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4月7日，中国民航局向亿航正式颁发了全球首张无人驾驶载人航空器生产许可证。这是全球eVTOL行业内首张生产许可证，是亿航EH216-S成功取得型号合格证（Type Certificate, TC）、标准适航证（Standard Airworthiness Certificate, AC）之后的又一里程碑，标志着EH216-S率先迈入规模化生产阶段。9 l1 N; j8 |* W
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; f& n. Q. w5 K5 U) S/ w' c亿航EH216-S是世界上第一种获准量产的eVTOL, \5 m/ j" T" j8 F; ~+ ?9 o
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EH216-S的最大设计速度为130km/h，最大航程30km，最大航时25分钟，最大起飞重量620公斤，具备自动驾驶、纯电力驱动及全冗余安全设计等特点，可通过智能指挥调度系统实现集群管理，计划首先用于低空游览、城市观光等，并逐步扩展应用场景。
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9 ~: e5 z) V: v0 P+ p- a低空经济是新质生产力的一部分。即使在信息和AI时代，交通依然是改变社会、改变生活的最重要手段之一。在地面、水面已经高度开发、高度拥挤的现在，低空还是处女地。低空飞行器回避了绝大部分地理障碍，极大增加交通容量、缩短交通时间，这是发展经济的新赛道。
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: Y; W) L/ V( ^8 s* a m" |EH216-S代表低空经济的开端吗？) E! [9 |% d! }0 Q
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一般认为，低空经济指1000米以下的通用航空相关的经济活动，在空域上是传统通用航空的一部分，但在意义上超过传统通用航空。9 k4 @9 F, c6 C7 D1 o9 K
% h( _% k: Z9 q传统通用航空指军事、准军事、商业之外的航空活动，包括航空运动、飞行训练、航拍航测、农业航空、空中广告、观光旅游、空中的士等，伐木吊运、线路维护等有时也算入通用航空。' l5 T9 T; t. K# p) b
5 V J9 `2 e1 E* J就飞机而言，滑翔机、轻型飞机、轻型直升机是常见的用于通用航空的飞机，多座（一般在10座以下）的小型客机和水上飞机也常算入通用航空飞机，热气球、飞艇、旋翼机、动力翼伞也可划入通用航空飞机。) E3 x' E% U6 t7 f9 M0 z2 y
8 f1 ?; e" @9 ]低空经济的主体则是eVTOL飞机，有望在传统通用航空之外，开拓空中通勤、空中送货、空中个人旅行等全新应用场景。卡尔·奔驰在1885年发明汽车，但这只是有钱人的玩物。亨利·福特发明流水线，在1908年推出T型汽车，不仅走入千家万户，也创立了汽车经济。汽车把美国推上工业时代的王座，也改变了世界。eVTOL和低空经济意在低空重现福特的辉煌。, O, A8 h' T+ T2 V8 ?$ s
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VTOL是垂直起飞-着陆飞机的简称，eVTOL当然就是电动垂直起飞-着陆飞机。
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自从莱特兄弟历史性的一跃，人们就着迷于不需要跑道的飞机。直升机、垂直起落飞机都不需要跑道，但各有各的问题，在本质上限制了使用。eVTOL开辟了全新赛道。
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直升机的复杂性在于旋翼要同时用于产生升力和推进力，伊戈尔·西科斯基发明的倾转滑盘天才地解决了升力和推进力的难题，但除了机械复杂性、可靠性问题外，因为后行桨叶失速带来固有震动问题，前行桨叶则有叶尖速度不宜超过音速而带来固有速度限制问题。旋翼还有反扭力问题，要么用对升力和推力没有贡献、纯粹吃功率的尾桨，要么用结构复杂得多的串列、并列或者同轴反转双桨。0 e5 A# Q; T( s9 }4 u' i' U3 w) t
- w6 O) m; v% `“鹞”式那样的升力-巡航发动机必须围绕重心安装，极大限制了气动布局；F-35B那样的升力风扇或者雅克-141那样的升力发动机气动布局相对灵活，但具有升力发动机/风扇的死重问题。
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( b3 m V$ g. `5 }+ S在某种意义上，这些问题都可以归结于集中式动力。从成本、重量和复杂性出发，发动机的数量越少越好。" p# Y p5 P$ Q( [
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对于直升机来说，即使多发多桨，也必须有联动轴确保所有旋翼的升力同步，或者在单发失效时剩余发动机继续驱动所有旋翼。即使V-22“鱼鹰”那样的并列双桨双发飞机，也不是简单化地左发驱动左桨、右发驱动右桨，而是左右联动的。
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4 `" v# G0 g a7 R& O% H( ~4 H. k对于垂直起落飞机来说，不管是“鹞”式还是F-35B、雅克-141，都只能单发，否则无法保证升力同步。
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eVTOL在很大程度上回避了这些问题。电动机重量轻、成本低，多旋翼成为可能，包括单独的推力螺旋桨。升力同步由冗余解决，推力既可以由倾转旋翼解决，也可以由单独的推进螺旋桨解决。
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EH216-S就是相对简单粗暴的多旋翼，采用8对同轴反转旋翼，没有专用的推进螺旋桨。同轴反转解决了反扭力问题，使得个别电动机或者旋翼失效的时候不会因为反扭力而引起问题。8对旋翼容许一对隔一对旋翼或者相邻两对旋翼失效，而能继续维持升力平衡，至少能坚持到安全降落。4 N4 C; ?9 N% _: n7 C+ O" k
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eVTOL主打低成本，EH-216-S也体现了这一点，但在设计上不乏巧思。旋翼是刚性双叶，便于在制造中整体成型，也容许减少上下旋翼的间距。由于速度范围不大，固定桨距就够用了，避免了可调桨距的复杂性。像典型多旋翼一样，没有挥舞铰，靠复材的弹性吸收桨叶的挥舞，推进动力靠向前进方向整体前倾实现。1 Z/ |' E* Y" D/ J7 S# r* B$ Y0 B
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上下对转不仅具有反扭力作用，还是天然平衡的。前行桨叶对空气的相对速度大，产生升力大，使得前行侧与后行侧天然产生不平衡升力。上下对转后，上下的前行侧正好相反，互相补偿。左侧上旋翼逆时针旋转，右侧顺时针旋转，也起到自然补偿的作用。左右两侧的旋翼臂略带上反，还提供自然的横滚稳定性。对于多旋翼来说，还包括纵滚稳定性。
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4 u# d1 U) z9 _8 g中国电动汽车技术和供应链在世界上遥遥领先，这使得亿航有条件借用动力电池、驱动电机、电池管理等关键技术，多旋翼的飞控已经是成熟技术了。这些都帮助亿航抢先推出世界上第一个商业化量产的eVTOL飞机。) D- z3 M7 j5 j; m7 ?
" h2 P4 X, m1 e9 z# V; C但技术上的可行性不等于低空经济的可行性，亿航能否成功还取决于切入点。4 H* s0 r. b' T, a" d+ d. `
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亿航以低空游览、城市观光为切入点，必须说，这有很大的潜在市场，但也有不易克服的困难。
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城市观光以大城市为主，空中视角确实是开辟旅游新赛道的好场景，问题是安全和扰民。0 ^, I: V9 Q9 P* R1 v8 ]; ~
; x& @* n. L) Q$ E; a1 c$ g3 C安全有两方面，一是eVTOL本身的安全性，二是空管。4 f. d5 N) T+ q- W. {6 T9 G
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eVTOL高度冗余，安全性在本质上有保证，进一步的技术进步也指日可待。但低空空管是个新问题。
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, }4 W: Q. b0 ~民航局可以发布各种规定，但具体空管还是要有具体机构负责。商业航空运输的空管由民航局分片负责，这是自上而下的国家队模式。城乡低空经济限定在限定空域内，这没问题，但在限定空域里是国家分片管辖，还是“地方交警”管理，这是一个问题。现在可以有国家队代管试点过渡，但就长远来看，还是需要在体制上解决。
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9 K2 ?: {% }: F) l, B低空经济与地面经济紧密相连，可能与地方交管相结合更好，还能与“灵活但有管理”的起落场管理有效结合。但地方交管如何具备相应资质和能力，是个不小的挑战。
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- }3 W) G, y8 z% ~% o+ W扰民是另一个问题。3 c8 _# f( [1 X- i3 m
, t6 V, \9 N8 T% H9 `$ L汽车便民，也扰民，城市居民对此已经深有体会。eVTOL也是一样。空中还没有街道，即使有航路管制，杂乱无章的eVTOL在视觉上扰民，噪声是更大的问题。
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; \5 r. w" l+ e! h! A直升机在欧美大城市已经不罕见了。直升机噪声的大头不是发动机，而是旋翼，所以eVTOL安静的电动机并不解决噪声问题。旋翼靠高速旋转产生升力，叶尖的线速度最高，可以接近音速，这是很大的噪声源。
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) F- y$ i% o1 ~- z) o4 ?增加旋翼直径可以降低转速，但叶尖速度并不显著降低，避免过度升力损失，所以对降噪的作用有限。多叶旋翼可以降低转速，但制造复杂，重量也大。$ R7 {/ q& ~; T9 J5 k
9 f7 N: ^: ~0 I! ^1 v: @但再折腾，噪声依然是大问题，频繁逼近居民住宅、办公楼、商家的话，噪声更加难忍。这可能是城市观光的很大限制。
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4 ~" V6 P- B. C5 W$ O: L( r景区观光也扰民，登山道、独木桥上已经前胸贴后背了，头顶上还常来刺耳的噪声，感受糟透了。美国大峡谷、夏威夷的直升机观光已经受到限制了，冰川上是因为没人、不扰民，所以还没有什么限制。/ Y; K& I) x* u/ p
! v1 ^- M- V8 O$ U$ g% [eVTOL的另一个场景是空中飞的和VIP通勤。在机场和城市CBD之间，确实有这样的需求。. Z& C+ s* {. o# K- D( o- k
8 v+ s# Z$ R P. C然而，比照汽车，观光、飞的、VIP通勤还是像卡尔·奔驰时代的汽车，还没有到亨利·福特时代。低空经济要成事，需要的是后者。这就需要开拓大众赛道，观光、飞的、VIP还是小众赛道。+ s6 k- l1 o8 I+ ~- Z# |& N
. f& d0 i2 _) G$ l7 S. ?在可预见的将来，家家户户一辆飞行私家车可能还不现实，飞行小巴是更加现实的大众赛道。回顾中国汽车的发展，也是从小巴、面的发展到私家车的。只是eVTOL需要大大增加航程、载重量，才能真正飞入这样的大众赛道，EH216-S这样只有30公里航程是不够的，由于民航局要求不低于25%的保留电量，实际可用航程只有22公里。
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' L* [; w6 ?- P多旋翼的入门门槛低，垂直起落性能好，但旋翼升力的气动效率低，速度、航程、载重量天然受到限制，发展的天花板较低。/ ~7 g' L, n: ]# W0 L, I: s+ g
, f$ ~% Z% I( S! l) c- B大翼展、大展弦比的机翼具有最高的升阻比，这在航空科技里是早就已知的。旋翼的直径有限，从桨盘边缘到中心的线速度逐步降低，气流条件则越来越远离自由空气，升力环境不仅复杂，还大大低于翼展、展弦比可比的固定翼。eVTOL要增加速度、航程、载重量，必然需要与固定翼有某种融合。也就是说，eVTOL需要向倾转旋翼和混合旋翼方向发展。
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倾转旋翼可以在升力状态和推力状态之间无缝转换，在理论上具有最低死重和阻力。电动机重量轻，成本低，eVTOL的倾转旋翼连旋翼带电动机一起倾转，连涡轴动力倾转旋翼的动力传递难题也避开了。倾转旋翼比多旋翼更容易与固定翼整合，平飞状态下，固定翼提供的升力降低旋翼产生升力的要求，气动效率和经济性较高。* G \, x# e+ H6 c8 L6 @
; H: h! D0 _/ T$ K; t2 k倾转旋翼有全倾转旋翼和部分倾转旋翼。前者所有旋翼都可倾转，后者部分旋翼倾转，其余是固定的升力旋翼或者推力旋翼。
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* X( u! B+ y% k1 x: I但倾转旋翼需要考虑前旋翼对后旋翼的下洗气流问题。后旋翼处于前旋翼的下洗气流中的话，旋翼效率守到很大影响。要避开前后影响，前后旋翼需要在高度上错开，增加了总体布局上的挑战。
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9 B0 ?% S) t1 p$ U. R7 w1 G' K更大的问题是：升力旋翼和推力旋翼有很不相同的要求。升力旋翼需要很大的出力，推力旋翼的出力要求低得多。以固定翼飞机作为比照，垂直起落飞机需要大于1的推重比才能垂直起落。但滑跑起飞的话，波音777-200ER在最大起飞重量时，起飞推重比只有0.285。巡航状态下，速度大大高于起飞速度，推力只需要起飞推力的20-30%。这就是机翼气动升力的力量。% w9 O, z+ U0 U6 s/ z" ?
( }5 D" r1 n v: A- r# t& O但倾转旋翼需要同时为垂直起落和巡航而设计，这是困难的折衷。为了降低旋翼直径，垂直起落时升力只能用加大转速补偿的问题，容易进入涡流环状态（可以理解为旋翼在空气中“打滑”，再增加转速也不能实际提高升力）；但在巡航状态下迎风阻力依然太大，推力大大过剩。; C4 J! @+ _* X! r5 j1 R! P, W
4 ?. N3 v5 x, Y6 u( Z倾转旋翼直径的另一限制来自滑跑起飞、着陆状态。在有条件的时候，滑跑起飞、着陆可以大大提高重量，但要桨叶触地问题限制了旋翼直径。8 ]1 j+ K( O: f: m% a, o( R$ G
+ R! `* o' E) w K2 U7 Y0 J在这些问题没有解决之前，倾转旋翼容易沦为“看起来很美”的方案。" R9 U3 c5 r5 c. r6 U9 L
0 \ u# l( B6 E混合旋翼用分别的升力旋翼和推力旋翼，升力旋翼一般安装在翼下“雪橇”上，提供“四立柱”升力；推力旋翼的安装位置则比照一般的螺旋桨飞机，既可以拉进螺旋桨，也可以推进螺旋桨。
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( ^1 p3 u) V# K这看似笨办法，实际上避免了倾转旋翼的困难折衷。升力旋翼在平飞状态下锁定在前后方向的顺流位置。eVTOL一般速度要求不高，巡航时不出力的升力旋翼并不导致太大的阻力。; j8 ~8 K" n8 E
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3 N6 J' X5 \2 o, q1 b巡航状态的Elroy Air Chaparral无人机- {' l+ R9 M+ }, v2 ]/ Q
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本田eVTOL是载人的，还采用涵道推进尾桨，降低巡航噪声
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& E2 D$ O# L% y& Z6 J! p* ?$ I/ PHL-25则结合了大翼展、大展弦比机翼，长航时巡航能力显著提高% e3 k" y6 x: o
* ^4 s+ P0 T% M& E; S7 Y3 [9 T混合旋翼最大的好处是：除了翼下的“雪橇”，可以较充分地利用固定翼气动布局的成熟经验，在保持垂直起落优点的同时，达到近似固定翼飞机的巡航性能。在有条件时，也便于滑跑起飞、降落，进一步降低能耗，增加载重量和航程。
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4 r. v" t" C# g4 H“雪橇”有简单粗暴地直接安装在翼下的，“雪橇”前后各有若干升力旋翼；也可以与某种形式的串列翼相结合，前后机翼在平飞中同时产生升力，提供天然的襟翼、副翼、鸭翼位置，具有全套常规气动控制，还改善机翼和机体的受力设计。# r4 S) K4 f, c7 E; l
& T/ z) @. P4 q4 C6 a2 |混合旋翼eVTOL的空中小巴不仅可以用于城市交通，还可以用于山区、海岛、水网地区的通勤，充分利用空中交通不受地形阻碍的优点，极大便利和加速人们的交通。" C- A# A( L% d' k: r
- |' u* M6 _1 }0 L3 Q3 `" Y9 `$ E与多旋翼和倾转旋翼相比，混合旋翼更适合空中小巴应用。
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载人飞行需要一定的航程和留空时间，否则没有意义。但超出载人飞行的话，多旋翼、倾转旋翼、混合旋翼的优缺点就要另外来看。多旋翼的优点是垂直模式，特别适合拔地而起但只有短距离横向机动的飞行模式。混合旋翼的优点是巡航模式，特别适合较长的巡航距离和留空时间。倾转旋翼居中。
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如此看来，空中快递是低空经济另一个可能的方向，这也是与载人飞行完全不同的问题。( G( b2 ?1 @' F7 y8 \* h% f
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空中快递有不同场景。有的面向高价值、时间敏感、取件和递送距离较长的货物，有的则面向一般价值、多用户的高效递送。前者与载人eVTOL的要求相似；后者对使用灵活、占地小、垂直性能好、载重量适中有更高要求，但对航程、留空时间要求不高，多旋翼反而最合适。
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; a0 j; z f" P- u, |, d# T在这样的场景下，快递卡车开到目的地附近，同时放飞若干送货无人机，直接送到多个住户的敞开阳台或者门口，可以大大提高递送效率。另一个办法是在楼梯间开设无人机专用的飞入、飞出窗口，沿楼梯往上飞，到住户门口放下货物，然后原路飞出，返回快递卡车。这对于楼梯间通常无人使用的高楼更加适合，居民通常用电梯上下。+ Y! f Y! o" B% H
+ m! s& L1 e3 j, I2 a+ o无人机返航到快递卡车的时候，正好充电，甚至可以换电池，准备下一次使用。3 d+ n7 p: Z- L5 F2 b) x
( ~& |$ }5 |: X# @( B* t这样的多旋翼无人机在技术上已经成熟，也是更接近实用阶段的低空经济，障碍在于法规和管理，而不是技术。5 x$ ` g5 E; u, p
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低空是待开垦的处女地，低空经济大有可为。低空飞行器与无人机的关系更紧密，中国是世界上无人机超级大国，中国电动汽车也提供了现成的电池、电机和电控技术，亿航EH216-S只是起点，低空经济的时代正在到来。: k- z) ?; Y- U' q: u. [9 {
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发表于 2024-6-30 11:31:07
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