三代技术构型，如何向倾转旋翼迭代？

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一百多年前的1907年11月13日,法国人保罗·科尔尼做了一次如今来看堪称伟大的试验:乘坐在自己研制的载人直升机“飞行自行车”号上,依靠一台24马力的发动机,垂直起飞。

这次飞行离开地面0.3米,并连续飞行了20秒,目前可知,是人类历史上垂直起降飞行器第一次飞行。

其实,让eVTOL上天并不难,一个人使用大号航模都能做到这一点,而真正难的是实现安全、可靠、大规模地飞行,让eVTOL成为公共的出行工具。

根据不完全统计,目前全球一共有超过200多家公司正在开发eVTOL。其中按照技术构型分类:多旋翼54款、复合翼35款、倾旋翼86款。

倾旋旋翼越来越成为eVTOL开发的行业主流选择,但其实,当前大多数产品都是部分旋翼倾转、部分旋翼固定的半倾转旋翼,比如英国Vertical公司的VX4、 美国Archer公司的Midnight,以及中国沃飞长空AE200、时的科技E20。

能真正实现全倾转旋翼的,只有美国的Joby公司,同时,还有一些中国公司处于全倾转旋翼原型机研发的阶段,比如华羽先翔。

全倾转与半倾转的核心区别是,水平飞行阶段有多少旋翼工作——如果平飞时只有部分倾转旋翼工作,反而形成死重,限制了飞行器升阻比的提升。只有全倾转,才能确保垂直起降和巡航过程中的最优效率。

eVTOL到底要怎么飞上天?行业必将经过百花齐放到收敛的演进过程,而答案,就藏在全倾转旋翼里。

三代技术构型,向倾转旋翼迭代

众所周知,按照技术代际来看,eVTOL可分为多旋翼、复合翼、倾旋翼三种构型,飞行距离分别是10公里、100公里和300公里级别,同时研发的难度也呈几何倍递增。

第一代是多旋翼构型,类似大疆无人机,有多个旋翼,没有机翼或有短机翼,飞行器巡航时也依靠推进器提供全部或部分升力,技术风险和研制难度较低。

亿航E216采用的就是多旋翼构型,在全球第一个拿到了TC认证。在此之后,多旋翼构型的取证速度越来越快,企业向局方提交申请后一年半左右,就有望获批。由此,2025年和2026年将有一批多旋翼eVTOL集中获批亮相。

(亿航E216全球第一个拿到TC认证)

多旋翼构型的缺点也很明显,平飞时空气阻力较大,飞行效率较低,一般航时不超过30分钟,航程不超过50公里,使用场景相对有限。

第二代是复合翼构型,作为过渡技术,技术风险中等、难度也中等。

打个比方,复合翼就像两人三足游戏,有AB两人,A擅长爬山,B擅长长跑,两人捆绑在一起,爬山时A背着B,长跑时B背着A。

复合翼可以说是插上翅膀的多旋翼,既有旋翼也有独立的螺旋桨,分别提供升力和巡航推力。但缺点是,升力和推力来源于不同的螺旋桨,意味着始终存在着效率浪费,达不到更高效率,速度也达不到最快。

当前,中国的行业技术主要发展第一代和第一代,美欧正大力发展第三代。

第三代倾转旋翼构型,被普遍认为是最佳的解决方案。由任一矢量推进器既提供垂直升力也提供水平巡航推力,旋翼可以根据需要调整方向——就像是两项全能选手,即擅长爬山,又擅长长跑。

起飞阶段,旋翼像直升机螺旋桨那样提供升力;平飞阶段,旋翼可以向前倾转,提供向前的推力,升力则依靠固定机翼来解决。

倾转翼的优点是重量较轻,推力较大,在速度和航程上都更有优势;缺点是研发难度大,目前全世界还没有取证成功的飞行器。

就国内制造商而言,多旋翼以亿航智能、小鹏汇天为主导;在复合翼背后是峰飞航空、沃兰特、御风未来、览翌航空、亿维特等多家企业;倾转旋翼背后,又有沃飞长空、时的科技、零重力、倍飞智航、华羽先翔等一众主机厂。

从全球低空经济的发展趋势来看,欧美国家的eVTOL研发,就是经历了“百花齐放”到技术收敛的过程。全球头部eVTOL主机厂商,包括JOBY、ARCHER、VERTICAL、WISK、BELL都纷纷从其他构型,转而研制倾转旋翼构型。

国内方面,沃飞长空也从复合翼半路转道,如今主力研发倾转旋翼产品AE200。即使是多旋翼路线的代表小鹏汇天,也在2021年启动了倾转类技术的研发,已完成垂起、悬停试飞,并开展多项测试和实验。

钱的方向,涌动着行业的转向。工信部下属机构赛迪顾问发布的《中国低空经济发展研究报告(2024)》显示,2023年,中国eVTOL整机制造领域的投融资主要集中在倾转旋翼构型领域,资本比较看好这一技术路线因而加大了投资。

对此,时的科技合伙人兼CMO蒋俊认为,2021年很多人说倾转旋翼做不出来,2022年讨论倾转旋翼开发有难度,但到2024年,很多公司都在布局倾转旋翼。例如,相比上一届,2024年珠海航展上出现许多倾转旋翼产品,倾转构型技术趋同性已经显现。

半倾转旋翼,一种过渡技术

在多旋翼、复合翼、倾旋翼三代技术的基础分类上,还出现了一种2.5代技术,那就是由纯复合翼向着复合翼加部分倾转发展,打造部分倾转构型。

这是一种介于全倾转旋翼和复合翼之间的折中设计,部分旋翼倾转、部分旋翼固定,一定程度上提高了复合翼的飞行效率,同时有了降低噪音的更多可能。

其实,当前大多数“倾转旋翼”产品,都是半倾转旋翼,比如英国Vertical公司的VX4、 美国Archer公司的Midnight,以及中国沃飞长空的AE200、时的科技E20。

在中国,沃飞长空的产品研发和试航取证进程最快,AE200已经顺利完成全尺寸、全重量、全包线倾转过渡等系列飞行试验所有科目,成为中国首个、全球第二完成该类试验科目的eVTOL企业。

沃飞AE200倾转旋翼产品研发和试航进程最快的产品

但要强调的是:能真正实现全倾转旋翼的,只有美国的Joby公司,同时,还有一些中国公司处于全倾转旋翼原型机研发的阶段,比如华羽先翔。

半倾转和全倾转旋翼的核心区别是什么?关键是水平飞行阶段有多少旋翼工作。

半倾转旋翼工作方式是,在垂直起降时,旋翼保持垂直,提供足够的升力。在水平飞行时,旋翼倾斜,变成类似传统飞机的推进方式,通过机翼和旋翼的推力组合提供升力和推力。

全倾转旋翼工作方式是,在垂直起降时,机翼和旋翼都保持垂直,提供升力。在水平飞行时,整个机翼(包括旋翼)都倾斜至水平位置,使飞行器能够像传统飞机一样以水平姿态飞行。

需要注意,沃飞长空AE200等半倾转构型,一共有8个电机,但是在平飞时只有4个倾转旋翼工作,死重比较大。

假设半倾转和全倾转具有相同的悬停效率,无论在转换的前期还是后期,飞机升力随攻角变化,能很清晰地看到,半倾转在过渡过程中存在拔河效应。

因为飞行器结构设计有巨大差别。半倾转旋翼结构相对简单,机翼和旋翼的控制相对独立,只有旋翼需要在垂直和水平之间调整角度。

全倾转旋翼结构更加复杂,机翼不仅要能够倾斜到不同的角度,还必须保证在倾斜过程中承受飞行过程中产生的应力和振动。同时倾斜的机翼需要既能提供足够的升力,又要具备一定的刚性以维持飞行稳定性。

真正的全倾转,首先对结构设计与机动性提出要求,要设计强度高、重量轻、且能够承受多次循环运动的机构,同时平衡机翼刚性和灵活性,以避免在转向或飞行过程中产生过度的变形。

其次,对动力系统协调性的要求呈指数级增长。与半倾转飞行器相比,全倾转飞行器的动力系统需要在机翼和旋翼的倾斜过程中保持平稳的动力传输。这要求复杂的传动装置,能够在旋翼和机翼倾斜时有效地协调动力。

第三,对飞行控制系统也提出巨大挑战。机翼和旋翼共同倾斜时,飞行器的气动特性会发生显著变化,这需要开发非常精确的飞行控制系统,确保飞行器在转变飞行模式时保持稳定。

全倾转的技术难度,远远大于半倾转。

解决不可能三角,只有全倾转旋翼

尽管难度很大,但按以终为始的方式去思考,全倾转旋翼才是技术的终局解法。

比如困扰eVTOL行业的噪音问题,只有全倾转旋翼才有最优解。eVTOL要想大规模利用,必须将噪音水平降低到居民区可容忍的水平,甚至低于环境噪音。

历史上,就是因为噪音太大,已经有过多次失败的尝试。1950年,英国费尔雷公司成功研制了一种桨尖喷气的高速旋翼机——“罗托达因”(Rotodyne),由于性能问题与噪声过大而下马。

1962年,贝尔获得了研制两架X-22A倾转涵道验证机的合同,第一架飞机在1965年5月25日首飞,但同样由于噪声过大未实现民用。

因此,一款合格的商业产品,在设计之初就应该将噪声控制定义为飞机仅次于安全性的第二设计指标,通过对桨盘载荷、桨尖速度、以及螺旋桨几何外形的设计,使飞机可拥有低于目前绝大多数同类飞行器的噪声。

以65dB的噪声等级为分界线。对比国内主流eVTOL产品,鸿鹄Mark 1采用全倾转构型,飞行器起降时的噪音不超过65dB,巡航时的噪音更是维持在45dB;而采用复合翼构型的沃兰特VE25和御风未来M1,噪声等级都大于65dB。

要知道,环境噪音高于75dB时,人体就有明显不适。传统直升机在巡航阶段的噪音超过88dB,起降阶段高于100dB。

这要回到构型来看。复合翼一般只能采用两叶螺旋桨,倾转旋翼可采用多叶螺旋桨。激波的产生,导致噪声不可控。

要兼顾起降与平飞性能,还要满足中等桨的尺寸、设计较小的桨盘载荷的约束,还要考虑较低的桨尖速度、较低的桨尖涡强度等,在如此多的约束下,设计难度极高。

只有掌握螺旋桨设计优化、仿真验证、风洞实验验证的关键技术,才能真正能实现eVTOL高性能低噪声螺旋桨。

这意味着,只有真正的全倾转,才能实现升力与阻力的平衡。

机翼和旋翼一同倾斜会改变飞行器的气动布局,影响飞行器的升力和阻力。在倾斜过程中,需要优化空气动力学形状,以确保飞行器在两种飞行模式下都能保持高效的升力和较低的阻力。

数字的对比更直观,业内平均的飞行器升阻比是8,如果采用全倾转旋翼路线,比如华羽先翔的鸿鹄eVTOL,升阻比能达到12-15,确保垂直起降和巡航过程中均具有最有效率。

这是因为鸿鹄eVTOL采用气动效率最高,结构多余重量最低的倾转旋翼设计,并通过三翼面气动布局与 6 旋翼的组合设计,使得飞机在巡航中没有多余的会产生额外气动阻力的部件存在,飞机气动效率优于绝大多数在研eVTOL飞行器,更节能更高效。

性能、舒适、安全,堪称eVTOL设计的不可能三角。或许外界永远想象不到,飞机设计师为了减小每一克的重量与增加每0.001的性能系数,能做出多大努力。

而一代又一代科学家做的事,就是把不可能三角变成可能。

百花齐放到收敛,行业必然规律

在全倾转旋翼这条最难也最正确的赛道上,玩家不多。

目前全世界范围内仅有美国的JOBY公司研发成功样机Joby S4,适航进度最快,中国国内尚未有公司宣布样机试飞成功,华羽先翔的进度相对领先,工程样机已总装下线,很快对外推出。

华羽先翔全倾转旋翼产品鸿鹄MARK1

即使是Joby公司,也经历了试错的多个阶段。

第一阶段是构型演进。2009年公司成立,2011年推出了单人出行交通工具的概念,当然这时很多想法还不成熟,也并没有确定要做城市公路交通;2014年,Joby提出了S2的概念机型,采用了倾转螺旋桨的设计,也应用了包括折叠螺旋桨在内的一些技术。

由于可折叠螺旋桨设计较为复杂,最终S2的设计被Joby公司放弃,进而开始设计更加简易的机型Joby S4。

S4相较于S2明显的不同在于:其一,螺旋桨的数量从原来的12+4变为了6个,降低设计构型的复杂程度;其二,桨盘面积(Rotor Area)明显提升,做出了更大的电推进螺旋桨。

因为悬停效率很关键。螺旋桨越少,桨盘面积越大,悬停效率越高;螺旋桨越多,桨盘面积越小,悬停效率越低。

固定翼结构更容易提供飞行器升力,即能获得较大的升阻比,具备水平巡航的优势;

同时,桨盘面积越大的飞行器拥有越小的桨盘载荷,即拥有良好的悬停/垂直起降优势。

以S4为开端,Joby公司的第二阶段从此开启,2015年、2016年,Joby开展了25%缩比验证测试;2020年1月,Joby发布了S4原型机。

2021年2月,确定了FAA审定基础,Joby获得了来自美国空军计划的第一笔收入。2021年,它还进行了包括整机能力测试、噪声测试等一系列测试。

一款产品的成功,带动一家公司的成功;而产品的成功,取决于技术演进的速度,从Joby S2到Joby S4的变迁充分证明了这一点。

美国Joby S4全倾转旋翼产品

现在我们所明确的行业发展关键阶段、关键推动因素,其实在发展早期,是并不清晰的。但唯一确定的是,跟着技术演进的方向走。

eVTOL的产品进展,离不开四大技术背景:航空电推进技术长足进步、电池功率密度与能量密度快速提升、新材料技术的广泛应用以及飞行控制系统小型化。

其中,分布式电推系统(DEP)的逐渐成熟,对于eVTOL最为关键。用多个小型电动机的分布式推进构型,可以实现相当于一个大型电动机的推进效果。

自2014年以来,美国国家航空航天局分布式电推进项目一直在研发中,在加利福尼亚沙漠的航空实验室展示了X-57麦克斯韦飞机,这是第一架全电动实验飞机的早期版本,改编自意大利制造的Tecnam P2006T双引擎螺旋桨飞机。

在中国,首个分布式电推进飞行试验机在2017年研发亮相。由西北工业大学“飞机电推进技术工信部重点实验室”和“陕西省试验飞机设计与飞行技术工程实验室”科研团队研发,是国内飞机电推进技术从理论研究到实际飞行验证的一次跨越。

电推进技术在商业化的利用,最先出现在了小型消费级航拍飞行器以及小型无人机上。2015年以来,采用升力+巡航构型的工业级无人机在中国以及世界范围内出现,短短七年的发展时间,中国工业级无人机已形成庞大规模,在军用民用领域广泛应用。

继无人机之后,分布式电推系统(DEP)正应用到eVTOL上,这就是全倾转旋翼路线的基石。西北工业大学的科研成果,加速从实验室走到现实,这就是华羽先翔,在研产品主要有鸿鹄Mark 1系列eVTOL。

自身前期技术的积累已充足,加上行业整体向倾转旋翼的转型已明确,2022年1月,华羽先翔成立了,这也是国内唯一航空专业院校孵化的eVTOL企业。

2024年华羽先翔刚刚完成数千万元人民币天使轮融资,由湖南省通航基金领投,公司总部也因此落在长沙,此后的产品总装、测试及试运营都将于长沙进行,西安则为公司研发中心。

历史经验告诉我们,一项技术从诞生到被广泛应用,或许仅仅需要10年-20年。而老行业巨头的陨落,新巨头的诞生,就孕育于此。

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