài)氫技術具有良好碰撞安全特性值得關注，電堆還面臨許多挑戰(zhàn)，比如功率密度，目前氫堆功率密度還達不到飛機需要的狀態(tài)。
4.航空器的9個等級
我們可以參考70 年代 NASA 提出的技術成熟度等級（Technology Readiness Levels, TRL）框架把航空器的成熟度可分為 9 級。
1）一般認為 1-4 級是科學研究階段，主要是發(fā)現(xiàn)科學原理及確認其應用性概念；
2）5 級，指可進行小規(guī)模的概念驗證POC，但不能在相關運行環(huán)境下做全面的展示；
3）6 級，驗證試飛階段，可以通過全尺寸技術驗證機進行相關運行環(huán)境下的驗證；
4）7 級，工程試飛階段，7級產品工程樣機飛機的外形可能與 6 級非常接近，主要區(qū)別在于研制體系及系統(tǒng)供應方式上， 7 級階段試飛，在初始試飛時通常飛機的包線，性能，功能都不完備，需要通過工程試飛逐漸把飛機的飛行包線打開，性能飛出來，功能實現(xiàn)完整。7 級結束的標志叫做 TIA ，即飛機的性能、功能都被測試完了，就進入 8 級。
5）8 級，審定試飛和正式驗證階段。8 級結束的標志叫 TC ，就是飛機的設計批準，設計批準后生產的飛機才有可能拿到適航證，然后才能投入商業(yè)運行。
6）9 級，In Service 階段，即投入服務的一個狀態(tài)，這個階段的飛機仍然需要持續(xù)優(yōu)化，降低成本，部件更新等。

研發(fā) eVTOL 的能力要求 | 圖：沃蘭特董明

5.飛機研制的核心要素
1）飛機的研制是有一項非常復雜、多專業(yè)，多學科，且高度規(guī)范的過程。上圖中提到的每個詞都是一個深刻的專業(yè)方向，都需要做大量繁雜的工作，所以產業(yè)鏈上下游的水平對飛機的研制有著較大的影響，例如從材料上來講，現(xiàn)在航空業(yè)普遍的方向是大量使用碳纖維輔材，跟傳統(tǒng)的金屬飛機相比，碳纖維的成型取決于纖維本身的特性、樹脂的特性及成型工藝等多個因素，所以整個建立復材可用性的過程，是一套科學完備而復雜的試驗過程，我國通過ARJ21和C919等民機項目，已經投入了大量的資金和努力建立了材料體系，國內現(xiàn)在已經有少數(shù)幾家單位具備可用的數(shù)據(jù)，如果沒有數(shù)據(jù)，所有的設計是沒有依據(jù)的。
2）飛機是一個很強調系統(tǒng)工程的行業(yè)，以確保所有設計過程都是完全可被追溯的，錯誤是可以被識別和檢查的。
3）航空業(yè)是一個高度監(jiān)管行業(yè)，同時飛機是一個高度復雜研制過程，局方不可能事無巨細地進行監(jiān)管，只能抽查。所以飛機研制體系能不能支撐這樣一個研制過程就是至關重要的，如果研制體系不能支撐這樣的研究工作，當局方審查的時候，會很容易暴露出大量問題和風險，會喪失或者降低局方的信任，就意味著時間節(jié)點會大量的延遲甚至不可實現(xiàn)。

eVTOL的應用和商業(yè)發(fā)展

1.eVTOL 的應用場景選擇
1）貨運，有限但更早eVTOL 在貨運的應用中最大的挑戰(zhàn)將是經濟性。使用這種新型飛行器，和傳統(tǒng)的運輸方式，卡車、火車或輪船等運輸方式相比，從載重上來看，傳統(tǒng)大運力的運載工具效率會更高很多，所以能夠實現(xiàn)eVTOL貨運商業(yè)閉環(huán)的場景將非常有限，但如果具備，其啟動時機可能會比客運場景更早。
2）客運，必然的核心發(fā)展方向人的時間價值遠遠高于貨物。廣泛的空中出行將會是一個未來必然的方向，它會嵌入到人們的生活。效率上，可以極大提升城市交通的效率，同時因為沒有顛簸及交通擁堵等問題，也會大大增加出行舒適度。
2.eVTOL 商用商業(yè)角度考量因素

政策及市場環(huán)境1）空域方面實際上有兩個不同的問題。一是空域管理，中國的空域管理在逐步開放的過程中，但是不論中外，大部分城市上空的空域都屬于管制空域，都需要審報-批準過程，真正制約UAM（城市空中交通）發(fā)展的是第二個問題空中交通管理，表面上的指標之一是審報-批準時間，目前美國的目標是3-5分鐘，中國則是以天為單位。在實現(xiàn)以分鐘記的高效空中交通管理之前，中國UAM只能采用提前大量審報航線的類shuttle模式運行。
2）公眾接受度是UAM成功與否的決定因素之一，噪音、視覺污染、地面人群安全困擾等都是重要影響因素，需要持續(xù)研究。
產品&商業(yè)模型雙閉環(huán)1）產品及用戶角度，eVTOL 在未來城市的短途交通中具體可以切入哪些應用場景，通航需求是否足夠多，和傳統(tǒng)交通相比如何定價以及不同人群對價格敏感度等問題都需要持續(xù)探索和驗證。
2）商業(yè)閉環(huán)角度，還需要在未來的一段時間里逐步地去摸索和判斷商業(yè)模型，包含成本結構是否合理以及要考慮到各方的收益平衡等問題都至關重要，如商業(yè)模型不能閉環(huán)，即使技術和產品模型都走得通，也無法實現(xiàn)有效的市場。
3.客運eVTOL無駕駛員化是必然，但不是現(xiàn)在
客運級 eVTOL 無駕駛員化將是一個必然，但就人類當前所掌握的航空技術水平而言，無駕駛員客運尚不具備條件，主要原因：
1）外部探測及處置能力不足。飛行中需要探測的外部因素很多，包括配合目標，非配合目標，氣象及其他，當前最尖端的航空探測系統(tǒng)也無法實現(xiàn)可靠非配合目標探測，氣象探測所依賴的氣象雷達需要實現(xiàn)小型化才能在eVTOL這種小型飛機上使用，但小尺寸雷達將制約其技術性能，處置方面即便對于配合目標的沖突處置也需在系統(tǒng)提示后，由飛行員綜合判斷處置，非配合目標沖突，危險氣象的自動處置方面差的很遠。
2）系統(tǒng)故障的探測和處置能力不足。飛機內部各系統(tǒng)的交聯(lián)高度復雜，哪怕是 eVTOL 這樣的小飛機，任何一個系統(tǒng)出現(xiàn)故障，都有可能產生復雜的故障級聯(lián)，航空業(yè)對故障探測，隔離，處置有非常深入的研究和經驗，但即便是當今最先進的客機，也無法實現(xiàn)系統(tǒng)自動處置，而需要由飛行員來綜合判斷和處置。

eVTOL 產業(yè)鏈模型 | 圖：沃蘭特董明4.eVTOL 產業(yè)鏈尚在早期，還有很大發(fā)展空間
從整個產業(yè)鏈宏觀來看，這是一個簡化的產業(yè)鏈模型（上圖），目前 eVTOL 的發(fā)展，整個產業(yè)鏈還處于早期階段，不管是上游還是下游都并不足夠清晰，還有很大的發(fā)展空間及時間去證實。VOLANT 沃蘭特目前在做的事情，是選擇從產業(yè)鏈的核心位置進行切入，促進整個產業(yè)的發(fā)展，并和市場、產業(yè)鏈上下線游共同推動行業(yè)健康發(fā)展。

來源 | 極客公園前沿社