Joby倾转旋翼eVTOL飞行器关键技术

倾转旋翼飞机是一类能够在旋翼模式和固定翼模式之间平滑转换的飞行器，它有机融合了直升机垂直起降(vertical take-off and landing, VTOL)和空中悬停的独特能力，以及固定翼飞机高速巡航和长航程的显著优势。在城市空中交通、应急救援、短途客货运输等对起降场地要求苛刻且对飞行效率有较高需求的应用场景中，倾转旋翼飞机展现出了传统飞行器无法比拟的综合性能和广阔的应用前景。

尽管倾转旋翼概念提出已有近百年历史，但传统倾转旋翼飞机在技术发展和工程应用过程中始终面临着三个难以突破的核心挑战，这些问题严重制约了其安全性、运行效率和大规模商业化推广。

首先，机械传动系统结构复杂且重量代价高昂。传统倾转旋翼飞机普遍采用燃气涡轮发动机作为主动力源，为了平衡飞机的重心和优化气动布局，发动机通常被安装在机身内部。这就需要通过一套极其复杂的机械传动系统将动力从机身内的发动机传递到位于机翼末端、尾翼或机身其他位置的旋翼。这套传动系统包含长达数米的高强度传动轴、多个高精度齿轮箱、离合器以及扭矩分配装置等大量精密部件。这些部件不仅显著增加了飞机的整体空重，还大幅提高了系统的复杂度和制造维护成本。此外，机械传动过程中不可避免的能量损失也进一步降低了飞机的整体能量效率。

其次，推进单元数量受限，单发失效(one-engine-inoperative, OEI)时飞行控制风险极高。由于机械传动系统的复杂性和重量限制，传统倾转旋翼飞机通常只能配备极少量的推进单元，绝大多数设计为2台或4台。当其中任意一台推进单元发生故障失效时，剩余的推进单元不仅需要承担全部的升力和推力需求，还必须产生足够的控制力矩来抵消失效单元带来的不平衡力矩。为了应对这种极端情况，传统设计不得不大幅提高剩余推进单元的功率储备，这进一步增加了动力系统的重量和成本。更严重的是，在某些非对称失效情况下，即使剩余推进单元满功率运行，也可能无法提供足够的控制力矩，从而导致飞机失去控制，引发灾难性事故。

第三，无法同时优化悬停和前飞两种模式下的飞行性能。传统倾转旋翼飞机的推进单元只能绕固定枢轴进行纯旋转运动，在悬停和前飞模式转换过程中，螺旋桨之间的相对空间位置保持不变。然而，悬停模式和前飞模式对螺旋桨的气动布局有着截然不同甚至相互矛盾的要求：悬停模式需要螺旋桨关于飞机重心严格对称分布，以提供最佳的姿态稳定性和全方位的控制权限；前飞模式则需要根据飞机的压力中心分布来优化螺旋桨的位置，以最大限度地减少螺旋桨之间以及螺旋桨与机翼、机身之间的气动干扰，提高巡航效率。固定位置的纯旋转转换方式无法同时满足这两种模式的最优设计要求，导致传统倾转旋翼飞机不得不在悬停效率和前飞效率之间做出艰难的性能妥协。

本方案的电动倾转旋翼飞机设计了三种清晰定义的工作模式，能够根据不同的飞行阶段需求在这些模式之间平滑转换。

悬停模式是飞机主要依靠垂直推力实现飞行的工作模式，适用于垂直起飞、垂直着陆和空中定点悬停等操作。在悬停模式下，所有推进组件均被调整至悬停配置 (hover configuration)，此时螺旋桨的桨盘平面基本平行于飞机的水平面，产生向上的垂直推力，全部升力由推进系统提供。

前进模式是飞机主要依靠水平推力实现高速巡航的工作模式。在前进模式下，所有推进组件均被调整至前进配置 (forward configuration)，螺旋桨的桨盘平面基本垂直于飞机的纵轴，产生向前的水平推力。此时，飞机的绝大部分升力由机翼的气动升力提供，推进系统只需提供克服气动阻力的推力，因此具有比悬停模式高得多的能量效率和飞行速度。

过渡模式是飞机在悬停模式和前进模式之间转换的中间状态。在过渡模式下，推进组件处于悬停配置和前进配置之间的某个中间角度位置，同时产生垂直和水平方向的推力分量。过渡模式允许飞机平稳地在两种主要工作模式之间转换，避免了剧烈的姿态变化和推力波动，确保了飞行的舒适性和安全性。

为了准确描述飞机的几何特征、运动状态和推进系统布局，本方案明确定义了以下核心几何参数和参考系。

重心(CoG)是指飞机重量的合力作用点，是描述飞机运动和受力的参考中心。重心的位置会随着飞机的载荷分布(如乘客数量、货物重量、电池电量等)而动态变化。本方案中提到的重心，除非特别说明，通常指飞机空载且推进系统处于悬停布局时的重心位置。

飞机的三个主轴分别为滚转轴(roll axis)、俯仰轴(pitch axis)和偏航轴(yaw axis)，如图1A和图1B所示。这三个轴相互垂直且相交于飞机的重心。绕滚转轴的旋转会使飞机产生左右滚转运动，绕俯仰轴的旋转会使飞机产生上下俯仰运动，绕偏航轴的旋转会使飞机产生左右偏航运动。作用于飞机的纯力矩会使飞机绕相应的主轴产生纯旋转运动。

图1A 飞机悬停构型俯视图

图1B 飞机前飞构型俯视图

每个螺旋桨都定义了三个基本几何要素：桨盘(disc area)、轮毂(hub)和桨盘平面(disc plane)。桨盘是指螺旋桨旋转时桨叶扫过的圆形区域，轮毂是螺旋桨的中心旋转轴，桨盘平面是包含整个桨盘的无限延伸平面。在不同的工作模式下，桨盘平面的方向会发生根本性变化：在悬停配置下，桨盘平面基本垂直于偏航轴；在前进配置下，桨盘平面基本垂直于滚转轴。

在本方案的技术语境中，"螺旋桨(propeller)"和 "旋翼(rotor)"这两个术语可以互换使用，均指任何能够将旋转动能转换为气动力的旋转气动执行器。这两个术语的使用不暗示任何关于轮毂结构(铰接式、半刚性或刚性)或桨叶连接方式的区别。需要特别注意的是，在描述电动机结构时，"转子(rotor)"指电动机中旋转的电磁部件，与上述气动执行器的"旋翼"概念完全不同，应根据上下文进行明确区分。

本方案的核心创新设计理念是：分别独立优化悬停布局和前进布局的螺旋桨空间位置，而非采用传统的固定位置纯旋转转换方式。传统倾转旋翼飞机在模式转换时，只是将推进单元绕固定枢轴旋转 90 度，螺旋桨之间的相对空间位置保持不变。而本方案在转换过程中，至少两个螺旋桨的轮毂之间的间距会发生显著变化，从而能够分别针对悬停和前飞两种完全不同的飞行模式设计各自最优的螺旋桨气动布局。

如图3所示，在悬停布局下，六个螺旋桨呈近似完美对称的六边形分布，每个螺旋桨都与重心保持合适的距离，并且严格成对对称分布。这种布局能够提供最佳的悬停稳定性和全方位的控制权限，同时最大限度地降低OEI情况下的功率需求。如图4所示，在前进布局下，螺旋桨的相对位置发生了明显变化，形成了更适合高速前飞的后掠式排列，桨盘平面垂直于纵轴，能够更高效地产生向前的推力，同时显著减少了螺旋桨之间以及螺旋桨与机翼之间的气动干扰。

图3 悬停状态下螺旋桨对称布置示意图

图4 前飞状态带V尾的飞机后视图

本方案通过精心优化悬停布局下的螺旋桨空间分布，显著提高了OEI条件下的飞行安全性和能量效率。在悬停布局中，螺旋桨关于飞机重心严格成对对称分布，每对螺旋桨与重心的距离相等，且在同一直线上呈180度分布。这种对称布局确保了当任意一台推进单元失效时，剩余推进单元产生的力矩能够最大限度地相互平衡，从而将剩余电机的最大过载需求降至最低。

例如，在本方案的一个优选实施例中，飞机配备了六台完全相同规格的电动推进单元。当其中任意一台失效时，剩余五台电机只需工作在约140%的额定功率下，即可维持飞机的稳定悬停和姿态控制。相比之下，如果采用非对称布局，可能需要某一台特定位置的电机工作在200%甚至更高的额定功率下，这不仅会大幅增加电机的重量和制造成本，还会显著降低系统的可靠性和使用寿命。

此外，由于所有推进单元在OEI情况下的最大过载需求完全相同，本方案可以在整个飞机上使用统一规格的电动机，无需为不同位置的电机设计不同的功率等级。这不仅大幅降低了动力系统的复杂度和制造成本，还极大地简化了后期的维护和备件管理，进一步提高了系统的整体可靠性和运行经济性。

本方案成功解决了传统倾转旋翼飞机无法同时优化悬停和前飞性能的难题，实现了两种模式下飞行性能的同时最优化。

在悬停模式下，高度对称的螺旋桨布局提供了卓越的姿态稳定性和全方位的控制权限。至少三个推进单元分布在俯仰轴和滚转轴的两侧，确保即使在一台推进单元完全失效的极端情况下，剩余的推进单元仍然能够提供足够的控制力矩，维持飞机的姿态稳定。此外，通过优化螺旋桨的空间位置，本方案还显著减少了悬停时螺旋桨下洗气流对机翼和机身的冲击，降低了下载(download)损失，有效提高了悬停效率。

在前进模式下，螺旋桨的布局根据飞机的压力中心分布进行了专门优化，以最大限度地提高气动效率。例如，尾翼上的两个推进单元被布置在 V 尾的顶端，如图 4 所示，使其桨盘平面位于主翼和前桨的尾流之上，完全避免了尾流干扰，显著提高了推进效率。同时，前飞布局下的螺旋桨排列方式也有效减少了螺旋桨之间的气动干扰，降低了飞机的整体气动阻力，从而提高了飞机的巡航速度和最大航程。

本方案创新性地采用了混合倾转机构设计，巧妙结合了连杆式(linkage)和枢轴式(pivot)两种倾转机构的优点，实现了螺旋桨位置的灵活精确调整。

连杆式倾转机构能够同时实现螺旋桨的平移和旋转复合运动，如图8所示。在从前进配置转换到悬停配置的过程中，连杆机构不仅将螺旋桨旋转90度，还将其向前伸出一定距离，使桨盘平面完全偏离机翼的前缘。这种设计能够大幅减少悬停时下洗气流对机翼的冲击，降低下载损失，提高悬停效率。此外，连杆机构还可以根据需要精确调整螺旋桨的伸出距离和角度，以实现最优的桨盘空间位置。连杆式机构的另一个重要优点是可以将桨盘平面布置在远离飞行员区域的位置，如图6A和6B所示，确保在整个模式转换过程中，桨盘平面不会与飞行员所在的机身区域相交，显著提高了飞行安全性。

图6A 推进单元相对驾驶舱前向布置示意图

图6B 推进单元相对驾驶舱后向布置示意图

图8 连杆式倾转机构在悬停/前飞两种构型对比

枢轴式倾转机构则采用纯旋转的运动方式，如图10所示。推进单元整体绕固定枢轴旋转90度，实现前进配置和悬停配置之间的转换。枢轴式机构结构极其简单，零件数量少，可靠性高，维护方便，非常适用于翼尖和尾翼等位置的推进单元。

图10 枢轴式倾转机构悬停 / 前飞构型对比

在本方案的一个优选实施例中，机翼内侧的两个推进单元采用连杆式倾转机构，机翼外侧和尾翼上的四个推进单元采用枢轴式倾转机构。这种混合设计既充分利用了连杆式机构能够优化桨盘空间位置的独特优势，又保留了枢轴式机构结构简单、可靠性高的特点，实现了飞行性能和系统可靠性的最佳平衡。

来源：公开信息，要点纵航整理

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