自动驾驶载人飞行器的构型初探 ---漠飞对亿航的持续观察2020Q4-003

作者： 漠飞

发布于:2021-01-06 18:45 修改于: 2022-06-13 13:04

雪球

转发：2

回复：9

喜欢：19

        推进动力的电气化使低成本的“城市空中交通”（Urban Air Mobility，简称UAM）成为可能。使用点对点的直线式航路效率远高于地面交通，这是显然易见的，很多聪明人都已经开始着手准备成为UAM时代的奔驰和福特。目前全世界范围内已经有超过100家初创企业已经进入到eVTOL（电推垂直起降航空器）的设计领域，虽然大部分的产品仍然停留在PPT上，但是各种航空器的设计创意确实精彩纷呈，然而很多设计从娘胎里就不适合作为UAM的主流形态，本篇笔者从工程可靠性视角和商业运维视角与大家进行介绍和探讨。

       目前eVTOL飞行器的主要构型有三种，第一种构型是多旋翼飞行器，典型的四旋翼飞行器就是通过改变四个旋翼的转速来进行飞行控制,其控制系统有四个输入,却有六个自由度，因此是一个具有不稳定、非线性、强耦合等特性的欠驱动系统（欠驱动系统是输入比要控制的量少的一类典型系统）,基于陀螺仪与加速度传感器的计算机闭环姿态控制是四轴飞行器飞行控制系统的核心。

好吧，说人话，大家最熟悉的大疆公司的产品就是采用四旋翼飞行器构型。这种构型最大的优势在于机体结构简单，基于计算机的飞控系统业已成熟，因此天生就适合运用低成本的电机作为其推进动力。目前空客、贝尔、亿航（亿航的十六旋翼可视为四旋翼的一种延伸）和Volocopter的主打产品均采用这种构型进行设计，可见多旋翼飞行器是eVTOL的主流构型之一。

第二种构型是倾转旋翼飞行器，这种构型的代表机型是美国的V22鱼鹰飞机。这种构型结合了直升机与固定翼螺

桨飞机各自的优点，既具备直升机的VTOL垂直起降的能力，又能够在起飞后通过将引擎和旋翼整体旋转90度的方式来实现在巡航阶段接近于固定翼螺旋桨飞机的飞行速度性能以及更大的续航。因此也有众多的粉丝，目前Joby Aviation、Vertical Aerospace和Lilium Jet均采用该构型。

由于多旋翼飞行器与传统的直升机一样完全依赖旋翼提供升力，因此在飞行速度与续航里程上与直升机存在着同样的短板，同时因锂电池能量密度目前远小于燃油。所以例如目前已广泛投入试飞的亿航216自动驾驶飞行器的续航里程仅为35公里左右，只适合于在城市内部通勤使用，在80~150公里的城际飞行市场需求面前就会显得捉襟见肘。而相较于多旋翼飞行器，倾转旋翼飞行器得益于固定翼作为升力体带来的速度及航程优势，能够很好地覆盖80~150公里的城际飞行市场需求。但俗话说“针无两头利”，倾转旋翼飞行器也有最大的问题，那就是倾转旋翼机构的设计过于复杂，这给高频率的商业运营带来了巨大的隐患！

任何一种机械系统的可靠性都可以简单归结为活动部件数量的多少，因为系统中任何一个活动部件都是一个潜在的故障源。从上图黄圈内稍显凌乱的线路布局来看，Joby 公司的产品在今后的维护保养中将不得不面对巨大的挑战。

进一步地说，倾转旋翼飞行器在空中最难控制的阶段是其旋翼进行倾转的过程。倾转转换时如何在大风和雨雪等恶劣天气下保持飞行姿态的稳定乃至飞行的安全都是一个很大的命题，毕竟这直接关系到乘客的安全和体验。

为了解决上述两个构型各种所存在的问题，第三种构型就闪亮登场了！没错，工程师解决问题的思路就是简单粗暴并且有效，这是一种多旋翼与固定翼相结合的混合构型，垂直起降用电，水平推进用油。这种混合构型+混合动力的双混飞行器，具有1+1>2的优势。下图是亿航即将面世的产品：

这种混合构型采用桁架式结构，同时配备了用于垂直起降与悬停的电动多旋翼推进装置和用于水平推进的燃油螺旋桨推进装置，同时继承了多旋翼构型和倾转旋翼构型各自的优势。

在垂直起降阶段仍然使用电动多旋翼的同时，通过在机体的尾部安装由传统的高功率燃油发动机驱动螺旋桨推进系统，混合动力系统使飞行速度相较于目前的216机型有了很大的提高，同时由于在水平飞行时不依赖电池供电，且得益于固定翼升力体的引入，得以在有效降低水平飞行能耗的同时大幅度地提高了续航里程和滞空时间。

综上所述，城市内的市内通勤场景由于飞行距离较短，更适合使用典型的多旋翼飞行器构型，而城市之间的城际飞行场景，对飞行器的续航里程有较高的要求，则更适合使用多旋翼与固定翼相结合的双混飞行器构型。因此可以得出一个不太友好的结论是，介于上述两者之间的倾转旋翼构型，大概率已经输在起跑线上了。

                             漠飞

                          2020年12月28日星期一