EVTOL飞机的一条新技术路线
2022-08-09 02:36阅读：
EVTOL飞机的一条新技术路线
有容乃大展翅翱翔
引言
从youtube看到6天前发布的以色列Airevaero公司研发的AirOne全尺寸EVTOL样机首次悬停试飞成功的视频（未见载人，应该是加了载荷配重），约2-30人涌入场地庆贺场景。引起作者兴趣，通过网上搜集有关照片和资料，得知：AirOne是定位于个人用户的双座EVTOL新产品。特征是简单方便，实用可靠。具备联网自动辅助驾驶功能。出品方宣称：如同掌握现有小型无人空中摄影机，用户只要16小时训练就可获得该机飞行执照。预计2024年面市，网上订购每架15万美元。
经分析有关图片及所公布技术数据，觉得该产品采用了一条新的简单易行技术路线，特撰写本文作介绍分析，供广大飞行爱好者和相关企业EVTOL产品研发者，投资人参考。有不当之处欢迎读者指正。
EVTOL的几种技术路线和AirOne的创新技术路线
前一篇文“再谈VTOL飞机能效比较”开头，曾介绍：根据网上美国垂直飞行协会Vertical
Flight Society 2022
/03/07-10会议视频资料：到2月10日止对eVTOL飞机统计结果，共计有350
eVTOL公司/设计者，推出了627种飞行器。其中212种
变矢量推进 （可倾转旋翼）;104 种
升力+巡航
（旋翼+螺旋桨双套驱动）;171种 无固定翼
（多旋翼直升机）；等等。
现在对EVTOL产品主要技术路线大致分类有：
1.
可倾转旋翼技术
典型产品例子是
Lilium，Joby S4等。
2.
半数倾转旋翼技术 典型产品例子是 Vertical
Aero VA-X4，Arch Aviation
Maker等。
3.
升力+巡航（旋翼+螺旋桨双套驱动）技术 典型例子是
Beta Tech
Alia250C，上海峰飞（今对外称AoutoFlight）V1500M等。
以上3条技术路线都是在配备1对或2对固定翼的基础上实施的。
4.
电动多旋翼技术 现有电动多旋翼技术
典型例子 空客Airbus
，Volocopter Volocity，亿航 E216
等等，都是纯多旋翼而无固定翼的。
本文所述的AirOne，却是在一个典型大展弦比固定翼飞机外形下（双垂尾翼，无水平尾翼），加上4根支撑杆叠层8轴3翼片旋翼的设计布局。所有旋翼轴均为固定轴向不倾转，没有水平驱动螺旋桨。此外，在固定翼上和双垂直尾翼上，都没有设置可操控的附件如：副翼，襟翼，方向舵等。也就是说，完全靠4组旋翼驱动控制实现垂直起降和平飞的驱动及操控，与纯多旋翼无人机相同（见附图1）。
附图1
这样的多旋翼加固定翼的创新路线，如果确实能实现如该公司介绍技术数据所示，在水平飞行能效上，以及续航时间上比纯多旋翼方案显著提升。则与前3条技术路线相比，给所有现有电动多旋翼无人或载人飞机设计，提供了一条加固定翼的简便易行的技术路线，体现在：
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不必增加全部或部分旋翼轴倾转控制机构，
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不必为平飞时不工作的部分旋翼设置停转定位控制机构，
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不必另加一套水平驱动电机及螺旋桨系统，以及设置对固定翼飞控的附件；
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基本按纯多旋翼实现飞控。
和上述3种带固定翼EVTOL技术路线比，制造成本和操控复杂程度，都要低得多。
这种技术路线是否确实能如该公司介绍技术数据，在水平飞行能效上，以及续航时间上比纯多旋翼方案显著提升？有多大提升？
本文采用上篇所推荐的整机悬停升功比，巡航飞行整机表观升阻比的计算法，尽量在已经公布技术数据基础上，把AirOne与前后固定翼倾转涵道旋翼Lilium以及纯多旋翼方案的AirBus作垂直起降和巡航飞行能效作出对比分析计算。具体结果如下。
AirOne与倾转涵道旋翼Lilium及纯旋翼的AirBus的垂直起降和巡航飞行能效估算对比
相关数据
根据上篇文，比较垂直起降能效，要计算整机悬停升功比，需要基本数据为：总起飞质量（千克），整机悬停实际功率（千瓦）。
比较水平（巡航）飞行能效，要计算巡航飞行的整机表观升阻比，需要基本数据为：总起飞质量（千克），整机实际巡航功率（千瓦），巡航速度（米/秒）。并计算出整机有效载荷比，辅助分析比较。
根据网上资料可收集各种产品各自公布基本技术数据如下：
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AirOne基本技术数据
附图2
对照该产品其它宣传资料补充综合如下：
总重：
未公布；载荷：200kg；功率：771马力（567kW）；最大速度：250km/h；巡航速度：161km/h；最大航程：177km；续航时间（每次充电）1小时；电池容量：未明示。
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Lilium 的基本技术数据（根据网上出品方发布资料）：
总重 3175kg，有效载荷
按7人700kg，有效载荷率0.22，电机总标称功率
1000kW，巡航速度
280km/h（77.78m/s），航程240km，有图给出：悬停升功比2kg/kW，巡航功率约为悬停功率1/10。
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Citybus基本技术数据
综合如下：
总重：2200kg；载荷：400kg；功率：800kW；巡航速度：120km/h；续航时间（每次充电）15分钟；电池容量110kWh。
数据补充
综上数据可见：AirOne整机起飞重量没有提供。三产品的具体悬停功率，巡航功率都未提供，但均提供了电机总标称功率数值。也都提供了巡航速度，有效载荷重数据。
Lilium
按总重3175kg，悬停升功比2kg/kW，推算悬停功率1587.5kW，按其1/10推算巡航功率约159kW
为根据总标称功率推算AirOne和Citybus整机悬停功率和巡航功率，暂按同样比例，假定整机悬停功率为电机总标称功率的90%，整机巡航功率为总标称功率的33%来计算。（注：如获得实际悬停功率，巡航功率数据，应按实际数据进行下步计算。由于AirOne有固定翼，巡航功率占标称总功率比例应小于Citybus该比例，以下估算的Citybus
巡航功率数据可能比实际偏低，会导致其表观升阻比估算值偏高。）
对应的AirOne 悬停功率为510kW，巡航功率为
187kW；
对应的Citybus 悬停功率为720kW，巡航功率为
264kW
已知Citybus
总重2200kg，有效载荷比0.18，按电池容量110kWh及现有电池能量密度（0.25kWh/空格）估算电池重量约440kg，电池重量比0.2。
AirOne整机起飞重量必须给定，由于出品方暂时未提供总重，先按续航时间1小时和平均巡航功率187kW估算电池容量约190kWh，按电池容量及现有电池能量密度（0.25kWh/空格）估算电池重量约760kg，参考其它EVTOL电池重量比，有效载荷比，假定AirOne的电池重量比0.5，大致估算出其总重1520kg。对应的有效载荷比0.13。（一旦出品方提供总重，则以后计算按提供数值修正，2022/8/7根据最新网上对主要EVTOL产品数据视频资料，得知其总重为970kg，则对应的有效载荷比0.206，电池重量不可能760kg，以下计算以此为据）
悬停升功比估算结果
AirOne 悬停升功比
=970/510=1.90kg/kW；
Lilium
悬停升功比 2kg/kW
（根据图表所示数据）
Citybus悬停升功比
=2200/720=3.06kg/kW；
巡航飞行表观升阻比计算结果
AirOne 表观升阻比
=970x9.81x44.7/187000=2.27
Lilium
表观升阻比
=3175x9.81x77.78/159000=15.2
Citybus
表观升阻比
=2200x9.81x33.3/264000=2.725
AirOne与Citybus能效对比
垂直起降能效，低（-37.9%）
巡航飞行能效也略低（-16.7%）（注：如考虑Citybus
巡航功率数据可能比实际偏低，实际表观升阻比会更小，此差别会较小）
重要区别：有效载荷比
由0.18提高到0.206；
续航时间提高至4倍，巡航速度提高34.2%。
AirOne与Lilium能效对比
垂直起降能效略低5%
。
巡航飞行能效显著低于后者（表观升阻比为后者15%）。
小结：
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通过计算（这里由于公布数据不全，只能是估算）得出整机悬停升功比，和巡航速度下整机表观升阻比的数值，确实可以用于客观定量比较各种重量级，各种技术路线EVTOL飞机的垂直起降能效，和巡航飞行能效的高低。
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各种技术路线EVTOL飞机的垂直起降能效高低和巡航飞行能效的高低，是既相关又相互独立的两种性能。例如，Lilium尽管在垂直起降模式能效上最低，但在水平飞行模式不但巡航速度远超，航程和能效上也远超Citybus和AirOne。可见对各种EVTOL产品性能和能效考评，需要多方综合考虑。
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作为一种简易方案，尽管AirOne的两项能效数据都低于Citybus，但在巡航速度，续航时间上的确比其它纯旋翼技术产品有明显优势。值得重视。
总结：创新技术路线的意义和改进可能方向
通过本文分析估算比较，看到几种典型技术路线EVTOL
