电动飞行器：通往未来的多维交通的工具

导读                                                           

摘要                                                           

文章从主要基本技术、产业化、适航和准入、挑战和观点等方面对飞行器的研究进展进行了全面的综述。总结了世界范围内空气动力学构型的主要进展，并进行了详细比较，并讨论了指导未来潜在突破的关键技术。飞行器的电动化仍需进一步改进，包括高能量密度电池、安全性、长寿命健康管理、环境适应性、充电方式、热管理等。此外，还概述了适航监管和工业化的总体进展。重点介绍了飞行汽车产业的细节全景，帮助找出产业链中的薄弱环节或新的成长学科。未来 10 年，电动飞行器将有大规模应用，但仍有大量的技术和基础理论有待探索。本文希望对当前进展进行全面、透彻的回顾，以帮助改进新产品的更好设计和必要技术的突破，使飞行器构建多维交通网络。

主要研究内容                                             

电动飞行器在多维交通系统中占据着关键地位，它可以灵活地整合公路和空中交通。其具有电气化、垂直起降（EVTOL）、低成本量产的特点，并且更加环保、智能，适用于多种场景，如城市交通、旅游、救援等，能够有效填补地面和空中运输之间的空白，是解决交通拥堵问题的创新型关键载体。

图1多维运输中的电动飞行器

电动飞行器的气动构型对其性能至关重要，主要分为多旋翼构型、旋翼 - 固定翼混合构型、倾转旋翼构型、倾转涵道风扇构型和柔性机翼构型。1、多旋翼构型无机翼，依靠多个旋翼提供升力，通过调整旋翼速度实现多种运动。其设计、制造和应用简单，但气动效率低，能耗高，限制了飞行速度和航程；

2、旋翼 - 固定翼混合构型配备机翼和旋翼，垂直起降时旋翼提供升力，飞行时机翼提供升力，旋翼提供推力。它能提高气动效率，增加航程，但设计和开发难度较大，实时控制问题有待研究；

3、倾转旋翼构型通过倾转旋翼提供垂直升力和水平推力，能减少巡航飞行时的气动阻力，提高能源效率。但该构型设计复杂，安全性较弱，设计经验缺乏，认证过程复杂；

4、倾转倾转涵道风扇构型采用涵道风扇提供升力和推力，能实现巡航和垂直起降的转换。其具有一定安全性优势，但存在涵道限制叶片尺寸、高速旋转部件耐久性和可靠性差等问题；

5 、柔性机翼构型在飞行时展开机翼，地面行驶时收起机翼，较为复杂但更接近传统车辆。该构型在转换过程中重心、气动力等变化大，需要精确的数学模型，目前发展和经济性优势不足。

图2各配置主要代表产品的研究进展。(a)EHANG 216（多旋翼构型）;（B）Aeromobil（旋翼-固定翼混合构型）;（c）Joby-Aviation S4（倾转旋翼构型）;（d）Urban Aeronautics CITYHAWK AIR TAXI（倾转涵道风扇构型）;（e）BIT（柔性翼构型-分裂式）;（f）北航展翼-展翼（柔性翼构型-折叠翼）。

❖关键部件和技术

1、能源系统：能源系统是电动飞行器的核心，对其能量密度、寿命和安全性要求极高。目前的电池技术，如锂离子电池，能量密度有限，限制了电动飞行器的续航里程和推广。下一代电池技术，如固态锂电池、金属 - 空气电池等，具有更高的能量密度潜力，但在材料开发和大规模制造方面仍面临挑战。此外，电池的热管理系统也需要进一步研究，以确保电池在不同工况下的性能和安全。

2、电动推进系统：电动推进系统需要具备高功率密度、小尺寸、高效率和高可靠性等特点。分布式电动推进系统可提高系统效率、实现轻量化，但在电机技术、功率转换器技术等方面面临挑战，如电机的特定功率需进一步提高，超导材料的商业化应用仍需努力。

3、飞行控制技术：飞行控制技术关乎电动飞行器的安全和舒适，其系统由传感系统、伺服机构和飞行控制律组成。目前可借鉴传统航空技术，但需针对低空复杂环境重新开发，以适应频繁的低空起降和复杂的气流环境。智能控制理论的应用，如机器学习和深度学习，为提高飞行控制精度提供了新途径。

4、底盘技术：底盘技术对于电动飞行器在道路行驶至关重要，驱动线控技术的应用实现了底盘的轻量化和结构简化，包括线控油门、线控制动和线控转向等技术。滑板底盘的出现，因其高集成度、通用性和可扩展性，为电动飞行器的发展提供了新的可能性。

5、智能飞行和驾驶技术：包括感知技术、识别与控制技术等。感知技术面临着低空复杂环境的挑战，如建筑物遮挡、天气变化等，需要多传感器融合和智能信息融合算法来提高感知能力。识别与控制技术需要准确识别空中和地面目标，决策 - making 涉及路径规划等问题，面临机载计算和通信能力的挑战，相关技术正在不断研究和发展中。

6、轻量化技术：轻量化是电动飞行器的关键技术之一，高 - 强度纤维复合材料，如碳纤维复合材料，因其高比强度和模量、良好的耐腐蚀性等优点，在电动飞行器中得到广泛应用，但存在成本高、制造技术和回收等问题。

7、导航技术：导航技术对电动飞行器至关重要，常用的惯性导航、卫星导航和地面增强导航技术各有优缺点，组合导航系统可提高稳定性和抗干扰能力。低地球轨道卫星技术具有一定优势，但在成本和寿命方面有待改进。

8、空地协同智能管理：主要处理多飞行器调度和监测等问题，包括运行状态监测、多飞行器协同调度和共享交通服务等方面。其涉及大量数据传输和处理，需要研究复杂场景下的部署技术和资源分配问题，同时要关注网络安全。

图3电动飞行器的主要特点：电气化、连接性、智能化、集成化。

❖面临的挑战

1、制定专用适航法规和技术评估标准体系：目前电动飞行器的适航认证和技术评估标准不完善，需要建立通用的适航认证标准体系和关键技术综合评估标准体系，以规范行业发展。2、构建综合多维交通网络：电动飞行器将成为多维交通网络的一部分，需要与其他飞行器协同管理，同时要解决城市空中交通的安全风险和冲突避免技术等问题。

3、建立全行业共享场景数据库：电动飞行器的数据收集不足，需要建立行业共享的高覆盖场景库，并开发统一的测试和评估系统，以促进算法的发展和测试。

4、矢量推力发动机提供更好的飞行控制：

矢量推力技术可增强飞行器的可控性，基于倾转电动喷气发动机的矢量推力发动机具有优势，但也面临挑战。例如，Lilium Jet 设计的电动飞机应用了相关技术，但对电池能量密度有较高要求 

该文献系统梳理了电动飞行器的技术进展与产业化路径，强调其作为多维交通核心载体的潜力，同时指出能源、噪音、适航认证等关键瓶颈。未来需跨学科协作，推动高能量密度电池、智能控制算法和基础设施建设的突破，以实现城市空中交通（UAM）的大规模应用。

参考文献：Electric ffying vehicles: A promising approach towards  multidimensional transportation