純電動(dòng)，低噪音，價(jià)格低，能像直升機(jī)一樣著陸和起飛，像固定翼飛機(jī)一樣巡航，不需要超長的機(jī)場跑道…… eVTOL（Electric Vertical Takeoff and Landing，純電動(dòng)垂直起降飛機(jī)）作為汽車電動(dòng)化的延伸，提供了一種頗具未來感的空中出行方式，已經(jīng)被看做未來交通革命的一部分。
目前，全球從事 eVTOL 開發(fā)的項(xiàng)目達(dá) 260 余項(xiàng)，科技巨頭布局、資本頻頻下注，不少企業(yè)也定下五年內(nèi)商業(yè)化的目標(biāo)。
2021 年 12 月，前沿社在極客公園創(chuàng)新大會暨冬季會晤期間，攜 33 位創(chuàng)業(yè)者與 VOLANT 沃蘭特創(chuàng)始人 & CEO 董明進(jìn)行了近一個(gè)半小時(shí)的閉門交流，共同探討 eVTOL 的行業(yè)現(xiàn)狀和商業(yè)應(yīng)用發(fā)展。
VOLANT 沃蘭特成立于 2021 年 6 月，是 eVTOL 領(lǐng)域的新星創(chuàng)業(yè)公司，致力于研制安全、綠色、經(jīng)濟(jì)的客運(yùn)級 eVTOL，成立 1 個(gè)月便完成數(shù)百萬美元種子輪融資。2021 年 9 月，沃蘭特代號為「TINY 小胖子」的 eVTOL 1:3 縮比驗(yàn)證機(jī)成功首飛，各項(xiàng)飛行特性符合預(yù)期，并為全尺寸技術(shù)驗(yàn)證機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化積累了珍貴的數(shù)據(jù)。
從閉門交流中我們發(fā)現(xiàn)，雖然 eVTOL 領(lǐng)域內(nèi)目前已有多個(gè)玩家正在探索，但不管技術(shù)成熟度還是商業(yè)應(yīng)用等探索還處于早期階段，產(chǎn)業(yè)鏈上下游并不足夠清晰，還有很大的發(fā)展空間及時(shí)間去證實(shí)。

董明 VOLANT 沃蘭特創(chuàng)始人 & CEO，航空系統(tǒng)及 eVTOL 專家，從業(yè) 20 余年 | 圖：前沿社?

eVTOL對比傳統(tǒng)直升機(jī)

1.新能源發(fā)展推動(dòng)新航空動(dòng)力型態(tài)產(chǎn)生

近年來電動(dòng)汽車的發(fā)展推動(dòng)了電能源形態(tài)的轉(zhuǎn)變，尤其是動(dòng)力電池，不管是能源密度、功率密度還是成本、效率都有極大的提升，所以使電儲能、動(dòng)力儲能變成了一個(gè)可能。由于電形態(tài)的出現(xiàn)，在飛機(jī)上也形成了一種新的動(dòng)力形態(tài)，叫分布式電推進(jìn)系統(tǒng)。傳統(tǒng)飛機(jī)是由內(nèi)燃機(jī)或渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)，而這種推動(dòng)形態(tài)因?yàn)槠渥陨淼膬r(jià)格昂貴、重量和尺寸較大無法實(shí)現(xiàn)分布式動(dòng)力型態(tài)，所以傳統(tǒng)飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)一般是 2-4 發(fā)。而目前在研的航空級電機(jī)以傳統(tǒng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)千分之一的價(jià)格，十分之一的重量，能夠?qū)崿F(xiàn)以前不可能的分布式動(dòng)力系統(tǒng)。
2.分布式電推進(jìn)新構(gòu)型優(yōu)勢明顯

1）成本角度，跟傳統(tǒng)直升機(jī)相比，eVTOL 不管是采購成本還是運(yùn)行成本都有顯著的下降，預(yù)測采購成本可降低至原來雙發(fā)直升機(jī)的 50%-70%，運(yùn)行成本也僅是之前的 1/5-1/10，如雙發(fā)（發(fā)動(dòng)機(jī)）直升機(jī)每小時(shí)運(yùn)行成本大約在 3000 美金，而 VOLANT 目前同種飛機(jī)初始運(yùn)行成本目標(biāo)可以做到每小時(shí) 300 美金。
2）安全特性得到極大的提高。傳統(tǒng)直升機(jī)安全上表現(xiàn)并不是很好，其主要原因是直升機(jī)的復(fù)雜機(jī)構(gòu)導(dǎo)致了維護(hù)復(fù)雜，而維護(hù)要求高在實(shí)際運(yùn)行中很容易出現(xiàn)安全問題。而電傳動(dòng)的運(yùn)行復(fù)雜度降低很多，固有維護(hù)要求降低，進(jìn)而安全性得到極大提升。
3）噪聲及排放問題得到解決。傳統(tǒng)直升機(jī)運(yùn)行噪音是很大的問題，eVTOL 狀態(tài)平飛時(shí)由固定翼提供飛機(jī)升力，只有兩臺電動(dòng)的推進(jìn)電機(jī)，如果運(yùn)行高度在 500 米到 1000 米的高度范圍內(nèi)，通過良好噪聲設(shè)計(jì)，可以使飛行噪聲混入環(huán)境背景噪聲，使地面人員不易感知。
3.應(yīng)用層面 eVTOL 前景廣闊，可立即取代直升機(jī)大部分用途
eVTOL 飛機(jī)是垂直起降，不需要機(jī)場、跑道，起降更加方便。eVTOL 平飛時(shí)是用固定翼狀態(tài)（直升機(jī)沒有這個(gè)狀態(tài)），巡航效率非常高，更加便捷、安全，但懸停時(shí)的所需功率較平飛時(shí)高5-6倍，所以長時(shí)間懸停不能有效發(fā)揮固定翼eVTOL的效率優(yōu)勢。而直升機(jī)的懸停效率與平飛效率一樣，適合懸停需求較多的運(yùn)行場景。

eVTOL 在國際上已經(jīng)有近十年的發(fā)展歷史，從 2016 年開始逐漸被公眾所認(rèn)知，資本圈、政府也開始關(guān)注和熟悉 | 圖：沃蘭特

eVTOL技術(shù)路線

1.多旋翼Vs傾轉(zhuǎn)翼Vs復(fù)合翼
1）多旋翼，從控制角度和飛機(jī)設(shè)計(jì)角度是最簡單的一個(gè)構(gòu)型，它不需要考慮太多的氣動(dòng)及操穩(wěn)等飛機(jī)總體性能。但是由于技術(shù)性能比較差，速度慢、航程短且平飛時(shí)噪音大，例如大疆的無人機(jī)等。因而適用的市場會比較有限。
2）傾轉(zhuǎn)翼在 50-60 年代開始出現(xiàn)直到 80 年代末V-22投入使用，與傳統(tǒng)直升機(jī)相比具有顯著的速度，航程優(yōu)勢，但從V-22的服役歷史來看，全損事故有 13 起，死亡人數(shù)超過 40 人，對一款軍用飛機(jī)而言都是一個(gè)非常高的事故率。如此高的事故率表明貝爾直升機(jī)公司和波音公司30多年的研發(fā)，任然無法充分識別，預(yù)防，處置傾轉(zhuǎn)翼構(gòu)型的相關(guān)故障模式和發(fā)生機(jī)理，所以無法采取合適地措施去維護(hù)、探測防止事故發(fā)生。要充分識別估值模式，機(jī)理，防護(hù)，處置等方面的技術(shù)，需要大量的數(shù)據(jù)，而全世界范圍內(nèi)很少有機(jī)構(gòu)具備相應(yīng)儲備。
3）傾轉(zhuǎn)翼的技術(shù)和直升機(jī)相比是有很顯著優(yōu)勢，但是和復(fù)合翼相比，它的優(yōu)勢在eVTOL當(dāng)前200-300公里航程范圍內(nèi)，并不顯著，比如：從重量的節(jié)省上來說，傾轉(zhuǎn)翼和 VOLANT 沃蘭特 Tiny 這類新型復(fù)合翼構(gòu)型相比， 大體上只能省掉兩個(gè)推力，因?yàn)樯ο到y(tǒng)一個(gè)都少不了，即便把推力全部算上，節(jié)省可能還不到 3%，所以這方面優(yōu)勢只是微乎其微。
4）復(fù)合構(gòu)翼型飛機(jī)，在飛行中遇到風(fēng)切變，失控，失速等情況時(shí)，能夠立即啟動(dòng)獨(dú)立升力系統(tǒng)，把飛機(jī)在空中懸停并且受控下降著陸，這個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)需要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)的準(zhǔn)備及響應(yīng)時(shí)間及短，而傾轉(zhuǎn)構(gòu)型需要數(shù)秒到數(shù)十秒的傾轉(zhuǎn)過程，無法實(shí)現(xiàn)這一保護(hù)功能。
2.純電動(dòng)Vs混動(dòng)

混動(dòng)系統(tǒng)的挑戰(zhàn)在于如何平衡燃油動(dòng)力系統(tǒng)和電動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，重量對飛機(jī)性能的影響比汽車更為顯著，額外的燃油動(dòng)力系統(tǒng)會使系統(tǒng)復(fù)雜度上升，對維護(hù)要求也更高，需要慎重評估決策。此外，在除電池以外的能源型態(tài)方面，氫能是值得關(guān)注和研究的。
3.續(xù)航問題
1）根據(jù)當(dāng)前的能源形態(tài)，VOLANT 沃蘭特采用的是鋰電池，目標(biāo)航程擬在 200-300 公里，續(xù)航 1 小時(shí)左右，升限在海拔 3000 以下低空飛行設(shè)計(jì)，不需要加壓、供氧。
2）能源問題不僅會影響飛機(jī)的續(xù)航問題，也會影響飛機(jī)的形態(tài)。如果飛機(jī)可以是一個(gè)長航程的狀態(tài)，航程可達(dá)到 1000公里以上，飛機(jī)形態(tài)設(shè)計(jì)可能需要調(diào)整，比如飛的更快、飛的更高等，這就會帶來一系列的不一樣的系統(tǒng)要求，包括：動(dòng)力方面就可能需要采用新的高速推進(jìn)形態(tài)，比如涵道，還會需要加壓、加氧以及衛(wèi)生間，水廢水等。
3）未來氫能源在飛行器上的應(yīng)用是一個(gè)很值得探討的方向，有很多重要的技術(shù)領(lǐng)域，比如儲能，電堆等，從儲能角度固態(tài)氫技術(shù)具有良好碰撞安全特性值得關(guān)注，電堆還面臨許多挑戰(zhàn)，比如功率密度，目前氫堆功率密度還達(dá)不到飛機(jī)需要的狀態(tài)。
4.航空器的9個(gè)等級
我們可以參考70 年代 NASA 提出的技術(shù)成熟度等級（Technology Readiness Levels, TRL）框架把航空器的成熟度可分為 9 級。
1）一般認(rèn)為 1-4 級是科學(xué)研究階段，主要是發(fā)現(xiàn)科學(xué)原理及確認(rèn)其應(yīng)用性概念；
2）5 級，指可進(jìn)行小規(guī)模的概念驗(yàn)證POC，但不能在相關(guān)運(yùn)行環(huán)境下做全面的展示；
3）6 級，驗(yàn)證試飛階段，可以通過全尺寸技術(shù)驗(yàn)證機(jī)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)行環(huán)境下的驗(yàn)證；
4）7 級，工程試飛階段，7級產(chǎn)品工程樣機(jī)飛機(jī)的外形可能與 6 級非常接近，主要區(qū)別在于研制體系及系統(tǒng)供應(yīng)方式上， 7 級階段試飛，在初始試飛時(shí)通常飛機(jī)的包線，性能，功能都不完備，需要通過工程試飛逐漸把飛機(jī)的飛行包線打開，性能飛出來，功能實(shí)現(xiàn)完整。7 級結(jié)束的標(biāo)志叫做 TIA ，即飛機(jī)的性能、功能都被測試完了，就進(jìn)入 8 級。
5）8 級，審定試飛和正式驗(yàn)證階段。8 級結(jié)束的標(biāo)志叫 TC ，就是飛機(jī)的設(shè)計(jì)批準(zhǔn)，設(shè)計(jì)批準(zhǔn)后生產(chǎn)的飛機(jī)才有可能拿到適航證，然后才能投入商業(yè)運(yùn)行。
6）9 級，In Service 階段，即投入服務(wù)的一個(gè)狀態(tài)，這個(gè)階段的飛機(jī)仍然需要持續(xù)優(yōu)化，降低成本，部件更新等。

研發(fā) eVTOL 的能力要求 | 圖：沃蘭特董明

5.飛機(jī)研制的核心要素
1）飛機(jī)的研制是有一項(xiàng)非常復(fù)雜、多專業(yè)，多學(xué)科，且高度規(guī)范的過程。上圖中提到的每個(gè)詞都是一個(gè)深刻的專業(yè)方向，都需要做大量繁雜的工作，所以產(chǎn)業(yè)鏈上下游的水平對飛機(jī)的研制有著較大的影響，例如從材料上來講，現(xiàn)在航空業(yè)普遍的方向是大量使用碳纖維輔材，跟傳統(tǒng)的金屬飛機(jī)相比，碳纖維的成型取決于纖維本身的特性、樹脂的特性及成型工藝等多個(gè)因素，所以整個(gè)建立復(fù)材可用性的過程，是一套科學(xué)完備而復(fù)雜的試驗(yàn)過程，我國通過ARJ21和C919等民機(jī)項(xiàng)目，已經(jīng)投入了大量的資金和努力建立了材料體系，國內(nèi)現(xiàn)在已經(jīng)有少數(shù)幾家單位具備可用的數(shù)據(jù)，如果沒有數(shù)據(jù)，所有的設(shè)計(jì)是沒有依據(jù)的。
2）飛機(jī)是一個(gè)很強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)工程的行業(yè)，以確保所有設(shè)計(jì)過程都是完全可被追溯的，錯(cuò)誤是可以被識別和檢查的。
3）航空業(yè)是一個(gè)高度監(jiān)管行業(yè)，同時(shí)飛機(jī)是一個(gè)高度復(fù)雜研制過程，局方不可能事無巨細(xì)地進(jìn)行監(jiān)管，只能抽查。所以飛機(jī)研制體系能不能支撐這樣一個(gè)研制過程就是至關(guān)重要的，如果研制體系不能支撐這樣的研究工作，當(dāng)局方審查的時(shí)候，會很容易暴露出大量問題和風(fēng)險(xiǎn)，會喪失或者降低局方的信任，就意味著時(shí)間節(jié)點(diǎn)會大量的延遲甚至不可實(shí)現(xiàn)。

eVTOL的應(yīng)用和商業(yè)發(fā)展

1.eVTOL 的應(yīng)用場景選擇
1）貨運(yùn)，有限但更早eVTOL 在貨運(yùn)的應(yīng)用中最大的挑戰(zhàn)將是經(jīng)濟(jì)性。使用這種新型飛行器，和傳統(tǒng)的運(yùn)輸方式，卡車、火車或輪船等運(yùn)輸方式相比，從載重上來看，傳統(tǒng)大運(yùn)力的運(yùn)載工具效率會更高很多，所以能夠?qū)崿F(xiàn)eVTOL貨運(yùn)商業(yè)閉環(huán)的場景將非常有限，但如果具備，其啟動(dòng)時(shí)機(jī)可能會比客運(yùn)場景更早。
2）客運(yùn)，必然的核心發(fā)展方向人的時(shí)間價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于貨物。廣泛的空中出行將會是一個(gè)未來必然的方向，它會嵌入到人們的生活。效率上，可以極大提升城市交通的效率，同時(shí)因?yàn)闆]有顛簸及交通擁堵等問題，也會大大增加出行舒適度。
2.eVTOL 商用商業(yè)角度考量因素

政策及市場環(huán)境1）空域方面實(shí)際上有兩個(gè)不同的問題。一是空域管理，中國的空域管理在逐步開放的過程中，但是不論中外，大部分城市上空的空域都屬于管制空域，都需要審報(bào)-批準(zhǔn)過程，真正制約UAM（城市空中交通）發(fā)展的是第二個(gè)問題空中交通管理，表面上的指標(biāo)之一是審報(bào)-批準(zhǔn)時(shí)間，目前美國的目標(biāo)是3-5分鐘，中國則是以天為單位。在實(shí)現(xiàn)以分鐘記的高效空中交通管理之前，中國UAM只能采用提前大量審報(bào)航線的類shuttle模式運(yùn)行。
2）公眾接受度是UAM成功與否的決定因素之一，噪音、視覺污染、地面人群安全困擾等都是重要影響因素，需要持續(xù)研究。
產(chǎn)品&商業(yè)模型雙閉環(huán)1）產(chǎn)品及用戶角度，eVTOL 在未來城市的短途交通中具體可以切入哪些應(yīng)用場景，通航需求是否足夠多，和傳統(tǒng)交通相比如何定價(jià)以及不同人群對價(jià)格敏感度等問題都需要持續(xù)探索和驗(yàn)證。
2）商業(yè)閉環(huán)角度，還需要在未來的一段時(shí)間里逐步地去摸索和判斷商業(yè)模型，包含成本結(jié)構(gòu)是否合理以及要考慮到各方的收益平衡等問題都至關(guān)重要，如商業(yè)模型不能閉環(huán)，即使技術(shù)和產(chǎn)品模型都走得通，也無法實(shí)現(xiàn)有效的市場。
3.客運(yùn)eVTOL無駕駛員化是必然，但不是現(xiàn)在
客運(yùn)級 eVTOL 無駕駛員化將是一個(gè)必然，但就人類當(dāng)前所掌握的航空技術(shù)水平而言，無駕駛員客運(yùn)尚不具備條件，主要原因：
1）外部探測及處置能力不足。飛行中需要探測的外部因素很多，包括配合目標(biāo)，非配合目標(biāo)，氣象及其他，當(dāng)前最尖端的航空探測系統(tǒng)也無法實(shí)現(xiàn)可靠非配合目標(biāo)探測，氣象探測所依賴的氣象雷達(dá)需要實(shí)現(xiàn)小型化才能在eVTOL這種小型飛機(jī)上使用，但小尺寸雷達(dá)將制約其技術(shù)性能，處置方面即便對于配合目標(biāo)的沖突處置也需在系統(tǒng)提示后，由飛行員綜合判斷處置，非配合目標(biāo)沖突，危險(xiǎn)氣象的自動(dòng)處置方面差的很遠(yuǎn)。
2）系統(tǒng)故障的探測和處置能力不足。飛機(jī)內(nèi)部各系統(tǒng)的交聯(lián)高度復(fù)雜，哪怕是 eVTOL 這樣的小飛機(jī)，任何一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，都有可能產(chǎn)生復(fù)雜的故障級聯(lián)，航空業(yè)對故障探測，隔離，處置有非常深入的研究和經(jīng)驗(yàn)，但即便是當(dāng)今最先進(jìn)的客機(jī)，也無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)處置，而需要由飛行員來綜合判斷和處置。

eVTOL 產(chǎn)業(yè)鏈模型 | 圖：沃蘭特董明4.eVTOL 產(chǎn)業(yè)鏈尚在早期，還有很大發(fā)展空間
從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈宏觀來看，這是一個(gè)簡化的產(chǎn)業(yè)鏈模型（上圖），目前 eVTOL 的發(fā)展，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈還處于早期階段，不管是上游還是下游都并不足夠清晰，還有很大的發(fā)展空間及時(shí)間去證實(shí)。VOLANT 沃蘭特目前在做的事情，是選擇從產(chǎn)業(yè)鏈的核心位置進(jìn)行切入，促進(jìn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并和市場、產(chǎn)業(yè)鏈上下線游共同推動(dòng)行業(yè)健康發(fā)展。

來源 | 極客公園前沿社