eVTOL坠撞动力学高保真建模分析：材料-结构-乘员耦合仿真与验证

电动垂直起降飞行器作为城市空中交通（UAM）与区域空中交通（RAM）的核心载体，正经历从实验室构想迈向商业化运营的关键阶段。这一进程始于2010年代初，其技术根基建立在两大支柱之上：一是源于汽车产业的电池技术革命，能量密度从早期的150Wh/kg提升至当前主流的285Wh/kg，为飞行提供了必要的动力续航基础；二是无人机产业成熟的分布式电推进（DEP）与飞控技术，赋予了飞行器垂直起降与稳定悬停的能力。自2016年优步发布《 Elevate 》白皮书点燃行业热情以来，全球资本密集涌入，在2021年达到峰值，年私募融资规模超过25亿美元。截至2025年，全球涌现出超过50家eVTOL整机开发商，形成了“升力+巡航”（如Joby S4）、“矢量推力”（如Lilium Jet）和“多旋翼”（如Volocopter 2X）等多种技术路线并存的格局。产业生态日趋完善，不仅涉及整机研发，更延伸至动力系统（高功率密度电机、电调）、材料科学（先进复合材料）、空中交通管理（UTM）和基础设施（垂直起降场）等全链条。摩根士丹利等机构预测，到2040年，全球UAM市场规模有望达到1万亿美元，而eVTOL作为其中枢，其发展已不仅是技术竞赛，更是对未来城市交通形态的战略布局。

一、eVTOL发展趋势与适坠性安全挑战

产业蓬勃发展背后，安全性是悬于头顶的“达摩克利斯之剑”。尽管eVTOL在设计上普遍采用冗余系统以提升安全性，但近年来的事故案例揭示了从技术验证迈向商业化运营过程中面临的系统性风险。例如，2025年长春航展期间发生的两架eVTOL飞行器在预演阶段因编队间距不足导致接触、其中一架迫降受损起火的事件，就是一个典型缩影。该事故暴露出的深层问题远超单一技术故障：首先，它反映了在复杂低空动态环境中，多飞行器协同作业的通信、导航与感知（CNS）系统可靠性及避障算法的成熟度仍面临严峻考验；其次，现有低空空域管理规则尚无法有效支撑高密度、高频次的eVTOL运行，存在监管空白；最后，事故发生在公众场合，引发了社会公众对低空飞行器噪声、安全及隐私的广泛担忧，凸显了社会接受度这一非技术性挑战同样关键。这些案例共同指向一个核心结论：eVTOL的安全是一项涵盖技术硬实力、运营软体系和公众信任度的系统工程，任何短板都可能成为产业发展的障碍。

1.1 eVTOL特有的适坠性设计挑战与技术瓶颈

与传统飞机或直升机相比，eVTOL在应急着陆（适坠性）方面面临着一系列独特且严峻的设计挑战，这些挑战根植于其基本构型与运营需求之中。第一，极致的轻量化需求与结构吸能能力之间的矛盾：为获得必要的航程与经济性，eVTOL必须大幅减重，这往往限制了传统大型起落架缓冲系统及厚重承力结构的使用，导致可用于吸收碰撞能量的结构质量和空间严重受限。第二，复合材料主承力结构的复杂失效行为：为减重，eVTOL机身、起落架广泛采用碳纤维增强复合材料（CFRP）。然而，CFRP的吸能机理与金属截然不同，其破坏模式表现为脆性断裂、分层和纤维断裂的复杂耦合，往往存在初始峰值载荷高、平均压溃力波动大、能量吸收效率不稳定等问题。多个复合材料部件组合后的整体吸能效果并非简单叠加，设计与预测极其困难。第三，紧凑布局导致的乘员保护空间不足：eVTOL座舱设计通常紧凑，客舱地板距离地面高度有限，这使得传统的长行程起落架缓冲或座椅下潜空间被压缩，缩短了关键的减速距离，增大了乘员承受的过载风险。第四，城市低空复杂环境引致的多姿态碰撞威胁：在城市峡谷中运行，eVTOL可能因湍流、阵风或避障机动失败而与建筑物、缆线发生刮碰，导致其以非理想的垂直姿态（即离轴姿态，带有俯仰、滚转和水平速度）撞击地面或水面。这种多角度、多方向的碰撞载荷工况，对结构的抗弯、抗扭及抗剪切能力提出了远超传统飞机适坠性考核范畴的全面要求。

1.2 国内外适坠性研究进展与标准建设现状

面对上述挑战，全球航空业界与监管机构正加速相关研究及标准制定。在研究领域，美国国家航空航天局（NASA）牵头开展了大规模的eVTOL适坠性研究项目，如“ Revolutionary Vertical Lift Technology (RVLT) ”项目下的坠撞动力学研究，通过全尺寸和缩比部件的动态冲击试验，系统收集复合材料机体在不同冲击条件下的力学响应数据，为建立预测模型和设计指南奠定基础。欧洲方面，空客等公司利用其在大型客机适坠性仿真方面积累的深厚经验，正将先进的有限元分析（FEA）和计算流体力学（CFD）耦合方法应用于eVTOL的早期设计。在标准与认证层面，美国联邦航空局（FAA）通过 Part 23（通勤类飞机）修正案和即将出台的专用适航标准，欧洲航空安全局（EASA）则发布了世界首部针对VTOL飞行器的专门认证规范 SC-VTOL（现已整合为SCE-19），其中均明确包含了针对应急着陆情况的乘员保护要求。中国民航局（CAAC）也正积极跟踪国际动态，着手制定符合国情的eVTOL适航审定路径。这些标准的核心在于，要求飞行器在可生存的应急着陆条件下，通过结构变形吸收能量，为乘员维持一个完整的生存空间，并将作用于人体的加速度、载荷和冲击损伤风险控制在生物力学容忍极限之内。然而，针对eVTOL复合材料结构特有的离轴碰撞、电池包安全等新型场景的详细审定方法，仍有待进一步细化和完善。

二、eVTOL适坠性数值仿真建模方法

2.1 高保真整机有限元模型构建策略

数值仿真是现代飞行器适坠性设计的核心工具，它能够在物理样机制造之前，以较低成本预测结构在极端冲击下的响应。为精确模拟eVTOL的坠撞过程，本研究基于显式动力学求解器 LS-DYNA 的前处理平台LS-PREPOST，构建了高度精细化的全机有限元模型。模型共包含 392个独立部件，网格总数接近 70万，涵盖了决定适坠性能的所有关键子系统：复合材料机舱蒙皮与框架、滑橇式主起落架、容纳电芯模组的电池舱结构、连接电机与机身的机臂、螺旋桨（模拟为质量点与转动惯量）、乘员座椅及约束系统。

2.2 材料本构模型与失效准则的选取

材料模型的准确性是仿真可靠性的基石。针对模型中的不同材料，采用了高精度的本构模型：

金属材料：机舱部分框架、连接件采用Al2024铝合金，使用LS-DYNA中的*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY （分段线性塑性）材料模型。该模型能精确描述金属的弹性阶段、塑性屈服、基于真实应力-应变曲线的应变硬化效应，并通过设置失效应变来模拟材料的断裂失效。

复合材料：机身主结构、起落架及吸能元件大量采用T700级碳纤维织物及单向带预浸料。对此，采用了增强复合材料损伤模型。该模型基于Chang-Chang等失效准则，能够同时模拟复合材料层合板在面内载荷下的多种失效模式，包括纤维拉伸/压缩断裂、基体拉伸/压缩开裂，并能考虑这些失效模式间的相互作用以及由此导致的刚度退化。这对预测复合材料结构在坠撞中从初始损伤到最终压溃的渐进破坏过程至关重要。

2.3 连接、接触与边界条件设置

eVTOL整机模型的连接与接触设置高度复杂，直接影响到载荷传递路径的真实性。

连接模拟：对于螺栓连接、粘接等关键连接部位，采用将连接区域节点合并到“*CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY （节点刚性体）”中的方法。这种虚拟刚性体连接方式能有效传递力和力矩，同时避免了直接节点固连可能带来的局部应力奇异，并显著提升了计算效率。

载荷与初始条件：在仿真开始时，对整机模型施加重力加速度（9.81 m/s²），并为整机赋予一个向下的初始速度（例如9.1 m/s的应急着陆速度），以模拟特定的坠撞能量水平。

2.4 乘员生物力学损伤评估模型集成

适坠性的终极目标是保护乘员，因此集成高保真的乘员伤害评估模型不可或缺。本研究引入了汽车和航空碰撞领域公认的 Hybrid III 50th百分位男性假人 的详细有限元模型。该模型并非刚体，其头部（有精细的脑组织模拟）、颈部、胸部、腰椎、骨盆及四肢均按照人体生物力学特性构建，内置了数十个传感器通道。在仿真中，假人被正确安置于eVTOL座舱座椅上，并系上标准的三点式安全带模型（使用MAT_SEATBELT材料与ELEMENT_SEATBELT单元）。通过该假人模型，可以直接输出国际通用的伤害评估指标，如：

• 头部损伤判据（HIC）：用于评估颅脑损伤风险。
• 胸部合成加速度（3ms）与压缩量：用于评估胸部器官损伤。
• 腰椎轴向力：是评估脊柱损伤，特别是压缩性骨折风险的关键指标（适航标准中常有限值，如6.7 kN）。

这种“结构-乘员”一体化的仿真方法，使得设计者能够直接评估结构设计改动对最终乘员生存概率的影响，实现了真正以人为中心的安全性设计闭环。

三、滑橇式起落架结构适坠性优化设计

3.1 滑橇式起落架的设计要求与挑战

作为eVTOL触地的首要能量吸收部件，滑橇式起落架需平衡相互矛盾的多重设计要求：1）应急着陆吸能要求：在高达9.1 m/s的垂直坠撞速度下，必须通过可控的结构破坏吸收绝大部分动能，将传递至机舱的峰值过载限制在人体可生存范围内（通常要求低于40g，理想目标低于30g）；2）正常使用强度要求：需能承受日常运营中可能出现的“硬着陆”（如从0.5米高度跌落，触地速度约3.1 m/s）而不产生功能性损坏；3）轻量化要求：其自身质量需尽可能小，以最小化对飞行器航程和商载的负面影响。对于复合材料制成的滑橇式起落架，其挑战在于如何设计铺层，使其在低能量冲击下保持完整，而在高能量冲击下又能触发稳定、高效的渐进压溃，而非危险的脆性断裂。

3.2 “引导式渐进破坏”设计理念与变厚度铺层方案

为应对挑战，本研究提出了“引导式渐进破坏”的核心设计理念。其原理是：通过精细设计复合材料层合板在不同区域的厚度（即铺层数）和铺层顺序，在起落架结构中人为制造一个刚度梯度和预设的“薄弱引发区”。

我们将起落架的弓形主承力梁沿轴向划分为6个关键分段（Segment 1-6）以及连接滑橇的连接段。基于坠撞动力学分析，我们知道在垂直冲击下，弓形梁中部（如Segment 4）弯曲弯矩最大，两端较小。传统均匀厚度设计易在最薄弱的弯矩最大处发生突然折断（局部破坏）。新方案则反其道而行之：在弯矩最大的区域（如Segment 4）适当增加厚度以提升抗弯能力，防止过早断裂；同时，在选定的“薄弱引发区”（如靠近支座的Segment 6）有意减少铺层厚度，使其在达到一定载荷阈值时率先发生稳定的分层和压溃。这种设计迫使破坏从预设区域开始，并像“撕开拉链”一样，引导裂纹或压溃波沿着梁向预定方向稳定扩展，从而将一次剧烈的冲击转化为一个持续较长时间、吸收能量更充分的渐进破坏过程。

3.3 多轮设计迭代与方案性能对比分析

优化过程经历了多达11轮的设计迭代，通过对比关键性能指标，清晰展示了设计改进的路径（此处以代表性方案说明）：

方案11 作为最终优化方案，其仿真结果表明：在9.1 m/s冲击下，起落架从预设的薄弱区开始，发生平稳、连续的压溃变形，吸收了高达98.9%的初始动能；传递至机舱地板的峰值加速度被有效抑制在288 m/s²（约29.4g）以下。同时，在3.1 m/s的正常使用冲击仿真中，结构仅发生弹性变形或轻微损伤，无功能性破坏。这证明，通过巧妙的变厚度铺层设计，成功地在轻量化前提下，实现了起落架“刚柔并济”的智能化性能——该“刚”时刚，该“柔”时柔。

3.4 基于机器学习的应力快速预测与设计加速

传统的“仿真-评估-修改”优化循环极为耗时，每个方案的非线性坠撞仿真可能需要数小时甚至数天。为极大加速这一过程，某机构为起落架开发了一个机器学习代理模型。具体步骤为：1）数据集生成：以起落架各分段铺层厚度、铺层角度、冲击速度为输入变量，以关键危险区域（如Segment 4弯管处）的最大等效应力为输出目标，通过自动化脚本运行数百次参数化有限元仿真，构建高质量数据集。2）模型训练：采用深度神经网络（DNN） 架构，对数据集进行训练、验证和测试。3）部署与应用：训练好的模型能在毫秒级时间内，对新的设计参数组合进行应力预测，平均预测误差控制在10%以内。工程师可利用此模型进行海量的初步设计筛查，快速淘汰应力超标（预示断裂风险）的不良设计，仅对最有潜力的少数方案进行全流程高精度仿真验证。这相当于为设计师配备了一个“数字助手”，将初期设计探索的效率提升了一到两个数量级。

四、吸能元件设计与智能优化方法

4.1 吸能元件的功能定位与初始设计

在起落架吸收了大部分冲击能量后，传递至座舱地板和座椅的加速度脉冲仍可能对乘员造成伤害，特别是对脊柱的冲击。吸能元件（通常安装于座椅滑轨与地板之间）作为“最后一厘米”的精密缓冲器，其核心功能是：在载荷超过预设阈值（通常低于人体脊柱损伤极限）时，通过自身可控的压溃变形，进一步“削峰滤波”——即降低加速度峰值、延长减速时间、使载荷-时间曲线更为平滑，从而将乘员腰椎受力等生物力学指标精准地控制在安全限值之内。

本研究设计的初始吸能元件为薄壁圆柱壳结构，材料为T700碳纤维编织布。其基本几何约束为：高度160mm（适应座椅底部空间），直径60-110mm，壁厚1-3mm。为诱导稳定的渐进压溃而非整体屈曲，在圆柱壳顶端设计了外翻卷边并预制了四个周向均布的初始缺口，以引导压溃从这些缺口处开始并对称发展。

4.2 几何尺寸参数化研究与最优解确定

为确定最优几何尺寸，首先进行了系统的参数化仿真研究，固定材料参数，分别考察直径和壁厚的影响。

直径影响分析（壁厚=2mm）：随着直径从60mm以10mm为间隔增至110mm，乘员腰椎受力呈非单调的“S型”曲线变化。这是因为直径变化同时改变了结构的轴向刚度、弯曲稳定性和压溃折叠波长。仿真结果显示，在直径为 100mm 时，腰椎受力出现了一个显著的谷值，约为8.0 kN，此时吸能效率较高。

壁厚影响分析（直径=100mm）：固定最优直径100mm，变化壁厚（1, 1.5, 2, 2.5, 3 mm）。结果显示，腰椎受力呈先降后升的 “U型”曲线。壁厚过薄，结构过早失稳，峰值力低但载荷曲线波动大；壁厚过厚，初始峰值载荷过高。在壁厚为 2.5mm 时，腰椎受力达到全局最小值约5.2 kN，且载荷-位移曲线平稳，表明压溃过程非常稳定。该最优设计（Φ100×2.5mm）质量仅为0.23kg，对整机增重影响微乎其微。

五、整机适坠性综合评估与部件分析

5.1 优化前后整机坠撞性能对比

将优化后的滑橇式起落架（方案11）和最优吸能元件（Φ100×2.5mm）集成到eVTOL整机模型中，进行9.1 m/s垂直坠撞仿真，并与原始未优化设计进行对比，结果差异显著：

数据显示，原始设计的乘员伤害指标远超安全限值，意味着坠撞将是致命的。仅优化起落架后，腰椎受力大幅下降至9.7 kN，HIC值已优于标准，表明乘员生存成为可能。加入吸能元件后，腰椎受力被进一步精细地调节至5.2 kN的安全值内，实现了从“可能生存”到“高概率安全”的跨越。

5.2 各部件的能量吸收贡献分解

通过仿真后处理，提取各部件在坠撞过程中的内部能量（塑性能、损伤能等）变化历史，可以定量分解总吸能量来源：

滑橇式起落架：作为主要吸能部件，贡献了总冲击动能的 85%-90% 。其通过大范围的塑性变形和复合材料分层破坏，消耗了绝大部分能量。

机身结构（地板、框架等）：贡献约 5%-8% 的能量吸收。主要通过局部变形和少量损伤吸能。

座椅吸能元件：尽管其吸能量绝对值占总比不高（约 2%-4%），但其战略价值无可替代。它位于载荷传递链的末端，直接作用于乘员约束系统。其吸能的关键在于 “时机”和“波形管理” ——它在冲击载荷传递至乘员身体前的最后时刻工作，精准地“削去”了可能导致伤害的载荷峰值，并将一个尖锐的脉冲转化为一个平缓的平台。这正是其将腰椎受力从9.7 kN降至5.2 kN的物理本质。

这种贡献分解清晰地揭示了eVTOL适坠性设计的“分层防御”理念：起落架是第一道、也是最主要的重型防线；机身结构是第二道辅助防线；而吸能元件则是保护乘员的最后一道精密、主动的智能防线。

六、eVTOL离轴碰撞下的适坠性分析

6.1 离轴碰撞工况的定义与研究必要性

城市环境中的应急着陆极少是理想的垂直坠落。离轴碰撞是指飞行器以带有水平速度分量和/或非零俯仰角、滚转角的姿态与地面发生撞击。这种工况可能由侧风、失控旋转、与障碍物刮蹭后姿态失控等多种原因引起。研究离轴碰撞的适坠性至关重要，因为它引入了剪切、扭转等复杂载荷，这些载荷在垂直坠撞中并不显著，但对eVTOL的轻量化复合材料结构可能构成致命威胁。

6.2 多角度/多速度离轴坠撞仿真设置与结果

为全面评估风险，我们设计了一系列离轴坠撞仿真工况，系统变化以下参数：

• 碰撞角度：俯仰角（机头向上/向下）从0°到30°；滚转角（机翼倾斜）从0°到45°。
• 碰撞速度：垂直速度分量固定为9.1 m/s，水平速度分量从0 m/s增加到10 m/s。
• 地面摩擦：考虑了不同摩擦系数（0.2-0.5）的影响。

仿真结果揭示了两个主要的风险升级模式：

风险一：乘员腰椎伤害风险在斜向冲击下急剧升高

在纯垂直坠撞中表现良好的吸能元件和座椅系统，在离轴工况下面临挑战。例如，当存在15度俯仰角和5 m/s水平速度时，乘员除受到垂直减速载荷外，还会受到显著的向前（或向后）的剪切力和惯性力矩。此时，腰椎承受的是压缩与弯曲的复合载荷，其耐受极限远低于纯轴向压缩。仿真显示，在某些离轴工况下，即使垂直过载不高，腰椎受力也可能再次逼近甚至超过6.7 kN的限值。这表明，当前针对垂直载荷优化的吸能元件和座椅姿态，需要增强对多向载荷的适应性，例如考虑具有各向异性或耦合变形能力的智能材料与结构。

风险二：机身座舱的剪切溃塌与生存空间完整性丧失

这是离轴碰撞中最危险的结构性风险。在带有较大滚转角和水平速度的撞击中，地面会对一侧的起落架或机身侧壁产生巨大的水平摩擦力。同时，机舱内沉重的电池包（通常位于客舱下方或底部）在惯性作用下会产生强大的横向剪切力。这两种力共同作用，可能导致：

• 复合材料座舱框架在连接节点处发生剪切破坏。
• 地板被剪断或严重变形。
• 侧壁结构向内溃缩，严重侵占乘员生存空间。

仿真中观察到了在30度滚转撞击下，机舱一侧结构被“剪断”，导致客舱严重变形的情景。这意味着，乘员可能在没有受到过高过载的情况下，因生存空间被挤压而丧生。这要求eVTOL的机身设计，特别是客舱下部结构、地板梁与侧壁的连接方式、以及电池舱的安装结构，必须具备足够的抗剪切和抗弯扭能力，这是在垂直坠撞分析中容易被忽略的关键点。

七、总结与展望

7.1 研究核心结论

本研究围绕eVTOL的适坠性挑战，开展了一套从核心部件到整机集成、从理想垂直到复杂离轴工况的系统性分析、优化与评估工作，得出以下核心结论：

起落架是生存基石：通过复合材料滑橇式起落架的“引导式渐进破坏”变厚度设计，可将其从脆性断裂的吸能失效模式转变为高能量效率的稳定压溃模式，这是保障乘员在垂直坠撞中生存的基础性、决定性措施。

吸能元件是安全精调的关键：座椅吸能元件虽小，但在载荷传递末端起着不可替代的“精密滤波”作用，能精准地将乘员腰椎受力等生物力学指标从生存边缘调节至绝对安全范围内，实现了从“保命”到“保安全”的跃升。

智能化设计方法是效率引擎：融合机器学习代理模型与遗传算法的智能优化框架，能极大加速高维、非线性适坠性部件的设计进程，为解决未来更复杂的设计问题提供了高效的方法论工具。

离轴碰撞是未来设计的核心挑战：研究证实，城市环境特有的离轴碰撞工况会显著加剧乘员伤害风险和座舱结构剪切溃塌风险。未来的eVTOL适坠性标准与设计，必须强制纳入离轴碰撞考核，其重要性不亚于垂直坠撞。

7.2 未来技术发展与研究方向展望

基于本研究的发现，eVTOL适坠性技术的未来发展将聚焦于以下几个前沿方向：

材料与结构创新：研发多功能一体化复合材料，如具有负泊松比效应的拉胀材料、梯度变刚度材料、以及嵌入形状记忆合金或剪切增稠流体的智能自适应结构，使吸能部件能根据冲击方向和强度自主调整响应。

设计方法学变革：深入发展 “基于人工智能的正向生成式设计” 。结合强化学习、生成对抗网络（GAN）等先进AI算法，不局限于优化给定构型，而是让AI根据安全、重量、空间等多目标约束，直接从材料微观结构到宏观几何拓扑进行创新性构型生成，实现颠覆性设计。

验证与标准完善：亟需建立覆盖全范围离轴碰撞工况的、公开的 eVTOL坠撞测试数据库，并推动监管机构制定包含明确离轴碰撞场景、复合/多材料结构损伤容限、电池系统安全等在内的下一代适坠性审定标准。

系统集成安全：将适坠性设计与整机安全余度管理、应急漂浮（对于水上迫降）、坠撞后应急撤离、防火防爆（特别是电池热失控）等系统进行更高层级的集成优化，实现全任务剖面下的系统性安全。

eVTOL代表着人类出行方式的又一次革命，而其“安全着陆”的能力是这场革命得以实现的伦理与技术基石。适坠性研究，正是为这双“未来的翅膀”铸造最坚韧的“安全铠甲”。前路虽充满挑战，但通过多学科的持续融合与创新，我们必将能够构筑起坚固的安全防线，让城市空中交通真正成为安全、可靠、普惠的明日之路。

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