IN-DUSTRY | Lilium，是“完美”的喷气机架构还是妥协

从Lilium的发展履历来看，可以说是目前全球范围领先的eVTOL企业之一，关注eVTOL与UAM领域的小伙伴应该知道，Lilium最大的“特点”在于并没有采用开放式螺旋桨作为主要推进系统，而是采用了涵道喷气式发动机，并将其与飞机机翼集成在一起。其独特的设计在引来关注的同时也引发了不少争议，甚至在20年，一家专门发布民用航空相关内容、名为Aerokurier的月刊杂志发布了一份报告，内容称Lilium目前无法完成其设定的飞行性能目标，虽事后被公司驳回，但仍得到了四位德国航空航天学者的支持。

今天我们从续航、效率、噪音、安全等方面与大家分享Lilium的创新、成果、挑战与风险。

低效的悬停与高效的巡航

在讨论eVTOL飞机设计时，我们需要先讨论圆盘载荷—Disk loading（也可称为桨盘载荷）这一概念，指的是飞机总重量➗旋翼总面积。圆盘载荷高则代表了悬停时升力效率低、功率要求高，反之则代表悬停时效率高。

常见的优化桨盘载荷的设计是选择更大直径的旋翼，但与此同时会牺牲其他的特性，如高噪音、低巡航效率，典型代表为传统直升机；这导致飞机结构要么是（i）低桨盘载荷、低航程、多翼构型；要么是（ii）更复杂的开放式旋翼、更高航程构型。

Lilium的构型设计则是选择从另一个方向应对这一挑战：采用了更典型的商用固定翼飞机的飞行包线（90-95%的飞行时间为爬升、巡航与降落），利用巡航阶段的极高效的固定翼飞行方式来弥补小型电动涵道风扇喷气机的高桨盘载荷。

上图为Lilium Jet一次完整的飞行路径，大体可以分为垂直起飞、过渡、爬升、巡航、下降、再过渡和垂直着陆等阶段。其中爬升、巡航以及下降阶段占据了90%-95%的飞行时间，如何保障这个阶段的高效飞行、并最大化压缩起飞和着陆（即悬停）的时间，就变得至关重要。

与此同时，2022年5月，Lilium宣布其技术演示机Phoenix 2 已实现了主翼过度，即从悬停平滑过渡到机翼飞行，从而使升力不再由发动机提供而是由机翼产生（如传统固定翼飞机），这对Lilium来说可以是迈出了里程碑的一步。

有限的电池能量

和无限的突发情况

在今年3月，来自美国的证券研究机构Iceberg Reserch发布了一项报告，其中对于技术、公司经营状态等方面做了针对性的研究。

其中，有几个技术中的关键点，该报告中给出了负面的结论，

(i) 针对Lilium的设计中，最大化压缩起降悬停时间（能耗最大阶段）是最大限度减少电池消耗并且保障航程的关键点。在报告中提出，如果考虑现实中运营的各种情况（例如恶劣的天气条件、鸟类等障碍物以及城市中不同高度的建筑物）悬停时间至少需要从Lilium所宣称的60秒延长至2.5分钟，而如此则会消减Lilium所提出的155英里航程目标66%。

(ii) eVTOL行业中，电池的重要性不言而喻，而Lilium的设计对于电池的依赖性甚至更大，目前已知电动汽车行业中所使用的的电池能量密度为260Wh/kg左右，而Lilium所预设的320-330Wh/kg密度已远高于现有的电池技术。

Lilium团队测试电池现场

为此Lilium于2021成为了Zenlabs Energy的主要投资者，并与保时捷合资企业Customcells携手合作建立规模化的生产工艺，并使质量管理体系符合航空航天标准以及EASA和FAA预期的安全法规。同时在2022年5月27日，Lilium宣布与Livent合作推进高性能电池的锂金属技术。

虽然Lilium积极应对在电池需求的挑战，但这也成为了Lilium落后于其他使用现成电池的eVTOL整机公司风险之一。

涵道风扇就是低噪音吗

在EASA发布的《欧洲城市空中交通的社会接受度研究》中可以了解到，“噪音”与“安全”是大众对于城市空中交通最关注的因素。同时后文中也解释道，如果eVTOL运行的声音与汽车、巴士等分贝接近，也是可以接受的。

为此，Lilium表示涵道风扇具有低噪音的特征，

（1）风管的可以抑制噪音，阻止噪音向各个方向辐射；

（2）管道在风扇叶片上产生直进流，低湍流，从而减少噪音产生；

同时也可以像大型客机上的发动机一样，将声衬放进涵道中来进一步降低噪音。声衬吸收转子叶片通过频率和谐波的声能，从而显著降低整体感知噪声水平。

但是，开放式旋翼就一定噪音大么？

Joby在21年曾发布一则视频，其中测试了六架型号的飞机，包括两架固定翼飞机、三架直升机以及Joby飞机，以相同的高度（1570英尺）以及空速（100公里）在麦克风阵列上飞行，展示了各型号飞行棋实际飞行时产生的噪音，同时解释了噪音产生的原理以及音调的差异。

(左)正常活塞螺旋桨：快的桨尖速+小直径——高强度高频压力波

(中)直升机旋翼：中等桨尖速+大直径+旋翼尾流的相互作用——脉冲极低频压力波

(右)Joby螺旋桨：慢桨尖速+大直径=低强度——低强度低频压力波

虽然视频并未给出具体的分贝数字，但也可以看到Joby电动垂起飞机与其他传统飞机相比是明显安静的。据Joby描述，他们一直致力于开发模拟自然声音的飞机，比如树林中风吹过或是海浪的声音，目标是将飞机所产生的噪音融入城市社区的背景环境中。

低噪音是eVTOL在城市中运行的一个必要条件，也是各主机厂商必须要攻克的挑战之一。涵道风扇或许因其低噪的特点在这方面有一定的优势，但据目前Joby所公开的视频，开放式旋翼的选择同样也可以通过一定设计和研发来满足这个需求。

是最完美的

喷气机架构还是妥协

今年6月，Lilium透露了目前正在开发的eVTOL飞机的一项关键设计变化：增加了传统的起落架，为飞行员提供执行短距着陆的选择，以替代垂直着落。

为此，Lilium的首席技术官Alastair McIntosh解释道，这一变化是关于在电池驱动飞机的所有情况下管理宝贵的可用能源。

主要是因为，对于eVTOL来说，从水平飞机到垂直状态然后悬停到降落的过渡通常需要耗费大量到电池能量。设计具有运行着陆能力的飞机对于获取EASA或其他航空监管机构的适航认证非常重要。因为如此可以增加储备航程，以提高Jet应对实际应用场景中的能力和转移到备用着陆点的能力（前文曾提到，如果实际运行中降落时间从预计的60s延长至2.5min，则飞机的电池能量会快速告急）。

这也不是Lilium在研发过程中唯一一个在设计上的重大变化，去年1月，Lilium就曾透露他将涵道风扇的数量从36个减少至30个。对于这一变化，工程师解释，为飞机提供动力所需的电池更少，从而减轻了飞机的整体重量，从而保持了相同的总推力效率。

目前Lilium表示已将提案提交至EASA，概述了飞机将如何遵守认证要求，逐步推进Lilium Jet的EASA认证工作。

“我们已经成功地进行了严格的初步设计审查过程，”McIntosh说。“我们已经在最终设计上达成一致，我们完全有信心安全地实现我们的产品发布客户所需的性能。”

参考文献

[1] EASA, 2021,《欧洲城市空中交通的社会接受度研究》

[2] Lilium highlights eVTOL design changes, introduces short running landing capability

https://evtol.com/news/lilium-highlights-evtol-design-changes-introduces-short-running-landing-capability/

[3] LILIUM NV – THE LOSING HORSE IN THE EVTOL RACE

https://iceberg-research.com/2022/03/14/stronglilium-nv-the-losing-horse-in-the-evtol-racenbsp-strong/