eVTOL技术拐点：飞行器的构型更为丰富、电池能力大幅提升、动力系统显著进阶

电动垂直起降飞行器(eVTOL)相较于传统飞行器，更具智能性、便捷性、经济性和环保性。相比直升机，eVTOL具备垂直起降的优点，并在飞行速度、航程和航时等方面有所突破；相比常规的固定翼飞机，eVTOL可以实现定点起降和悬停，不依赖于跑道，使其具备便捷性。并且由于eVTOL采用新能源动力和降噪技术，其可以减少城市内的交通拥堵、噪声干扰以及对化石燃料的依赖，符合碳中和、碳达峰的航空交通未来趋势。

——技术拐点一：飞行器的构型更为丰富

eVTOL按飞行原理分类可分为多旋翼型、复合翼型、倾转翼型三种，不同技术路线需要制造商具备不同的研发体系、供应体系与生产体系。

➢2015年左右：飞行器多为固定翼型和多旋翼型。固定翼飞行器具有续航时间长、高空飞行的特点，但需要长跑道助跑，对空间要求较高。同期，多旋翼的无人机逐渐开始推广应用，但其缺点在于能效比相对较低，对航程的限制较大。

➢当今：复合翼型&倾转翼等构型较为成熟。倾转翼型的结构更具先进性，具备较好的有效载荷和能效比。复合翼型属于一个较为折中的方案，在安全性前提下，兼顾了实现的可行性和先进性。

eVTOL构型与性能指标对比图

来源：Porsche Consulting

eVTOL指标对比图

来源：CNKI

1、倾转翼

该构型减具备较强的有效载荷、最大起飞重量、高经济性。倾转翼构型在垂直起降和巡航阶段采用相同的动力系统。在垂直起降阶段，倾转系统将旋翼置于垂直位置，飞行器类似于多旋翼飞行；在水平巡航阶段，倾转系统将旋翼置于水平位置，飞行器类似于固定翼飞行；在过渡阶段，倾转系统将根据需要调节旋翼的角度。倾转翼可进一步划分为全倾转翼和半倾转翼两类。

缺点在于构型难度较大、研发周期长、适航认证复杂。由于倾转机构的机械设计和飞控系统复杂，整体研制风险和成本较高，同时研制周期和适航认证的过程较长。目前全球倾转翼代表机型有Joby S4、Lilium Jet等。Joby S4已经完成初步测试，并计划在2025年开始运营；Lilium将在2023年进行第四次DOA审核流程，并在2026年进入正式的商业化运营。

倾转翼构型产品图

来源：jobyaviation

2、复合翼

该构型巡航阶段气动效率高，研制风险和成本低，适航认证难度低。复合翼垂直起降固定翼飞机在垂直起降和巡航阶段采用两套独立的动力系统，垂直起降阶段由多旋翼提供向上的升力，在巡航阶段则切换为固定翼模式。

缺陷在于死重占比较大，会产生额外的阻力。复合翼飞行器在垂直起降阶段/巡航阶段，巡航系统/旋翼系统会成为死重，成为飞行的阻力。目前复合翼构型的代表机型为峰飞盛世龙、Beta Alia-250等。峰飞盛世龙已完成过度是非验证和极端场景测试验证，预计2025年获得EASA适航认证，并投入商业化运营；Beta Alia-250已获得美国空军载人飞行许可，预计2024年开始交付投入运营。

复合翼构型产品图

来源：峰飞航空

3、多旋翼

该构型技术难度低，适航取证难度低，具备较高的操纵性和机动性。多旋翼构型主要利用气流冲击效应，通过螺旋桨向下冲击使得空气对旋翼产生反作用力，即升力。通过飞行控制器辅助控制，改变各个旋翼的转速，从而实现垂直、悬停、俯仰、翻滚、偏航等运动。

缺陷在于能效不高，航程有限且飞行速度较慢，使用的场景有局限。目前代表机型有Volocopter Volocity、亿航216等。Volocity获得EASA设计保证体系认证，获批EASA对其设计和生产的批准，已获得载人或无人飞行许可；亿航216目前已获得FAA、CAAC、挪威民航局、加拿大交通部4国特许飞行许可证批准。

多旋翼构型产品图

来源：亿航智能

——飞行器电池能力大幅提升

目前航空电池主要使用锂离子电池，近年锂电池能量密度逐步提升。航空领域的电源系统包括主电源、辅助电源、应急电源和二次电源。相较于镍铬电池，锂离子电池可以更好地满足航空航天领域电源系统的要求。

➢ 2015 年左右：电池能量密度普遍在150wh/kg 左右。对应在旋翼式的飞行器飞行时长在小几十分钟左右，且旋翼式的能效比相对较低，在增加负载负载的情况下，航程、航时都会有所下降。

➢当今：飞行电池能量密度增加到300wh/kg以上。结合更先进的飞行器构型，航程有望大幅提升。以峰飞的盛世龙为例，可载5人航行近2小时，航程达到250km左右。

➢未来：凝聚态电池、固态电池等新型电池技术有望进一步提升能量密度。宁德时代2023年4月发布的凝聚态电池单体能量密度达到500wh/kg，该电池聚合了包括超高比能正极、新型负极、隔离膜、工艺等一系列创新技术，目标用于载人飞机领域，其能量密度与NASA发布的航空固态电池能量密度水平接近。

宁德时代发布凝聚态电池

来源：宁德时代

——飞行器动力系统显著进阶

动力系统是飞行器将能量转化成动力的系统，其核心指标在于功率密度。该指标表示控制器系统的功率与体积之比，是衡量电机控制器系统集成度和性能的重要指标。作为飞行器，提升功率密度可以帮助飞行器有效减重，进而提升其飞行时长及航程。

➢ 2015 年左右：多使用燃油发动机，电推进系统应用不成熟。根据《电推进系统促进航空业变革》一文，2015年系统功率密度普遍在4-5kw/kg，而对应燃油发动机的功率密度平均在10kw/kg以上。

➢当今：电推进系统设计、功率密度大幅提升。目前电推进系统功率密度可达到10kw/kg左右。eVTOL主要使用分布式电推进系统，具有飞行空气流场，降低阻力和噪声，提高了系统安全性等优点。电机主要使用直驱高扭矩电机（1000-2500RPM）或是配备减速传动系统的高速电机（2500RPM+）。

➢未来：配备减速传动系统的高速电机有望成为主要发展方向，通过一体化设计，对整个系统功率密度的提升较为显著。此外，超导电机等处于实验室阶段的电机技术有望进一步提升电机功率密度的天花板。

电机和电子电力系统功率密度发展预测

来源：CNKI