全电多旋翼eVTOL飞行器推进系统概念设计研究

本篇报告将连载发布，针对全电多旋翼eVTOL飞行器推进系统概念设计，进行研究与分析。

当前，全球正经历着前所未有的城市化浪潮。截至2023年，超过54%的世界人口(约45亿人)已居住在城市地区，这一趋势预计将持续至2050年，届时城市人口占比将达到68%(约66.8亿人)。城市化的快速扩张在推动经济发展的同时，也给地面交通系统带来了难以承受的压力。数据显示，全球主要城市的居民每年因交通拥堵损失的时间超过100小时，这不仅严重降低了出行效率，还造成了巨大的经济损失。

与此同时，道路交通已成为全球交通运输领域碳排放的主要来源，贡献了全球交通领域45%的二氧化碳排放。随着全球气候变化问题的日益严峻，减少交通运输领域的碳排放已成为各国政府的重要共识。然而，传统地面交通基础设施的扩张能力有限，无法通过单纯增加道路面积来解决拥堵和排放问题。因此，探索新型、高效且零排放的交通方式，已成为全球城市可持续发展的迫切需求。

电动垂直起降(eVTOL)飞行器作为城市空中交通(UAM)的核心载体，为解决上述问题提供了革命性的解决方案。eVTOL飞行器能够垂直起降，无需依赖传统的长跑道机场，可以在城市内部的垂直起降场之间实现点对点飞行，将部分地面交通转移至空中，有效缓解道路拥堵，显著缩短个人出行时间。研究表明，在城市核心区域，eVTOL的出行时间可比地面交通缩短70%以上。

与传统燃油交通工具相比，电池电力推进系统在使用可再生能源发电时可实现近零排放，为城市交通的绿色转型提供了重要途径。更为重要的是，eVTOL飞行器有望成为电动航空技术的首个大规模商业化应用场景。数据显示，欧洲30.6%的商业航班飞行距离小于500km，这些短途航线非常适合采用电动飞机执飞。通过eVTOL技术的发展和验证，可以为更大范围的电动航空应用积累经验、降低技术风险，推动整个航空工业向电气化转型。

尽管eVTOL技术具有巨大潜力，但其商业化进程仍面临诸多挑战，其中安全性、可靠性与认证标准缺失是最为核心的障碍。目前全球已有数百家企业和研究机构推出了eVTOL概念设计，首批载人商业运营预计最早在2026年左右实现，但绝大多数设计尚未通过严格的航空安全认证。

为规范eVTOL飞行器的设计与运营，欧洲航空安全局(EASA)于2018年启动了专门的认证标准制定工作，发布了《小型垂直起降飞行器特殊条件》(EASA SC-VTOL)和《电动/混合动力推进系统特殊条件》(EASA SC E-19)。对于在人口稠密地区运营的"增强类"(enhanced)eVTOL飞行器，EASA提出了与商业航空相当的严格安全要求：任何单一系统故障或非灾难性组合故障不得导致无法继续安全飞行和着陆；灾难性故障的发生率必须低于10^-9次/飞行小时，且不得由单一故障引起。

推进系统作为eVTOL飞行器最关键的系统之一，其可靠性直接决定了整机的安全水平。然而，现有研究表明，无翼多旋翼构型的eVTOL飞行器尤其难以满足EASA的安全要求。传统的多旋翼设计中，单个旋翼的失效会导致灾难性后果，而现有推进系统架构的故障率远高于EASA规定的标准。因此，开展满足适航要求的多旋翼eVTOL推进系统概念设计研究，对于推动UAM产业的安全、健康发展具有至关重要的意义。

本研究旨在解决以下四个核心问题，为多旋翼eVTOL推进系统的安全设计与认证提供理论基础和方法指导：

1. 满足EASA SC-VTOL安全目标的多旋翼eVTOL推进系统概念设计流程：如何构建一种结构化的概念设计方法，将安全与可靠性评估有机集成到推进系统设计的全过程，确保最终设计能够满足EASA SC-VTOL规定的安全目标。传统的飞行器设计方法通常将安全评估作为设计后期的验证环节，容易导致后期重大设计变更，增加开发成本和周期。因此，需要建立一种从设计初期就融入安全考量的迭代式设计流程，如图1所示的五阶段设计方法框架。

图1 eVTOL动力系统概念设计五步法流程

2. EASA可靠性要求对多旋翼推进系统概念设计的影响：EASA SC-VTOL规定的严格可靠性要求将如何改变多旋翼推进系统的架构设计？哪些故障模式是设计的主要驱动因素？需要采取哪些具体的安全措施(如冗余设计、故障隔离、钝化措施等)来满足这些要求？这些措施对系统的重量、复杂度和成本会产生怎样的影响？

3. 电池电力推进系统架构除安全要求外的设计与选型特性：除了安全与可靠性要求外，电池电力推进系统的设计还需要考虑哪些关键因素？动力传动系统(电机、控制器、减速器)、电气系统(电池、配电)和热管理系统的选型与尺寸设计有哪些特殊要求？如何在满足安全要求的同时，平衡系统的性能、重量和效率？

4. 全电多旋翼推进系统热管理系统的核心要求：全电多旋翼推进系统的热管理系统需要满足哪些基本要求？不同系统组件(电机、电机控制器、电池)的热特性有何差异？如何设计高效、可靠的热管理系统以确保所有组件在正常和故障条件下都能在允许的温度范围内工作？热管理系统的设计对整机性能和安全性有何影响？

目前，关于多旋翼eVTOL推进系统概念设计的研究相对有限，且大多数方法未能充分集成安全与可靠性评估。现有的设计方法主要集中在性能和重量估算上，将安全评估作为独立的后期环节，导致设计与安全要求脱节。

2021年，Bertram等人提出了一种基于飞行任务要求和推进技术的多旋翼飞行器初始尺寸环方法。该方法通过迭代计算飞行器的重量、功率和能量需求，能够快速生成初始设计方案。然而，该方法仅关注基本的飞行性能和重量特性，未涉及推进系统架构设计及其可靠性分析，无法评估设计方案是否满足适航安全要求。

2022年，Liscouët等人提出了一种包含可控性分析、尺寸优化和安全评估的多旋翼概念设计方法。该方法在设计过程中引入了可靠性分析，能够评估不同架构的故障率。然而，该方法的可控性分析未考虑飞行阶段转换和操纵品质因素，且安全评估仅基于无人机系统(UAS)法规进行验证，其在载人eVTOL飞行器中的适用性尚未得到证明。此外，该方法也未详细分析安全措施对系统重量和复杂度的影响。

总体而言，现有多旋翼推进系统概念设计方法普遍存在安全与可靠性集成不足的问题，无法在设计初期就充分考虑适航要求，容易导致后期设计变更和开发成本增加。

现有研究表明，当前多旋翼eVTOL推进系统的故障率远高于EASA SC-VTOL的要求，无法满足载人运营的安全标准。

2019年，Darmstadt等人对四种不同VTOL构型(倾转翼、四旋翼、横向双发、升力巡航)的推进系统进行了全面的安全分析。结果显示，所有构型的灾难性故障率均在10^-4次/飞行小时量级，其中四旋翼构型的故障率最高，达到7.97×10^-4次/飞行小时，比EASA要求的10^-9次/飞行小时高出5个数量级。这一结果表明，传统的非冗余多旋翼架构完全无法满足载人运营的安全要求。

2021年，Darmstadt等人对多旋翼构型的推进系统架构进行了改进，通过引入连接所有四个主旋翼驱动轴的交叉轴系统，实现了动力的交叉备份。改进后的四旋翼构型的灾难性故障率降低至1.78×10^-9次/飞行小时，勉强满足EASA的要求。然而，该研究未分析增加交叉轴系统对飞行器重量、复杂度和设计可行性的影响，且仅将热管理系统简单地要求为双重冗余，未进行详细设计和验证。此外，交叉轴系统本身也存在机械复杂度高、维护困难等问题。

Liscouët等人的研究也得出了类似的结论。他们认为无人四旋翼的故障率约为1.44×10^-4次/飞行小时，只有通过增加旋翼数量(至少8个，即共轴四旋翼或八旋翼构型)才能满足EASA SC-VTOL的要求。然而，增加旋翼数量会导致系统复杂度显著增加，同时也会带来更大的气动干扰和噪声问题。

综上所述，当前多旋翼eVTOL架构的故障率水平远未达到适航要求，现有的改进方案要么存在重量和复杂度问题，要么缺乏全面的验证。因此，需要探索新的推进系统架构和安全设计方法，在满足安全要求的同时，平衡系统的性能和可行性。

eVTOL推进系统的设计必须遵循一系列航空安全与认证规范，这些规范为系统的安全设计和验证提供了总体框架。主要包括以下四个核心规范：

1. EASA SC-VTOL-01：《小型垂直起降飞行器特殊条件》，规定了小型VTOL飞行器的基本认证要求，包括安全目标、功能开发保证等级(FDAL)和适航验证方法。该规范将eVTOL飞行器分为基本类和增强类，对增强类飞行器提出了与商业航空相当的安全要求，是载人eVTOL飞行器认证的核心依据。

2. EASA SC E-19：《电动/混合动力推进系统特殊条件》，专门针对VTOL飞行器使用的电动/混合动力推进系统的特殊条件，涵盖了电气系统、电池系统和推进系统的安全要求。该规范对电池的热失控防护、高压安全、故障隔离等方面提出了严格要求。

3. SAE ARP4754A：《民用飞机和系统开发指南》，规定了基于模型的系统工程方法和安全评估流程。该指南强调了在系统开发全过程中集成安全评估的重要性，要求通过迭代的设计和验证过程确保系统满足安全要求。

4. SAE ARP4761：《民用机载系统和设备安全评估指南和方法》，详细规定了功能危害分析(FHA)、故障树分析(FTA)、初步飞机安全评估(PASA)和初步系统安全评估(PSSA)等安全评估方法。该指南为eVTOL推进系统的安全分析提供了具体的技术指导。

尽管这些规范为eVTOL推进系统的安全设计提供了总体框架，但如何将这些通用要求具体应用于多旋翼eVTOL推进系统的概念设计，仍缺乏系统的方法和实践指导。特别是如何在设计初期就将安全评估与系统架构设计、组件选型和尺寸估算有机结合，是当前亟待解决的问题。本研究正是针对这一空白，提出了一种集成安全与可靠性评估的多旋翼eVTOL推进系统概念设计方法，并通过具体案例验证了该方法的有效性。

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