混动eVTOL技术要点剖析及发展前景

一、混动eVTOL是什么？

eVTOL，即电动垂直起降飞行器（Electric Vertical Takeoff and Landing），是一种能够利用电力垂直悬停、起飞和降落的航空器。它的出现，得益于电力推进（电机、动力电池、飞控等）和复合材料的重大进步，以及城市空中交通对新型飞行器的新兴需求。而混动 eVTOL，则是在 eVTOL 的基础上，引入了混合动力系统，结合了传统燃油发动机与电动机的优势 ，为飞行器提供更持久的动力支持。

与纯电 eVTOL 相比，混动 eVTOL 最大的区别在于动力来源。纯电 eVTOL 完全依靠电池储存的电能来驱动电机，实现飞行。这种动力方式虽然清洁、安静，但受到电池能量密度和续航里程的限制。以目前的电池技术，纯电 eVTOL 的续航里程大多在 200 公里以内，很难满足中长距离的出行需求。而且，充电时间较长，也限制了其使用效率。

而混动 eVTOL 则不同，它采用了燃油发动机与电动机相结合的动力系统。在飞行过程中，根据不同的飞行阶段和需求，灵活切换动力模式。在垂直起降阶段，主要依靠电动机提供动力，因为电动机具有响应速度快、扭矩大的特点，能够实现精准的控制，确保飞行器平稳起降。而在巡航阶段，燃油发动机开始工作，为飞行器提供持续的动力。燃油发动机的能量密度高，能够让飞行器在较长时间内保持稳定的飞行速度，大大增加了续航里程。同时，燃油发动机还可以为电池充电，实现能量的回收和再利用，进一步提高了能源利用效率。

简单来说，混动 eVTOL 就像是一辆插电式混合动力汽车，既有电池提供的电力驱动，又有燃油发动机作为后备支持。这种设计不仅解决了纯电 eVTOL 续航里程短的问题，还提高了飞行器的可靠性和实用性。想象一下，你要乘坐混动 eVTOL 从城市的一端到另一端，甚至前往临近城市。在起飞和降落时，飞行器依靠电力安静、平稳地升降，不会产生太大的噪音，对周围环境的影响较小。而在飞行途中，燃油发动机启动，为飞行器提供强大的动力，让你快速、舒适地到达目的地。即使在飞行过程中遇到电池电量不足的情况，燃油发动机也能继续工作，确保飞行安全。

二、混动 eVTOL 设计亮点

（一）构型设计

混动 eVTOL 的构型设计是实现其高效飞行的关键，常见的构型有倾转旋翼、倾转涵道翼等 ，每种构型都有其独特的优势和适用场景。

倾转旋翼构型是目前应用较为广泛的一种设计，它融合了直升机和固定翼飞机的特点。在垂直起降阶段，旋翼处于垂直状态，如同直升机一般，依靠旋翼产生的升力实现垂直起飞和降落，这种方式能够在狭小的空间内完成起降操作，非常适合城市环境。而在巡航阶段，旋翼则倾转至水平位置，转变为固定翼飞机的推进方式，利用机翼产生升力，旋翼提供向前的推力，从而大大提高飞行速度和效率，增加航程。例如，Joby S4 就是一款采用倾转旋翼构型的混动 eVTOL，它拥有 6 个倾转旋翼，在布局位置、动力和控制裕度、安全性、效率以及噪声等多方面表现出色，预计将于 2025 年获得美国联邦航空管理局（FAA）的适航认证。

倾转涵道翼构型则是在倾转旋翼的基础上，将旋翼置于涵道内部。涵道的存在可以对气流进行约束，提高旋翼的效率，同时降低噪音，对地面人员和乘员的保护性更好，视觉美感及乘坐心情也会比较好 。以天翎科 INFLYNC L600 Pioneer 为例，它采用混动增程全倾转涵道翼构型设计，设有 20 个涵道风扇，有效实现了垂直起降及高速巡航。2024 年 5 月 17 日，天翎科成功验证了倾转涵道翼 eVTOL 由垂直起飞到巡航平飞的姿态转换过渡飞行，成为国内首家、全球第二完成此类过渡飞行的企业。

（二）动力系统设计

动力系统是混动 eVTOL 的核心，燃油发动机与电动机的协同工作是其关键所在。在不同的飞行阶段，两者需要精确配合，以实现最佳的飞行性能。

在垂直起降阶段，电动机凭借其快速响应和高扭矩输出的特性，能够迅速提供足够的升力，确保飞行器平稳起降。此时，燃油发动机可能处于待机状态或者辅助供电状态，为电池充电，以补充电能消耗。而当进入巡航阶段，飞行需要持续稳定的动力输出，燃油发动机的优势便凸显出来。燃油发动机具有较高的能量密度，能够为飞行器提供长时间的动力支持，使飞行器保持较高的巡航速度。同时，燃油发动机还可以带动发电机工作，为电动机供电，并为电池充电，实现能量的循环利用。

以追梦空天 DF600 “惊鸿” 为例，它采用油电混合动力系统，结合了燃油发动机和电动机的优势，提供更高的效率和更长的航程。该机型满载航程可达 1000 公里，最大平飞速度可达 320 公里 / 小时，最大航时达 8 小时。在飞行过程中，通过智能控制系统，根据飞行状态和需求，灵活切换燃油发动机和电动机的工作模式，实现了高效的飞行性能。

再看 Joby S4 的氢电版，采用氢燃料电池与电动机的混合动力系统。氢燃料电池在飞行过程中为电动机提供动力，仅产生水蒸气，实现零排放。2024 年 6 月，Joby 的氢电版 S4 eVTOL 验证机完成了 523 英里（约 841 公里）的不间断飞行，验证了氢动力在飞机上的应用潜力 。这种创新的动力系统设计，不仅提高了续航能力，还更加环保，符合未来航空发展的趋势。

（三）轻量化设计

对于混动 eVTOL 来说，轻量化设计至关重要。减轻飞行器的重量，可以降低能耗，提高飞行效率，增加航程和载重能力。为了实现轻量化，混动 eVTOL 在材料选择和结构设计上都下足了功夫。

在材料方面，大量采用新型材料，如碳纤维复合材料等。碳纤维复合材料具有高强度、低密度的特点，其强度比传统的金属材料高很多，而重量却只有金属材料的几分之一。以全球首款飞碟状 eVTOL 为例，它由深圳智航无人机有限公司成功研发，采用碳纤维等新型复合材料建造，不仅具备高科技质感，同时也显示出轻量化与强度的完美结合。这种材料的应用，使得飞行器在保证结构强度和安全性的前提下，大大减轻了自身重量。

除了材料创新，结构优化设计也是实现轻量化的重要手段。通过先进的设计方法和工具，对飞行器的结构进行精细化设计，去除不必要的结构部件，优化结构形状和布局，使结构更加合理，受力更加均匀 。例如，采用拓扑优化技术，根据飞行器的受力情况，在计算机中对结构进行优化，找到最优的材料分布方案，从而在不影响性能的前提下，最大限度地减轻结构重量。

三、混动 eVTOL 技术要点剖析

（一）能量管理技术

能量管理技术是混动 eVTOL 的关键技术之一，它就像是飞行器的 “智能管家”，负责实现燃油与电能的高效转换和分配，确保飞行器在不同飞行阶段都能获得最佳的动力支持。

在混动 eVTOL 中，能量管理系统通过复杂的算法和控制策略，实时监测飞行器的飞行状态、动力需求以及能源储备情况 。以飞行阶段为例，在垂直起降阶段，由于需要较大的瞬间功率来克服重力实现垂直上升和稳定悬停，此时能量管理系统会优先调用电池的电能驱动电动机工作。因为电动机具有响应速度快、扭矩大的特点，能够快速提供所需的动力，确保起降过程的平稳和安全。而当飞行器进入巡航阶段，飞行需求变为持续稳定的动力输出以维持一定的飞行速度和高度，此时能量管理系统会根据燃油和电能的剩余量以及飞行的经济性等因素，合理分配燃油发动机和电动机的工作比例。如果燃油充足且电池电量较低，系统会更多地依靠燃油发动机提供动力，同时利用燃油发动机的余热或多余功率为电池充电，实现能量的回收和再利用。

能量回收系统是能量管理技术的重要组成部分，它在混动 eVTOL 中发挥着不可或缺的作用。当飞行器减速或下降时，电机由驱动状态转换为发电状态，将飞行器的动能转化为电能并储存回电池中 。这一过程就像是给电池 “充电”，不仅减少了能量的浪费，还提高了能源利用效率，增加了飞行器的续航里程。例如，在城市空中交通中，飞行器可能需要频繁地进行起降和飞行状态的调整，能量回收系统可以在每次减速或下降过程中回收能量，为后续的飞行提供更多的电能支持。

（二）热管理技术

混动 eVTOL 在运行过程中，动力系统会产生大量的热量。以燃油发动机为例，其燃烧过程会释放出大量的热能，而电动机在高速运转时也会因电阻等因素产生热量。如果这些热量不能及时有效地散发出去，将会对动力系统的性能和可靠性产生严重影响。高温可能导致电机内部的永磁体退磁，降低电机的效率和输出功率；还可能使电子元件的性能下降，甚至损坏，影响整个飞行器的飞行安全。

为了解决这一问题，混动 eVTOL 采用了多种热管理技术，其中液冷和风冷是较为常见的方式 。液冷技术是利用冷却液在封闭的循环管路中流动，吸收动力系统产生的热量，然后通过散热器将热量散发到外界空气中。冷却液通常具有较高的比热容，能够有效地吸收和传递热量，从而实现对动力系统的高效冷却。例如，一些混动 eVTOL 在电机和发动机等关键部件周围布置了细密的冷却液管道，冷却液在管道中循环流动，及时带走部件产生的热量，确保它们在适宜的温度范围内工作。

风冷技术则是利用空气的流动来带走热量 。在混动 eVTOL 中，通常会设计专门的风道，使外界空气能够流经发热部件，通过空气与部件表面的热交换来实现散热。为了增强风冷效果，还会采用风扇等辅助设备来加速空气流动。比如，在电机外壳上设计散热鳍片，增加散热面积，同时利用风扇将空气吹向散热鳍片，提高散热效率。这种方式结构相对简单、成本较低，但散热效果相对液冷技术来说较弱，一般适用于发热量较小的部件或作为液冷技术的辅助手段。

（三）飞行控制技术

混动 eVTOL 的飞行控制具有极高的复杂性和重要性，它就像是飞行器的 “神经中枢”，负责确保飞行器在各种飞行条件下都能稳定飞行和精确操控 。与传统飞机相比，混动 eVTOL 具有多种飞行模式，如垂直起降、悬停、过渡飞行和巡航飞行等，每种飞行模式下飞行器的气动力特性、动力系统工作状态以及飞行姿态都有很大的不同，这就要求飞行控制系统能够快速、准确地适应这些变化，实现不同飞行模式之间的平稳切换。

先进的飞控系统是实现混动 eVTOL 稳定飞行和精确操控的关键 。这些飞控系统通常采用了先进的传感器技术、控制算法和计算机技术，能够实时采集飞行器的各种状态信息，如姿态、速度、位置等，并根据预设的飞行轨迹和控制指令，对飞行器的舵面、动力系统等进行精确控制。以传感器为例，飞控系统中通常会配备惯性测量单元（IMU）、全球定位系统（GPS）、气压高度计等多种传感器，它们协同工作，为飞控系统提供准确的飞行数据。IMU 可以测量飞行器的加速度和角速度，帮助飞控系统实时了解飞行器的姿态变化；GPS 则提供飞行器的位置信息，确保飞行器能够按照预定的航线飞行；气压高度计用于测量飞行器的高度，为飞行控制提供重要的参考数据。

在控制算法方面，先进的飞控系统采用了自适应控制、智能控制等先进技术 。自适应控制算法能够根据飞行器的实时状态和飞行环境的变化，自动调整控制参数，使飞行器始终保持在最佳的飞行状态。例如，当飞行器遇到气流扰动时，自适应控制算法可以及时调整舵面的角度和动力系统的输出，以抵消气流的影响，保持飞行器的稳定飞行。智能控制算法则借鉴了人工智能的思想，使飞控系统能够学习和适应不同的飞行场景和任务需求。比如，一些飞控系统采用了神经网络算法，通过对大量飞行数据的学习和训练，能够快速准确地识别飞行状态和故障模式，并做出相应的控制决策，提高了飞行器的自主飞行能力和应对突发情况的能力。

四、混动 eVTOL 的优势与应用场景

（一）优势尽显

混动 eVTOL 之所以备受关注，是因为它具有一系列显著的优势，使其在未来的空中出行领域展现出巨大的潜力。

续航里程长是混动 eVTOL 的一大突出优势。正如前文所提到的，纯电 eVTOL 受限于电池能量密度，续航里程大多在 200 公里以内，这严重限制了其应用范围 。而混动 eVTOL 通过引入燃油发动机，有效解决了这一问题。燃油发动机的能量密度远高于电池，能够为飞行器提供更持久的动力支持，大大增加了续航里程。以追梦空天 DF600 “惊鸿” 为例，它采用油电混合动力系统，满载航程可达 1000 公里 ，这使得它能够轻松应对中长距离的飞行任务，无论是城际间的物流运输，还是跨区域的应急救援，都能胜任。

载重能力提升也是混动 eVTOL 的重要优势之一 。在纯电 eVTOL 中，由于电池重量较大，占据了飞行器的一部分载重空间，导致其载重能力相对有限。而混动 eVTOL 在飞行过程中，燃油发动机可以为电池充电，减少了对电池储能的依赖，从而可以释放更多的载重空间 。蓝霄航空 LX-1 具备增程式动力系统，通过燃油发电补充电能，解决了纯电动 eVTOL 在航程和载重上的限制，最大载重接近 1 吨 ，能够满足物流运输等对载重要求较高的应用场景。

在燃油发动机的稳定运行下，混动 eVTOL 可以保持良好的经济性和排放指标 。与传统燃油飞机相比，混动 eVTOL 在垂直起降和低速飞行阶段主要依靠电动机，减少了燃油发动机的使用时间，从而降低了燃油消耗和尾气排放 。在巡航阶段，燃油发动机可以在高效工况下运行，进一步提高能源利用效率。一些混动 eVTOL 采用了先进的燃烧技术和能量管理系统，使其燃油消耗比传统飞机降低了 20% - 30%，同时减少了氮氧化物等污染物的排放，更加环保。

（二）应用领域

混动 eVTOL 的独特优势，使其在多个领域都有着广阔的应用前景，正在逐步改变我们的生活和工作方式。

在物流运输领域，混动 eVTOL 可以实现快速、高效的货物运输 。随着电商行业的飞速发展，人们对物流配送的时效性要求越来越高。传统的地面物流运输方式在面对长距离、交通拥堵等情况时，往往难以满足需求。而混动 eVTOL 可以直接从发货地垂直起飞，避开地面交通拥堵，快速将货物送达目的地 。它还可以在一些地形复杂、交通不便的地区，如山区、海岛等，实现货物的精准投递。Elroy Air 的 Chaparral C1 是一款专注于物流运输的混动 eVTOL，它能够自主完成货物的装卸和运输，有效提高了物流效率，降低了运输成本 。

应急救援是混动 eVTOL 的重要应用场景之一 。在自然灾害、突发事件等紧急情况下，时间就是生命。混动 eVTOL 可以快速响应，迅速抵达救援现场，为被困人员提供及时的援助 。它可以在狭窄的空间内垂直起降，方便在城市废墟、山区等复杂地形中开展救援工作。同时，混动 eVTOL 的长续航能力和大载重能力，使其能够携带更多的救援物资和设备，如医疗用品、食品、救援工具等，为救援工作提供有力支持 。在地震、洪水等灾害发生时，混动 eVTOL 可以快速将救援人员和物资运送到受灾地区，大大提高救援效率。

旅游观光领域，混动 eVTOL 为游客带来了全新的旅游体验 。乘坐混动 eVTOL，游客可以从空中俯瞰美丽的自然风光、城市景观，感受不一样的视觉冲击 。与传统的观光直升机相比，混动 eVTOL 噪音更小、更环保，不会对景区环境造成太大影响。一些旅游景区已经开始尝试引入混动 eVTOL，推出空中观光项目，受到了游客的广泛欢迎 。在桂林山水、张家界等著名景区，游客可以乘坐混动 eVTOL，从空中欣赏奇峰异石、绿水青山，领略大自然的鬼斧神工。

在城市通勤方面，混动 eVTOL 有望成为缓解城市交通拥堵的利器 。随着城市人口的不断增加，交通拥堵问题日益严重。混动 eVTOL 可以在城市中垂直起降，无需依赖跑道，能够快速穿越城市，大大缩短通勤时间 。想象一下，在未来的城市中，你可以在家门口的小型起降点乘坐混动 eVTOL，几分钟内就可以到达工作地点，避开了地面的拥堵车流，让通勤变得更加高效、便捷 。Joby S4 预计将于 2025 年获得美国联邦航空管理局（FAA）的适航认证，未来有望在城市通勤领域发挥重要作用 。

五、发展现状与挑战

近年来，混动 eVTOL 在全球范围内掀起了研发热潮，众多企业和科研机构纷纷投身其中，取得了一系列令人瞩目的进展 。美国作为航空技术的强国，在混动 eVTOL 领域也处于领先地位。Joby 公司的氢电版 S4 eVTOL 验证机在 2024 年 6 月完成了 523 英里（约 841 公里）的不间断飞行，展示了氢动力在 eVTOL 上的巨大潜力 。Elroy Air 的 Chaparral C1 货运无人机也在 2023 年底成功首飞，这款采用混合动力系统的无人机，航程可达 300 英里（约 483 公里），有效负载 300 磅（136 公斤） ，为物流运输领域带来了新的解决方案。

在国内，混动 eVTOL 的研发也在紧锣密鼓地进行中 。追梦空天科技的吨级混动倾转 eVTOL DF600 “惊鸿” 已圆满完成第一阶段试飞，进度居于国内首位，是继美国 JOBY 公司后全球第二家进入试飞阶段的混动倾转 eVTOL 企业 。该产品设计巡航里程 1000KM，填补了国内型谱空白，预计于 2025 年批量生产交付 。牧羽天航空科技也成功完成了国内首次 1.3 吨级油电混动 eVTOL 无人机飞行测试 ，展示了我国在该领域的技术实力。

尽管混动 eVTOL 取得了一定的进展，但要实现大规模商业化应用，仍面临着诸多挑战 。技术瓶颈是首要问题，虽然混动技术在一定程度上解决了续航里程的问题，但电池能量密度、电机效率、热管理等方面仍有待进一步提高 。目前，电池单体电芯的能量密度最高水平在 300 Wh/kg 左右，难以满足 eVTOL 独特的任务剖面以及苛刻的运行环境的要求 。电机在高速运转时产生的热量如何更有效地散发，也是需要攻克的难题。

适航认证也是混动 eVTOL 商业化道路上的一大障碍 。作为载人航空器，eVTOL 必须经过民航局的严格认证，而这一过程不仅费时费力，还伴随着高额的成本 。由于混动 eVTOL 是一种新型飞行器，目前相关的适航标准还不够完善，这给认证工作带来了更大的难度。许多初创企业在资金和技术实力上的短缺，也使得他们在适航认证过程中面临着巨大的压力 。

基础设施建设不足也限制了混动 eVTOL 的发展 。垂直起降机场是城市空中运输网络的关键节点，但目前国内外尚未有能成熟落地的系统化整体解决方案 。虽然一些航空创新机构提出了若干创新概念并开展试点实践，如 Uber 的空港（Skyport）概念方案、Volocopter 与 Skyports 的 volo-port 设计方案等，但要实现大规模建设和运营，还需要解决土地规划、建设成本、运营管理等一系列问题 。充电及维修设施的不完善，也影响了混动 eVTOL 的使用便利性和运营效率 。

六、未来展望

随着技术的不断进步和突破，混动 eVTOL 有望在多个方面取得更大的发展 。在技术突破方面，电池能量密度的提升、电机效率的提高以及热管理技术的优化，将进一步提升混动 eVTOL 的性能，使其续航里程更长、载重能力更大、运行更加稳定可靠 。未来，我们有望看到电池能量密度达到 400 Wh/kg 甚至更高，电机效率接近 95% 以上，热管理系统能够更加精准地控制动力系统的温度，确保其在各种复杂环境下都能高效运行 。

市场普及方面，随着技术的成熟和成本的降低，混动 eVTOL 将逐渐走进人们的生活，成为城市通勤、物流配送、旅游观光等领域的重要交通工具 。在城市中，混动 eVTOL 将构建起便捷的空中交通网络，缓解地面交通拥堵，让人们的出行更加高效。物流配送领域，混动 eVTOL 将实现货物的快速投递，提高物流效率，降低物流成本 。旅游观光方面，混动 eVTOL 将为游客带来更加独特的旅游体验，让人们能够从空中欣赏到美丽的自然风光和城市景观 。

混动 eVTOL 的发展还将带动整个产业的发展，促进相关技术和产业的创新与升级 。从材料科学到电子技术，从航空制造到能源管理，混动 eVTOL 的发展将推动这些领域的技术进步，培育出一批具有国际竞争力的企业和产业集群 。它还将创造大量的就业机会，为经济发展注入新的活力 。

混动 eVTOL 作为未来空中出行的重要发展方向，具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景 。虽然目前还面临着一些挑战，但相信在科技的不断推动下，这些问题都将逐步得到解决 。让我们共同期待混动 eVTOL 时代的到来，感受它为我们的生活带来的巨大变革 。

内容来源：中国航空新闻网  图片和素材来源于网络公开资料，编写于此只是为了传递行业资讯，如有误差欢迎指正，如有侵权请添加作者微信删除文章！