摘要：电池、电机技术的进步和分布式电推进系统的应用极大促进了电动垂直起降飞行器的发展。本文概述了不同电动垂直起降飞行器构型优缺点及适用场景，并从性能、经济性等方面对电动垂直起降飞行器与常规燃油飞行器进行了全面对比。在噪声特性方面，电动垂直起降飞行器旋翼间、旋翼-机翼等干扰噪声更为突出，而低桨尖速度、大实度的电推进旋翼系统极大降低了全机噪声水平（噪声降低约15dB）。在能源方面，锂离子电池是当前和未来电动垂直起降飞行器的主要能源；先进的电池材料体系、电池-机体结构一体化设计及优良的电池管理系统是未来提升全机能量密度和能源安全的有效方式。电动垂直起降飞行器冗余操纵特点增加了飞控系统设计难度，但同时也能够提高全机安全性；故障重构与协同控制是飞控系统设计面临的新课题。电动垂直起降飞行器不仅构型种类丰富且具有高压电动力、电推进、电传飞控、电作动等新颖设计特征，当前缺少试飞数据的情况下，基于系统的工程方法是开展其安全性设计的主要方法。

1、电动垂直起降飞行器构型特点

1.1、电动垂直起降飞行器发展

电动垂直起降飞行器是指采用电机驱动的具备垂直起降能力的飞行器，其中电机由电动力驱动，电动力包含电池、燃料电池等不同能源形式。总体来讲，电池、电机技术的进步使得电动垂直起降飞行器具有了一定的使用价值，但当前电池能量密度约为200~250Wh/kg，比传统的化石燃料低约50倍。由于电动垂直起降飞行器中能量单元重且占用体积大，会影响到飞行器的航程和成员乘坐空间，因此业内将电动垂直起降飞行器定位为低载荷与短航程的航空器平台。由于省略了复杂的机械结构，加之电机的尺寸无关特性，分布式电推进（DistributedElec‐tricPropulsion，DEP）技术应用而生，极大推动了分布式多旋翼电动垂直起降飞行器的发展。DEP技术使得电动垂直起降飞行器的构型突破了传统架构的限制，具有广阔的设计空间，使之前许多不可能、不可行的飞行器构型成为可能，典型构型如图1所示。从图1可以看出，电动垂直起降飞行器构型种类较为丰富，其总体构型可进行多种创新性的气动-推进一体化设计和非常规气动布局设计。欧洲适航局对电动垂直起降飞行器分类如图2所示。

截至2022年底，美国垂直飞行协会（VFS）宣布所收录的电驱动旋翼飞行器概念已超过750个，主要分布在美国和欧洲，中国在全球占比仅为4%。全球有超过150家企业正在开发原型机。目前有近50%的电驱动旋翼飞行器还处于概念设计阶段，近30%进入了飞行测试阶段，如图3所示。

1.2、不同电动垂直起降飞行器构型对比

在电动垂直起降飞行器构型研究方面，康奈尔大学的Duffy等[30]，在相同使用场景下，以飞行器重量最优为优化目标，优化分析了常规构型直升机、多旋翼、矢量推力构型及复合翼构型这5种不同电动垂直起降飞行器的航程、速度等性能。

图4给出了相同电池能量密度时，不同速度/航程组合任务剖面下，重量最低构型分布情况。从图4可以明显看出，虽然有机翼构型能够大幅提升巡航效率，但同时增加了全机重量，因此航程短、速度低的任务剖面并不能完全发挥该构型优势；而直升机和多旋翼构型缺少前向推力系统，因此不适合大速度、长航程任务剖面使用。

此外，Michael等人还分析了电池能量密度对电动垂直起降飞行器的影响，如图5所示。可以看出，由于分布式电推进系统的应用，即使在较小的能量密度下，倾转、复合构型电动垂直起降飞行器也已具备一定的使用价值。而只有当电池能量密度发展到一定程度，全电常规构型直升机及多旋翼飞行器才逐步具备使用价值。

Bacchini等分析了多旋翼、矢量推力、复合翼等三种典型电动垂直起降飞行器在城市内、城市间和大航程场景下的任务性能。分析参数包括：桨盘面积、悬停时间、巡航速度、飞行距离和飞行时间。结果表明，不同构型适合不同的使用场景，多旋翼构型桨盘载荷较小、悬停效率较高，但由于没有机翼，巡航效率较差，因而在短距场景下更具优势；矢量推力构型巡航效率更高因此航程较大；复合翼性能介于多旋翼和矢量推力构型之间。

此外，还有不少学者针对电动垂直起降飞行器构型性能、优劣势进行了研究。文献中研究者采用理论计算方法分析了多旋翼、倾转机翼、倾转旋翼等构型的性能，并与标称值进行了对比。Nathen等详细分析了不同电动垂直起降飞行器的优劣势，并重点针对涵道矢量推力构型进行了设计与分析。表1给出了不同构型的优劣势分析及适用场景。

与常规直升机、多旋翼电动垂直起降飞行器相比，矢量推力构型除了增加安全余度外，还兼顾滑跑起降能力，进一步增强了系统失效状态下的安全着陆能力和降低起飞过程中的能量消耗。

1.3、电动垂直起降飞行器与燃油飞行器对比

美国Stoll等对比分析了2座JobyS2电动垂直起降飞行器与2座R22罗宾逊直升机、RV-7固定翼飞机的性能，如表2所示。可以看出，与传统燃油直升机相比，电动垂直起降飞行器在速度、航程方面均具有较大的优势；与固定翼飞机相比，航程、商载劣势明显。

此外，电动垂直起降飞行器另一个显著的优势在于较好的经济性，进一步对比了不同交通工具购买及使用成本，如表3所示。可以看出，电动垂直起降飞行器的经济性与电动汽车的经济性基本相同，但电动垂直起降飞行器更具时间优势；经济性显著优于燃油直升机，且使用、维护成本更优。

因此除性能之外，本节进一步给出了电动垂直起降飞行器与常规直升机的噪声特性。Jeremy等人采用试飞的方式测试了水平飞越状态下JobyS4与AW109、R44等直升机噪声水平。图6给出了A计权声压级随时间变化曲线及测试过程中的最大声压级，表4给出了水平飞越过程中最大A计权声压级对比。可以看出，电动垂直起降飞行器噪声水平降低约15dB，且最大声压级同样较小，这主要是由于新型动力总成下，电动垂直起降飞行器旋翼桨尖速度能够大幅降低，进而减弱了全机气动噪声。

需要指出的是，虽然相同座位数量下的电动垂直起降飞行器比常规直升机更具性能优势，但相同吨位下常规燃油直升机性能更具优势。表5对比分析了JobyS4与小松鼠直升机性能指标，可以看出凭借构型巡航效率优势，电动垂直起降飞行器巡航速度较高，但受限于电池能量密度其航程劣势较明显。

针对电池等能源密度低、能量消耗过快、飞行时间短等缺点，不少研究者从高效气动布局、先进轻质材料等方面开展了研究。然而，学者分析发现，更具现实意义的降低飞行器能量消耗的举措是选择合适的轨迹，即通过降低飞行高度及更平缓的下降飞行轨迹角度。Pradeep等研究结果同样表明，电动垂直起降飞行器随飞行高度增加巡航效率降低。

2、构型与总体参数设计技术

常规燃油直升机基本采用单旋翼加尾桨构型。总体设计参数聚焦在旋翼和尾奖两方面主要包括：起飞重量、发动机功率、有效载重、旋翼半径、旋翼实度、旋翼桨尖速度、桨叶片数、桨盘载荷；尾桨直径、尾桨实度、尾桨片数、尾桨桨尖速度、尾桨变距范围等。

固定翼飞机构型较多，如翼身融合、上单翼、下单翼等。总体设计参数包括机翼面积、展弦比、后掠角度，尾翼面积、展弦比等。

相较于传统飞行器，电动垂直起降飞行器设计存在一定差别和特殊性。首先，电推进系统具有功率相对尺度无关性，使得电动垂直起降飞行器总体设计可突破传统架构的限制，具有广阔的设计空间。总体构型和参数设计在融合常规直升机和固定翼飞机的设计参数基础上，新增总体参数包括：分布式旋翼的数量、分布式旋翼电机功率等等。

其次，电推进系统相较于传统燃料动力系统，其能量来源的转变不仅会导致布局选型上的差异，也会对动力系统的各组件建模和分系统的布局产生重大影响；且传统的初步估算飞机燃油重量、航时航程和飞行性能等过程会发生变化并难以适用于电动垂直起降飞行器。因此，对于电动垂直起降飞行器的各种总体参数设计需要重新推导和评估。

电动垂直起降飞行器采用电池加电机的动力总成，悬停状态电池放电倍率约为3C~5C、放电时长约为12~20min。考虑电池大功率状态散热量较大及电池电量安全余量，电动垂直起降飞行器不具备长时悬停能力，这与能长时悬停的常规燃油直升机具有较大差别。而在爬升状态，电动垂直起降飞行器需用功率更大，如果爬升高度过大，势必影响飞行器航程。因此，电动垂直起降飞行器飞行高度一般不超过600m，运行高度基本处于300m以下，与现有轻型无人机和通用航空形成空域互补。

前飞状态下，多旋翼构型机身风阻较大（升阻比低于常规燃油直升机），为保持飞行性能并保证电池安全性，其巡航速度基本处于60km/h左右，此时电池放电倍率约为3C，航程约为35km。但对有机翼构型，前飞巡航效率较高（升阻比高于常规燃油直升机），巡航速度约为180~280 km/h、航程约为150 km。

与常规燃油直升机悬停效率相比，多旋翼构型主要侧重用于低速、短距应用场景，因此旋翼桨叶负扭转较大；有机翼构型中复合推力构型的固定旋翼、独立推力构型中升力旋翼均以提供悬停升力为主，因此设计中桨叶负扭转较大，能够达到-17°左右，常规燃油直升机旋翼桨叶等效负扭转一般不超过-13°。有机翼构型中复合推力构型的倾转旋翼、矢量推力构型的倾转旋翼需要满足前飞状态推力需求，因此桨叶负扭转更大，达到-30°~-40°。这就是虽然电动垂直起降飞行器旋翼桨叶较小，悬停效率依然较大的最主要原因。

一般固定翼飞机展弦比为8~10，V-22倾转旋翼飞行器展弦比约为6.5，当前复合推力构型电驱动垂直起降飞行器机翼展弦比大于10。分布式电推进系统的一个重要优点可将动力分散到飞行器的各个主要结构上，并可改变机体周围的流场，提高气动性能。凭借较高的机翼展弦比和分布式推进-气动一体化设计，低马赫数下电驱动垂直起降飞行器全机升阻比约为12~15。但受限于全机阻力增加较为明显，以及电池最大放电功率、散热限制等原因，有动力状态下有机翼构型的电动垂直起降飞行器飞行速度基本维持在350 km/h以下。

需要强调，分布式电推进技术的出现，拓展了飞行器设计的自由度，大幅提高了飞行器的综合性能。但与此同时将带来多学科优化设计和计算分析的复杂性等难题。

由于新的能量及推进系统的应用，电动垂直起降飞行器构型发生了较大变化。为了更好地支撑构型发展，建立分析工具及基础数据库，美国发起了“NASA变革性垂直升力技术计划”（NASARevolutionaryVerticalLiftTechnologyproject(RVLT)。该计划开发的工具包含：飞行器概念设计与分析、飞行器与旋翼噪声分析、操纵品质/控制分析与评估、桨叶和机翼结构设计与分析等。在过去几年，该技术重点发展了以低排放和低噪声为目标的多学科设计和优化工具。研究者采用该工具以三种构型飞行器探索了电动垂直起降飞行器的重点研究领域，并依据研究实践提出电动垂直起降飞行器未来重点发展方向，如图7所示。

针对电动垂直起降飞行器总体参数设计当中方法缺失问题，Julia等基于传统燃油直升机重量、性能预估模型，针对电池重量不随飞行状态变化的特性，建立了二次循环的全机总体参数分析方法，并采用该方法分析了不同设计参数及电池能量密度、电机功率密度等对全机构型及性能的影响，如图8所示。可以看出，与常规直升机总体参数设计相比，主要差别在于多模式飞行状态需求增加及电池能量估算等方面。

除上述研究外，还有不少研究团队开展了矢量推力构型、常规构型、倾转共轴涵道构型电动垂直起降飞行器总体参数及机身、旋翼、机翼等设计方法。

3低气动噪声设计技术

当前直升机性能是悬停与前飞性能设计的折中，虽然开展了多种降噪设计研究但噪声依然较大，从而限制了其在人口稠密区域的使用。鉴于此，在2016年Uber发布的电动垂直起降飞行器发展白皮书中将噪声指标列为电动垂直起降飞行器广泛应用的一个重要的因素，并指出“电动垂直起降飞行器在250ft（76m）高度平飞时噪声应不高于67dBA。

电动垂直起降飞行器旋翼几乎都有变转速能力，且转速较高、桨尖速度更低、不同旋翼功能相对独立，因此其时频域噪声特性与传统燃油直升机具有很大不同。比如，传统燃油直升机在特定状态下会出现严重的桨-涡干扰现象，而电动垂直起降飞行器由于桨尖速度较低，桨-涡干扰噪声较小。

此外，与传统燃油直升机相比，除具有厚度/载荷噪声之外，电动垂直起降飞行器多旋翼、推进-气动一体化设计的特点使得其存在更严重的桨-涡干扰、桨叶-机身干扰、机身-尾迹干扰等多种干扰噪声，如图9所示。

多位学者针对电动垂直起降飞行器旋翼-机体干扰、旋翼间干扰、旋翼-机翼干扰对全机噪声的影响开展了系统研究。

根据电动垂直起降飞行器的噪声特点，其降噪设计主要围绕以下几方面开展：针对旋转噪声，可以通过增加桨叶片数、优化桨叶翼型、优化桨叶平面形状（桨叶厚度增加一倍，噪声增加6dB）、降低桨尖速度等方式降低。

在干扰噪声方面，对于多旋翼构型以降低旋翼间干扰噪声为主，可通过调整旋翼间转速、相位、旋转方向以及相互之间的距离降低干扰噪声；对于有机翼构型，可通过适当增加旋翼-机身距离、增大推力桨与机身等距离方式避免过大的推力桨/机翼尾迹/旋翼尾迹干扰噪声。

旋翼噪声是旋翼类飞行器全机噪声的主要部分，而旋翼噪声主要受拉力系数、桨尖马赫数、桨盘迎角、前进比等参数影响；其中，由于电动垂直起降飞行器创新性的构型，桨盘迎角和前进比对全机噪声影响降低。而为了满足全机多旋翼分布式布局的需求，电动垂直起降飞行器旋翼半径较小，造成桨盘拉力系数过大，因此降低旋翼桨尖速度是降低电驱飞行器噪声的几乎唯一途径。在降低旋翼桨尖速度的同时，为保证旋翼拉力能力，通常需要增大旋翼实度。

Farhan教授开展了低转速、大实度降噪旋翼设计。以不同俯仰角观测点噪声为基准，文章对比分析了不同实度下旋翼噪声变化曲线，如图10所示。可以明显看出在三倍基础旋翼实度下，悬停状态旋翼平面内噪声降低约16~24dB；5m/s爬升率下旋翼噪声降低约14.5~20dB；10m/s爬升率下旋翼噪声降低约12.5~16dB。

但同时需要指出的是，降低旋翼噪声会同时引起桨叶总距增加，这会增大旋翼需用功率，不同实度下旋翼需用功率随爬升率变化曲线如图11所示。

为验证低桨尖速度、大实度旋翼降噪方案的可行性同时为电动垂直起降飞行器旋翼噪声模型提供验证数据以支撑技术发展，Techsburg和AVEC等组成联合团队以4~5座电动飞行器为背景，开展了缩比模型旋翼噪声测量。试验中共设计了3套旋翼模型以掌握旋翼实度对噪声特性的影响，试验现场图片及模型旋翼示意图如图12所示。该模型旋翼桨尖速度为0.27Ma（常规直升机悬停状态桨尖速度约为0.6Ma）。

试验场地及噪声观测点设置如图13所示。

桨叶片数对旋翼噪声影响试验结果如图14所示，图中BPF代表bladepassagefrequency（桨叶通过频率）。从图14可以看出，桨叶片数越少旋翼噪声越大，特别是１阶桨叶通过频率噪声表现尤为明显。位于60°~150°范围内观测点而言，噪声相差约15~20dB。而对于2阶以上噪声，声压级差别较小。就噪声方向性而言，BPF=1时，2片和3片桨叶旋翼噪声以旋翼平面内单级子噪声为主。BPF=2/3/4时，以旋翼轴向的偶极子噪声为主。

分布式旋翼设计和低桨尖速度旋翼设计在带来全机性能提升和噪声降低的同时，也带来的全新的气动设计难题。例如，针对小半径、低转速旋翼带来的低雷诺数问题，传统的动量-叶素理论不再准确，急需发展新的高效的旋翼性能分析方法；电驱动飞行器旋翼多采用固定总距、变旋翼转速的操纵方式，这使得旋翼最优效率工作范围较窄。

针对上述问题，Zeune等建立了计及雷诺数修正的旋翼性能分析方法，大幅提升了小半径旋翼性能计算精度。文献[98]中，研究者基于BEMT方法，通过桨叶三维翼型扫描、修正翼型气动数据的方式，提升了旋翼在大迎角、低雷诺数下的气动性能。

电动垂直起降飞行器采用的分布式驱动的动力形式引起了旋翼和电机的动力学匹配问题。针对该问题，文献[100]中学者以综合匹配效率、推进性能最优、重量最低为目标，开展了旋翼与电机的联合试验研究，并获得了综合性能较优的旋翼动力学设计。

4、电推进技术

电动垂直起降飞行器的动力系统采用完全电气化的电推进技术，从能源系统的源头重塑了飞行器动力体系架构，是航空电气化发展的新方向和更高级阶段。电推进技术采用电能作为动力系统的部分或全部能源，包括油电混合动力、电池、燃料电池等，通过电机驱动升力和推进装置来提供飞行器所需的部分或全部动力，并通过顶层能量管理全面优化能量利用效率，有效降低飞行噪音和污染物排放。同时，电动力系统的功率特性对大气压力较弱的敏感性可显著增强动力系统的高原适应性，从而使电动垂直起降飞行器展现出较高的高原适用潜力。

4.1电池技术

电池的技术水平与各项指标直接关系到电动垂直起降飞行器的性能。锂离子电池由于具有较高的比能量、良好的循环稳定性、较低的自放电、无记忆效应和绿色环保等优点，是电动飞行器领域最有应用前景的储能装备。近年来国内外电动垂直起降飞行器，如美国的JobyS4、ArcherMidnight，英国的VerticalX4，国内的峰飞盛世龙、时的科技的E20等均采用锂电池作为能源。

电动垂直起降飞行器对锂离子电池的性能提出了更高的要求。当前电池单体电芯的能量密度最高水平在300Wh/kg左右，电池包的能量密度约为220Wh/kg，远低于航空燃油的比能量，勉强能满足小型全电飞行器短程飞行需要。电动垂直起降飞行器独特的运行剖面和任务循环以及苛刻的运行环境对锂离子电池系统提出了更高的要求。圈15给出了电动垂直起降飞行器和电动汽车对锂离子电池的性能要求的对比。可以看出，为了满足电动垂直起降飞行器的性能指标，需要全面提升电池系统的能量密度、功率密度、安全性、循环寿命等指标。

自20世纪90年代Sony将LCO(LiCoO2)阴极和石墨阳极的锂离子电池商业化以来，主流化学体系锂离子电池能量密度的年增长率约为3%，从2000年开始年增长率为4%。近10年来，其他几种阴极材料（如NCM、NCA和LFP）的锂离子电池逐渐商业化，使锂离子电池的能量密度提升了近三倍。图16给出了当前主流化学体系锂离子性能对比。综合来看，三元NCA(LiNiCoAlO2)电芯具有最佳的能量和功率性能，但成本较高，安全性最低；LFP(LiFePO4)电芯具有最高的安全性，但能量密度只有三元NCA和NCM(LiNiMnCoO2)电芯一半；相比之下三元NCM(LiNiMnCoO2)电芯的综合性能最佳，这也使得三元NCM电池成为当前电动垂直起降飞行器使用最广泛的电池。

固态电池具有比能量高、安全性好等优点，成为当下研究的热点。宁德时代2023年5月研发的凝聚态锂离子电池，在实验室获得了500Wh/kg的单体能量密度。美国NASA宣布其电池研发部门SABERS研发出全新航空级固态锂离子电池，能量密度达到500Wh/kg，可以在高温下持续工作。然而当前固态电池还存在固体电解质的导电能力低、电极界面离子传输能力低、固体电解质裂纹导致的锂枝晶短路、金属锂负极的安全性等问题。此外，当下的固态电池只能以很低倍率放电，距离商业化使用还存在较大的差距。

为了满足电动垂直起降飞行器极端的工作环境对锂离子电池提出的更严苛的性能和耐受性要求，锂离子电池能量密度、功率密度、便携性和安全性等方面需要进一步提升。因此，可以预见越来越多的研究将会致力于提升锂离子电池综合性能。目前主要的解决方案有：

①改进电池关键材料和结构，提高锂离子电池本身的稳定性，如添加电解液添加剂、隔膜设计和制备工艺改进、正负极材料及其结构设计、固体电解质设计等：

②电池与机身一体化集成，进一步提升电池结构效率和成组效率，进而提升系统能量密度：设计电池管理系统使锂离子电池在合适、稳定的工作窗口内运行，以电流、电压、电阻、压力变化和气体生成等参数作为特征参数进行监控，及早对热失控风险进行预警和干预：④设计电池热管理系统，使锂离子电池能够在理想的温度范围（25~40℃）内运行，同时针对锂离子电池热失控导致起火和燃烧的特点，研发高效的阻燃或灭火剂，进行消防系统设计。

4.2电机与电控技术

电机系统作为电推进系统中的核心动力单元，主要包括电机和电机驱动器，直接决定了电推进系统的能源利用率和推进效能。电动垂直起降飞行器对电机效率和转矩密度的要求较高，永磁同步电机是电推进动力系统很具前景的方案。当前电动垂直起降飞行器，如JobyS4、Archermidnight等均采用了永磁同步电机。根据磁场方向，永磁同步电机有径向磁通和轴向磁场两种主要类型。不同拓扑结构的径向磁通和轴向系统永磁同步电机如图17所示。

轴向磁通永磁电机对径向空间的利用率高，在长径比较小的场合，功率密度和转矩密度具有优势。由于轴向磁通永磁电机单位径向长度的功率由外向内递减，而径向磁通永磁电机单位轴向长度的功率是均匀的，在相同气隙面积和相同最大转子线速度下径向磁通永磁电机功率更具优势。受转子线速度限制，轴向磁通永磁同步电机多应用于十千瓦级至百千瓦级的直驱式推进电机系统。

电机控制器主要用于调节推进电机的转速和转矩，其控制响应精度直接影响飞行器推力控制精度。为了提高电机控制器控制精度，国内外专家学者从动态跟踪性能到抗干扰性能，从高速低载波比到大功率低开关频率驱动，均进行了建模分析并提出诸多改进优化措施。近年来，为了实现电动飞行器电机系统高压大功率下逆变器的高频化，新一代宽禁带功率器件逐步替代传统的功率器件。如GE、波音公司的电推进系统逆变器均采用了SiC功率器件，阿肯色大学设计的逆变器则采用了SiIGBT/SiCMOSFET混合模块。同时，为应对高电压等级和大电流，电机系统大功率逆变器采用多电平拓扑降低单个功率器件的电压应力，多电平拓扑降低了功率器件的电压应力，有助于进一步提高开关频率，同时降低了输出电压谐波，进而降低输出电流谐波。

目前，国内外应用于电动垂直起降飞行器电机与电机驱动器的研究均处于起步阶段，为了满足飞行器电推进系统严苛的综合性能要求，丞需进行技术创新与突破。新型电机材料、先进制造工艺和新型电机拓扑结构是提高推进电机功率密度、转矩密度、效率和可靠性的关键。大功率耐高温功率模块和智能化、高鲁棒性电机控制技术是电机控制器的重要发展方向。控制器与电机的物理集成以及综合优化、旋翼-电机一体化设计、高效综合热管理技术是实现电推进系统高度集成化和智能化的重要基础和必须解决的工程难题。

5、飞行控制技术

不同于传统单旋翼直升机，电动垂直起降飞行器采用分布式旋翼，构型更加多样化，操纵数量和响应差异性强，大大增加了飞行控制的技术挑战，图18给出了典型有机翼电动垂直起降飞行器所具有的操纵面类型。目前电动垂直起降飞行器控制技术研究聚焦于冗余舵面操纵与协同控制、多飞行模式鲁棒控制、故障重构控制、高安全飞控系统架构设计等方向。

图18电动垂直起降飞行器冗余操纵示意图

电动垂直起降飞行器具有旋翼转速、总距、机翼舵面等冗余操纵面，不同的操纵功效、精度、优先级等是影响操纵控制分配的关键因素。例如：旋翼转速和总距控制具有不同的响应特性，转速控制响应较慢，控制稳定性好，但容易带来电机动力学瞬态大功率响应；总距控制响应速度快，可实现较快机动。将旋翼转速和总距同步控制的方式应用于电动垂直起降飞行器，可以同时发挥转速在稳态操作控制方面的优势与总距在机动控制方面的优势，提高全机飞行控制效果。

针对操纵控制分配问题，目前冗余舵面飞行器的控制分配方法有直接分配、链式递增、最优化分配等。考虑操纵简洁、安全性、能耗等需求，电动垂直起降飞行器可利用广义逆、二次规划等方法求解最优控制分配方案，实现操纵功效、控制响应和优先级等综合优化。

电动垂直起降飞行器垂直起降、巡航飞行、过渡转换等多模式切换对飞行控制带来很大挑战，相比传统直升机更需要实现全包线飞行鲁棒控制。飞行控制存在气动特性及操纵响应复杂、操纵方式动态转换/控制通道耦合程度高等难点。国内外学者针对过渡过程气动分析控制开展旋翼气流矢量估计补偿、模型辨识等方法研究，利用动态逆控制、模型预测控制、多模型自适应控制等方法实现多模式稳定飞行控制。相关研究成果有力推动了电动垂直起降飞行器多模式飞行的动力学特性分析，提高了全包线飞行控制的鲁棒性。

电动垂直起降飞行器具备冗余操纵面，故障重构控制是保障飞行安全的重要手段。故障重构控制是指，操纵面故障飞行器构型发生改变的情况下，根据不同舵面功效、全包线操纵策略制定重构方案，利用其余旋翼和舵面继续稳定飞行。目前神经网络、多模型匹配、在线辨识、自适应控制等方法的灵活性和故障适应性较好，在故障重构机理和稳定控制方面取得了大量研究成果。

电动化是电动垂直起降飞行器飞行控制系统的重要特征，轻量化和高安全性是重要设计要求。电动垂直起降飞行器飞行控制电动化主要体现在其飞控指令通过高可靠大功率电作动器执行。电动垂直起降飞行器飞控系统取消了传统液压作动方式，并通过总线信号传输、一体化伺服作动器设计等小型化、集成化手段，实现轻量化设计。高安全性主要通过飞控系统部件的余度设计来实现，但更高的余度配置意味着更复杂的系统和更大的重量体积。电动垂直起降飞行器自身冗余操纵舵面配置在一定程度上可以提高飞行安全。因此，可以结合电动垂直起降飞行器自身高安全性的特点，从整机出发开展安全性设计更有利于实现飞控系统轻量化和全机性能优化。

面对低空城市使用需求，电动垂直起降飞行器飞行控制技术未来向着自主化、智能化发展。通过高级自动控制功能设计、深度学习、强化学习等方法，实现一键自主起降、智能避障、自主航线运行、智能边界保护与故障重构等功能，提高电动垂直起降飞行器自动驾驶和智能化水平。

6、适航技术

所有民用航空器均需获得适航性认证，对于电动垂直起降飞行器，取得民航管理机构颁发的型号合格证是其用于城市空中交通的必备环节。《国际民用航空公约》附件8“航空器的适航性”中给出了民用航空器型号合格审定需要的最低标准，各国可以根据实际情况制定本国的适航规章。电动垂直起降飞行器作为一种新型航空器，具有如前文所述的新颖设计特征，既不能作为一种适航审定类别，也不能归入传统直升机或固定翼的适航审定类别。目前各国局方对电动垂直起降飞行器的适航审定并没有统一的标准，欧洲航空安全局EASA、美国联邦航空局FAA、中国民用航空局CAAC适航法规标准对比如表6所示。

从表6可以看出，目前只有欧洲发布了针对小型的VTOL的统一标准和符合性方法，中国和美国根据每个具体电动垂直起降飞行器机型的特点进行有针对性的适航要求。针对电动垂直起降飞行器的适航审定体系架构设计，欧美采取传统有人驾驶航空器适航路线；而凭借无人驾驶航空器产业近年来蓬勃发展、无人驾驶航空器审定法规体系架构较完备的优势，中国民航局将无人驾驶电动垂直起降飞行器的适航审定纳入了基于运行风险等级进行分类管理的无人驾驶航空器审查体系。中国这种适航体系架构设计为不同设计特征、预期用途及运行场景的无人驾驶电动垂直起降飞行器以合适的安全性水平进行适航取证创造了有利条件。2023年10月13日，亿航EH216-S型获得中国民航局颁发的“正常类无人驾驶航空器系统”型号合格证，使其成为了全球首款获得型号合格证的电动垂直起降飞行器。作为无人驾驶载人航空器，亿航EH216-S无人驾驶航空器专用条件中要求其系统和设备满足每个灾难性失效状态的发生概率是极不可能的（10-9），并且不能由单点失效导致，但为了确保初期运行的安全性，EH216-S飞行限制在远程机组视线范围内。

全球电动垂直起降飞行器主流构型中，除多旋翼构型以外，复合翼、倾转旋翼、倾转机翼构型在垂直起降与平飞阶段均是采用不同的飞行模式，需要重点考虑全包线各飞行状态下发生推力系统失效和关键系统失效对飞行安全的潜在影响。电动垂直起降飞行器如用于飞越人员密集区域及载人商业运输，安全目标等同于商业运营的直升机，须满足持续安全飞行和着陆的要求，并在故障后能够继续飞行到原目的地或适当的备降机场。

电推进系统的分布式布置增加了单发故障时的安全性，但是带来了高压配电系统和电池系统的潜在风险（如热失控）。电动垂直起降飞行器使用的电池包之间应具有独立性并保证垂直起降时电池的耐撞性。对于电动垂直起降飞行器，NASA提出通过防撞雷达或视觉感知来进行碰撞预防的重要性甚于碰撞缓解设计，同时由于目前对其运行中的碰撞条件研究较少，降落伞或弹道回收系统（BallisticRecoverySystem，BRS）对电动垂直起降飞行器的碰撞缓解是否有效还需进一步评估。

传统小型航空器普遍使用机械操纵，而电动垂直起降飞行器高度电气化，普遍采用电传飞行控制系统，并与电推进系统相交联。国内电传飞控技术已应用在民用运输飞机ARJ-21、C919以及军用直升机上，但是现有的适航规章要求还不能完全覆盖电动垂直起降飞行器电传飞控系统新技术，如自动飞行、包线保护、驾驶员感知等。同时，电动垂直起降飞行器运行模式与传统直升机或固定翼有所区别，其低空高速低噪的运行场景带来了鸟撞风险的提升。

电动垂直起降飞行器适航技术的发展体现在对其安全性认识的提升，以证明电动垂直起降飞行器具有相当于甚至超过当前飞机和直升机设计的安全性水平。当前电动垂直起降飞行器的安全性分析主要采用基于系统工程的方法，通过分析系统的实现功能、架构组成和交互关系，建立飞控、电推进等关键系统的安全控制模型和功能危害性分析；后续随着技术发展和运行场景的丰富，可基于事故模型及过程进行整机级和系统级安全性建模，将控制缺陷、反馈缺陷和协调缺陷等可能给系统带来的风险和隐患的不安全致因充分转化为系统的设计输入和适航要求。局方和工业方可以共同建立针对整机及关键部件（如电池、电机、电控、电传飞控）的适航标准，以降低取证成本。

7、结 论

本文综述了电动垂直起降飞行器的技术现状与未来发展。首先介绍了电动垂直起降飞行器构型特点及不同构型的优劣势分析。然后介绍了电动垂直起降飞行器构型及总体参数设计技术发展与应用情况。阐述了电动垂直起降飞行器低气动噪声设计技术、“三电”技术、高安全飞控技术及适航技术现状及未来发展。

根据目前的研究，可以得出如下结论：

1、根据电动垂直起降飞行器构型在悬停、巡航状态的性能差异，顶层谋划电动垂直起降飞行器发展路线，多旋翼构型、矢量推力构型等构型同步研发，以满足不同场景使用需求。

2、分布电推进技术在提高电动垂直起降飞行器性能的同时，带来了更复杂的气动-推进系统耦合、推进-结构耦合等，进一步增大了分析的复杂性，如复杂的气动干扰；和更加强调多学科耦合设计。后续融合多学科的快速分析构型与总体参数设计方法将是发展重点。

3、由于全新动力系统的应用，低桨尖速度、大实度旋翼能够极大降低电动垂直起降飞行器噪声水平。与传统燃油直升机相比，电动垂直起降飞行器存在更严重干扰噪声。针对多旋翼构型主要考虑降低旋翼间气动干扰噪声；有机翼构型以降低旋翼-机翼间尾迹干扰噪声为主。

4、电动垂直起降飞行器多模式、多操纵冗余的特性带来复杂的操纵控制分配、飞行鲁邦控制问题。操纵控制优化分配和多模式自适应控制算法逐步应用到飞行控制当中。未来面向复杂城区使用环境的自主化、智能化飞控技术是重要发展方向。

5、锂离子电池是当前纯电电动垂直起降飞行器的主要储能装备，瞄准高能量/功率密度需求，先进的电池阳、阴极材料和电解液开发及电池-结构一体化设计是航空电池的重要发展方向。

6、永磁同步电机是电推进系统当前最多采用的电机类型，也是未来很具前景的方案。针对电动垂直起降飞行器低噪声设计需求，低转速、大扭矩电机仍是未来的发展重点，融合旋翼、电机、电控一体的化设计是发展趋势。

7、分布式多旋翼布置使得电动垂直起降飞行器构型百花齐放，很难提出统一的适航要求，目前正在取证的电动垂直起降飞行器多是采用“一机一策”的策略。从安全性角度来讲，建议采用从无人驾驶到有人驾驶的研发思路，不断提高关键技术技术成熟度，扩展飞行包线，加快推动在军、民用领域的应用。

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