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無休止的eVTOL的構型之爭

2025-01-18心靈

1號選手:復合翼

老版【笑傲江湖】中,令狐沖帶著群雄上少林接聖姑,路過武當,遇見兩個糙漢鬥了起來,兩個漢子的劍招一個遲緩,一個迅捷,但一攻一守,劍法之中竟無半分破綻可尋。

鬥罷,令狐沖說道:「武當劍法,的是神妙。兩位的劍招一陰一陽,一剛一柔,可是太極劍法嗎?」糙漢回道:「卻教公子見笑了。我們使的是‘兩儀劍法’,劍分陰陽,未能混而為一。」

「劍分陰陽,未能混而為一」金庸老先生用9個字概括了復合翼的優勢與弱點。

復合翼構型是結合了固定翼和多旋翼部份特點的設計。它通常有固定的機翼來提供升力,在巡航階段主要依靠機翼產生的升力飛行,就像傳統固定翼飛機一樣。同時,還配備有輔助的垂直起降裝置,如多個小型旋翼或涵道風扇等。這些垂直起降裝置主要用於在起飛和降落階段提供垂直方向的升力,以實作不需要跑道的垂直起降功能。國外的Beta,國內的沃蘭特、峰飛等都是這個構型。

Beta和沃蘭特(圖片源自網路)

這種構型相比多旋翼能夠實作更長的航程和更高的載重能力,能效高,在平飛階段能顯著降低能耗,適合較長距離的飛行;技術難度和風險相對傾轉旋翼構型較低,設計、控制、制造、維護成本等相對簡單,也不用過度糾結傾轉結構單點失效的問題,商業化落地可能更快。

但這個構型的缺點也十分明顯——「死重」,兩套獨立系統的存在導致垂直升力在巡航階段可能會閑置,不能達到最大化利用效率;另外,切換到平飛時,旋翼可能會增加阻力。

2號選手:全傾轉旋翼

顧名思義,全傾轉旋翼構型其旋翼系統能夠完全傾轉。在垂直起降階段,旋翼垂直向上,完全依靠旋翼旋轉產生的升力來完成起飛和降落。當需要向前飛行時,旋翼會逐漸傾轉,直至旋轉平面完全水平,此時旋翼就像螺旋槳一樣,只提供向前的推力,飛行器的升力主要由機身機翼來提供。這種構型最大程度地結合了直升機垂直起降的便利性和固定翼飛機高速巡航的優勢。這種構型難度也是最大,目前涉足的企業不是很多,國外的Joby,國內的蔚藍空間、華羽先翔。

如果放金庸小說裏面,這種屬於在某一領域追求極致,一輩子可能都在鉆研如何用劍如何用刀,這種也容易出極端,稱號一般常以「X魔」代指,上限獨孤求敗,下限則是路人甲乙丙丁。

Joby和華羽先翔(圖片源自網路)

這個構型和其他幾個構型相比,氣動效能更好,尤其是巡航狀態下,所有動力都用於推進,最大速度、續航等效能會有明顯優勢;可以在兩種模式之間進行比較徹底的轉換,能適應多種場景,這也是漂亮國的選擇,畢竟有V-22「魚鷹」朱玉在前。

但是,由於旋翼的完全傾轉機構其機械結構復雜,對飛控系統的要求也很高,相應的制造和維護成本也隨之升高。而在旋翼傾轉過程中,飛行器的氣動力特性會發生很大變化,對飛行安全等方面帶來諸多挑戰,安全問題也成為全傾轉構型適航的最大難題。

另外,需要註意,國外是有傾轉機構的成熟供應商的,但由於出口管制問題,國內的傾轉機型目前只能自研,那麽就勢必要承擔更難高的研制成本和周期了。所以,對於國內的主機廠,全傾轉可能會更適合資金實力更加雄厚的,或者「長袖善舞」能夠搞定各種融資需求的。

3號選手:半傾轉旋翼

和2號選手本是相親相愛的一家人,以前歸類分析時經常放一起,但經過2024

年的發展,構型開始卷起來了,所以也開始「分家」。

半傾轉旋翼構型介於復合翼和全傾轉旋翼之間,其部份旋翼系統可以傾轉。在起飛和降落階段,旋翼處於垂直位置,像直升機一樣透過旋翼旋轉產生向上的升力來完成垂直起降動作。需要進入高速巡航狀態時,部份旋翼會部份傾轉,產生向前的推力,同時機身的固定機翼也開始發揮主要的升力作用,來共同維持飛行器的飛行,沒有傾轉的旋翼就像復合翼一樣直接停轉。國外的Archer,國內的沃飛長空、時的等都是這個構型。

Archer和沃飛長空(圖片源自網路)

該構型在復合翼與全傾轉旋翼構型之間找到了平衡點,在從垂直起降過渡到巡航飛行的過程中,可以透過調整旋翼的傾轉角度來平衡升力和推力,使過渡過程相對平穩;動力系統的巡航阻力比復合翼小,傾轉動力在巡航和垂直起降中間可以找到一個較好的匹配點,動力系統的設計難度比全傾轉要低,控制相比全傾轉難度要小。

由於中國通用機場數量相對較少,且UAM本身就是城市空中交通,半傾轉構型在起降過程中對機場跑道的依賴較小,可在城市中的樓頂、廣場、開闊地等多種場地進行垂直起降,並且能夠在城市樓頂復雜的氣流環境下更穩定的起降,減少因氣流擾動而導致的安全風險。同時,當某個或部份旋翼出現故障時,其他旋翼可以透過調整傾轉角度和轉速來補償升力,維持飛行器的安全飛行,增加了應急處理的能力和安全性。實在不行用機翼模式迫降也未嘗不可。

相比全傾轉旋翼,半傾轉結構相對簡單,成本也相對較低,但是依然需要解決傾轉旋翼的問題,不過對傾轉機構的依賴程度沒有這麽高,是一個更佳平衡的方案,可以兼顧技術難度、執行條件、適航挑戰和市場進入時間。

構型之爭,遠不僅僅是構型之爭

單從技術方案來說可能很多人會覺得全傾轉旋翼看起來更佳炫酷,然而構型之爭遠不僅僅是構型之爭。選好構型之後,一切才剛剛開始,難度大的構型固然有其技術上優勢,但是是否意味著更好的產品,形成更好的營運能力,更快的進入市場,獲得商業上的成功?這重重難題題留給了各主機廠去回答。

選擇了一款構型之後,還要考驗其設計功力,如何揚長避短,規避構型固有缺點,發揮出最大優勢;也考驗主機廠的供應鏈管理、研制和適航功力,如何透過供應體系的搭建利用生態夥伴的力量更快更好完成研發;還考驗適航功力,如何建立適航體系,更早的推完成產品適航進入商業執行;更是考驗主機廠的產品和營運功力,如何透過產品給終端使用者多快好省的體驗,形成網路效應,在市場上占據一席之地。

很多人問上述哪種構型更安全?需要強調的一點是,同樣級別的機型(2-6座),在同樣的執行條件下(人口稠密區、載人、融合空域),需要滿足同樣的安全等級要求,那麽就需要按照同樣一套研制體系進行正向開發,雖然不同構型按照這套研制體系完成的適航難度會有差異,但是都可以實作同樣的安全目標,所以歸根結底,考驗的是主機廠適航和研制的功力。

在這場構型之爭裏,無論什麽構型,其必經之路都是型號合格適航審定,當下國情發展下,能順應市場需求,又能開展產品驗證,並走上適航取證的選手,其實並不多,在目前適航的幾家當中,進展最快的應該是沃飛長空,在2023年年底已公布專用條件,也就是適航審定基礎;蔚藍空間、華羽先翔還未開啟適航審定受理申請;峰飛、沃蘭特、時的在審eVTOL計畫目前均未公布專用條件,仍在型號合格審定的第二階段,也就是要求確認階段;沃飛長空目前已經進展到第四階段,也就是符合性確認階段,不出意外的話將成為國內首家「有人駕駛eVTOL」型號合格證取證企業。

如果非要在現在這個時點下判斷誰能走到最後,這可能不僅僅是構型選擇的問題,也是主機廠全方位的比拼,更是主機廠實力和構型的匹配問題。必須說現在還為時尚早,各位加油。