细说eVTOL飞行器核心零部件

eVTOL的核心子系统主要包括机体、航电系统、飞控系统、能源系统、动力系统以及电气系统等。

新能源航空器按照用途、航程和载客（货）量可分为城市空运飞机（以 eVTOL、通勤飞机为主）、支线客机、中型干线客机、大型干线客机和超大型干线客机等。不同新能源动力方案优势区间不同，纯电项目主要集中于城市空运和通用航空，氢动力主要集中于城际飞行和大型商用飞机。

电动方案

2024年3月，工信部等四部门联合发布《通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030 年）》，明确以电动化为主攻方向，兼顾混合动力、氢动力、可持续燃料动力等技术路线。

电力推进飞机的优点是飞机空间设计高度灵活，效率高；飞机噪声、热辐射和其他发射大大降低。全电推进具有的尺寸独立性优势，催生了分布式推进方案，即允许小电机被平行化用于故障安全冗余，并且不牺牲效率和重量，为垂直起降飞行器提供了更自由的设计架构，提高了飞行器短期动力和改善了飞行器气动特性。缺点是电池的续航能力较低。

能量密度方面

从能量密度来看，目前商用锂离子电池的能量密度在 250Wh/kg，续航200-300km需要100kWh的电池包。而eVTOL垂直起飞所需要的动力是地面行驶的10-15倍，商用门槛高达400Wh/kg，远高于当前车用动力电池的能量密度。

整体来看，现有eVTOL电池以液态和半固态电池为主，固态电池仍处于研发阶段。目前国内官宣的半固体电池能量密度普遍处于300Wh/kg-450Wh/kg区间。国内固态电池龙头企业辉能科技、卫蓝新能源、太蓝新能源、清陶能源等纷纷表示2024年将开启固态电池批量交付模式

在文件政策方面，2023 年印发的《绿色航空制造业发展纲要(2023-2035 年)》以及今年印发的《通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030 年）》，均表示要推动满足电动航空器使用需求和适航要求的400Wh/kg级航空锂电池产品投入量产，实现 500Wh/kg级产品的应用验证，到2027年我国通用航空装备供给能力。

功率密度方面

飞行器飞行任务剖面一般分为起飞、巡航平飞、降落阶段。垂直起降飞行器飞行工况则有垂直起降、悬停、巡航等状态。垂直起飞时，飞行器主要依靠旋翼提供推力，功率需求大、持续时间短；逐渐转平飞后，机翼可以提供部分升力，需求功率开始减少；飞行器进入巡航平飞阶段后，需求功率约为垂直起飞时25%；巡航结束后进入下降阶段，飞行器减速，需求功率更低；转为垂直下降阶段后，飞行器需求功率提升至垂直起飞水平。

由于起降场景的特殊性，电池的瞬间充放电倍率也高于传统电池。根据2018年William L. Fredericks等人的研究，eVTOL与电动车的放电功率需求存在明显差异，起飞时放电倍率是4C、下降时最高达到5C（下降时电压降低、需输出更高电流支撑功率），而巡航期间放电倍率在1C 左右。此外，为应对电量不足时的平稳安全降落或迫降等情况，eVTOL电池功率要求更高。

氢动力方案

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，目前最适合飞机使用的氢燃料电池技术为低温质子交换膜（LT-PEM）燃料电池，这种技术除了能够增加能量的存储量，还能帮助系统实现载荷追踪和峰值调整以优化氢燃料电池的体积。

相比于锂电池，氢燃料电池能量密度远高于锂离子电池，目前能达到600Wh/kg-1000Wh/kg，其理论上限是10000-20000Wh/kg。并且，不同于锂电池在-20℃以下无法充电且里程损失可能达30%，氢燃料电池低温性能好，-30℃仍可自启动、-40℃仍可存储。长期来看，氢燃料电池的高能量密度特点契合eVTOL的发展需求，具有广阔的应用前景。

美中自然有不足，虽然氢燃料电池在能量密度、充能速度、低温性能等方面具备显著优势，但目前氢燃料电池在功率密度方面却只能达到600W/kg，距离航空器通常要求1.0-1.5kW/kg的功率密度有较大差距，因此难以满足eVTOL起飞和降落所需功率。

鉴于氢燃料电池功率密度难以快速提升，而锂离子电池具有较高的功率密度，可以在起飞、降落、悬停等高功率需求阶段释放能量，预计短期内氢锂混动系统有望加速推进。锂电池用于启动和提供快速变化的功率输出，氢燃料电池用于续航中的能量输出，

当前，海外氢燃料电池飞机发展以支线航空为主，零航空（ZeroAvia）和环球氢能（Universal Hydrogen）进展居前，已完成两款氢燃料电池混合动力涡桨支线飞机首飞。而国内氢电混动低空飞行器尚处于起步阶段。亿维特ET3氢锂混动电动垂直起降飞机翼展近3米，航程500公里以上。2024年4月大连化物所自主研发的高比能氢混动力电源适配工业级无人机也试飞成功，氢混动力电源比能量达600Wh/kg，燃料电池稳定输出2030W，搭载的无人机续航时间达到2个小时。

油电混合方案

混电系统将发动机和电动机结合在一起，兼顾长续航和垂直起降飞行要求。常见的飞行器混电系统结构为串联式混电和并联式混电推进结构。

并联式混电传动系统中，电机仅由电池供电，风扇的推进功率仅由电动机和热力发动机提供。通过电动机将电能转换成机械能和燃油热力发动机共同带动风扇旋转。电动机提供峰值功率。

串联式混电传动系统中，燃油发动机驱动发电机产生电力，电力（和电池）给电动机供电并给电池充电；风扇的推进功率仅由电动机提供。通过电动机将电能转换成机械能带动风扇旋转。串联式混电系统可以用于设计多螺旋桨／旋翼的分布式布局，更适用于固定旋翼垂直起降飞行器。

目前，小型无人机的飞控系统和民航飞机及军用大型无人机的飞控系统均有成熟的解决方案。eVTOL的飞行控制技术相比小型无人机或民航飞机更加复杂，需要解决基于多旋翼垂直起降、基于常规固定翼水平飞行以及垂直-水平两种飞行模态的平稳切换等技术难题，并且平衡好eVTOL市场化过程中对飞控系统产生的轻量化、经济性、适航等现实需求。

飞控系统构成

飞控系统是较为复杂的机载系统，涉及机电设备、电子软硬件、算法等多个大方向，飞控在不同的语境中可能指的是不同的部分。下图为典型飞控系统研制过程可能包含的项目，图中的不同颜色展示了不同角色之间可能的分工。

参考民航客机，传统民航客机的飞控系统由飞行增稳控制的内回路和控制航迹、姿态的外回路组成。前者为主飞行控制系统(PFCS)，后者为自动飞行控制系统(AFCS)。

主飞行控制系统(PFCS)是用以全部或部分地代替飞行员控制和稳定飞机的运动，并改善飞行品质的反馈控制系统。其中，飞行增稳控制是最重要的功能，其主要目的是通过增稳或控制增稳控制律，调节飞机纵向短周期模态、横航向滚转和荷兰滚模态特性。此外，主飞行控制系统还具备飞行包线保护功能，可以对速度、过载、姿态和角速率等控制指令进行限幅，实现边界限制来提高飞行安全性和可靠性。

为起到这些作用，飞机上相应地安装具有各种功能的分系统，如控制增稳系统、自动飞行仪、高度与速度控制系统、侧向航迹控制系统、自动着陆系统、地形跟随系统、机动载荷控制系统、瞄准控制系统、编队控制系统等，飞机飞行自动控制系统就是各分系统的组合。每个分系统一般包括测量飞机有关运动参数的传感器，对参数进行处理的计算机，带动有关操纵面和油门的执行机构，以及自动回零系统、耦合器和飞行控制盒等部件。

自动飞行控制系统(AFCS)是按技术要求自动控制飞行器轨迹的调节设备，其作用主要是保持飞机姿态和辅助驾驶员操纵飞机。一般包括自动驾驶仪（AP）、飞行指引（FD）和自动油门（A/THR），在三者的联合工作下可实现对飞机的速度、高度、姿态和航向、航迹的控制。

其中，自动驾驶仪是模仿驾驶员的动作驾驶飞机的。它由敏感元件、计算机和伺服机构组成。当飞机偏离原有姿态时，敏感元件检测变化，计算机算出修正舵偏量，伺服机构将舵面操纵到所需位置。

关键飞控技术理念

20世纪60年代之后，有两项对现代飞机发展具有标志性、划时代意义的飞行控制概念诞生，分别是主动控制和电传操控。基于这两点飞机控制设计理念的改变，飞机的飞行品质才有了大幅提升。

主动控制技术（ACT）

常规的飞机设计可以用下述方式描述：根据任务要求，考虑气动力、结构强度和发动机三大因素，并在它们之间进行折衷以满足任务要求，这样为获得某一方面的性能就必须在其他方面做出让步或牺牲，例如为实现更好的气动稳定性就必须在尾翼的重量和阻力方面付出代价。折中之后就确定了飞机的构形，再经过风洞吹风后，对飞机的各分系统（其中包括飞行控制系统）提出设计要求。这里的飞行控制系统和其他分系统一样，处于被动地位，其基本功能是辅助驾驶员进行姿态航迹控制。

到了20世纪60年代，随着飞机性能需求的不断提高，传统飞机设计过程中产生了诸多难以克服的矛盾。为此，诞生了一种新的飞机设计思想——主动控制技术(Active Control Technology，ACT)，即在飞机设计的最初阶段，就把飞行控制系统提高到和上述三大因素同等重要的地位，成为选型必须考虑的四大因素之一，充分考虑飞行控制对提高飞机性能的作用和潜力，以放宽对气动结构和发动机等方面的限制，而依靠控制系统主动地提供补偿，从而形成飞控、气动、结构和推进四者之间的综合协调。

电传操控技术（FBW）

自20世纪60年代，随着飞机性能需求的不断提高，机械操纵系统的缺陷也逐渐显现出来，比如：体积、重量很大，结构复杂；舵面的气动力沿着连杆传到驾驶杆，会使驾驶杆易产生非周期振荡等，这些缺陷制约着飞控系统的进一步发展。

得益于计算机技术的飞速发展、现代控制理论和余度技术的日趋成熟，20世纪70年代初，在控制增稳系统的基础上，产生了一种全新的电子飞控系统——电传操纵系统( Fly-By-Wire System，FBWS)。它去掉了驾驶杆到舵机之间的机械传动机构，飞行员操纵指令完全以电信号的形式直接传输到舵机伺服控制回路，不仅较好地克服了机械操纵系统的固有缺陷，还方便地实现了主动控制功能，这是飞控系统发展的重要变革。

目前，电传操纵系统主要应用于民航客机上，当试图将其应用于eTVOL时就提出了更苛刻的要求。因为eVTOL机型的最大起飞重量多为一两吨，在整机重量、体积小得多

的情况下，再加上旋翼类飞机的静不稳定，必须在本就小巧的机身上加配飞控计算机和IMU等传感器，就需要更加关注飞控系统的体积和重量。

当然，飞行控制还要符合高安全、高可靠要求。当前为了让飞行控制系统能够更好满足高安全、高可靠的需求，很多系统都按照多余度控制系统的形式进行了配置，实现了飞行控制系统在工作过程中实时进行故障检测、隔离、处理和申报等功能，以提升系统容错能力水平，达到提高系统可靠性、安全性目标。

所谓余度设计就是将可靠度不高的部件通过多重配置系统的软硬件资源并进行有效管理，提高系统

的任务完成率，降低失效率。余度系统是利用多重设备执行同一指令、完成同一任务而构建的系统，此类系统不是多重硬件和软件资源的简单重复，或多重系统为实现同一目标简单并行工作，而是具有专门设计的余度结构和行之有效的余度管理功能。

eVTOL飞控技术难点

智能感知融合

相比传统民航所用的机场，城市复杂场景是一个非常大的挑战。在楼顶起降、城市避障等复杂场景下，传统的导航方法越来越受到局限，eVTOL飞行器需要借助包括视觉、红外、激光雷达、毫米波雷达等新型传感器来实现飞行器更为强大的城市空中高精度导航和飞行。

类似于自动驾驶的发展，可以预见智能感知融合将是eVTOL导航系统的关键技术，同时城市空中三维航图的需求也亟待满足。如何将新的导航方法融合到现有的适航体系中是UAM飞行系统发展关键要点之一。

极简操控

出于安全、易用、自动化等需求驱动，eVTOL飞行器在城市飞行场景下的极简操控方式（SVO)应运而生。SVO是“Simplified Vehicle Operations”的缩写，主要路线是基于飞行自动化技术来降低对飞行员必须具备操控飞机的技能要求。2015年后随着AAM/UAM场景发展，FAA、NASA和GAMA等机构推动了SVO技术标准的发展。

从人机交互界面看，极简操控模式（SVO）相比传统飞行器操控更加直观、简单。但从算法层面或是飞行控制角度看，SVO对于eVTOL飞行包线提出了更高的要求，特别是在飞行包线保护和过渡态自动飞行方面，需要功能更加强大的飞行控制系统。从起飞前的自动化飞行计划，到空管员远程接入改变航线，将逐步形成一个全自动化飞行的方式。

此外，传统的飞行员培训成本非常高昂，非专业飞行员无法满足飞行要求，已经显而易见地成为未来制约通航发展和普及的重要因素。只有不断提高飞控系统的自动化，智能化程度，极简操控，才能满足未来通航推广发展的需求。

通用适配

eVTOL场景下对模块化、通用化设计以及如何控制成本和经济性提出了更多的要求。传统民航飞行项目的研发方式通常是一个项目对应一套飞控和航电系统，开发和适配周期非常漫长。未来，传统OEM-Tier 1模式将很难应对eVTOL飞行器研发快速迭代的需求。为了应对这一变革，跨平台应用将成为一个新的发展方向。

为什么需要跨平台开发？因为一方面飞机中能够引入的智能化高算力设备，安全等级相对不高；而另一方面在规划控制上，飞控系统对于舵机电机的控制安全等级要求非常高，但是算力有限。如何在这些不同平台不同操作系统之间协同工作，就是一个新型的跨平台模块化航电架构。

更复杂的构型和执行机构

相比传统飞机产品，eVTOL具有旋翼模式、过渡模式和固定翼模式三种飞行构型，因此自动飞行系统设计也需考虑三种构型下飞行控制的实现形式。在静不稳定的旋翼构型和过渡构型下，增稳控制包含速度、过载和姿态控制，而这也就是的eVTOL飞控系统控制技术不再与传统的主飞行控制系统（PFCS）和自动飞行控制系统（AFCS）保持一致了。