eVTOL（Electric Vertical Take-off and Landing，电动垂直起降飞行器）作为新一代航空革命性飞行器，是新概念、新能源、新材料、新技术的集合体，是未来城市空中交通市场的主流方案，已在全世界范围内引起了研发的热潮，成为国际航空科技创新竞争的新赛道。由于智能技术应用、起降方便、电气化、低噪音、低排放、巡航效率高、保障要求低、更加便捷安全等优势，在城市内部、城郊及城际范围内进行空中交通运输作业，能够无缝衔接城市地面公共交通与轨道交通，可取代直升机大部分用途，拓展低空旅游、空中物流、消防救援、医疗救助等更多应用场景，未来发展前景十分广阔，将开创人类航空新纪元。 

   一、eVTOL的技术系统概述

　　eVTOL是电动航空技术、无人驾驶、人工智能、信息通讯等相关领域的跨界技术融合其设计、研发、制造、测试及认证是一个涉及业面广、产业链长、关键技术多的复杂系统工程。eVTOL定位为面向城市低空和智慧出行的第三种交通运输工具，在人口密集、地表复杂的城市上空飞行运行，而城市空中交通运营场景高度电动化、高度自动化、极高安全性的特征要求，对eVTOL的巡航速度、续航里程、座位数/有效载荷重量、安全性等方面提出了极高的技术标准。 

　　eVTOL是典型的高复杂度、技术密集型产品，是包括总体设计、气动设计、混合动力、复合材料、飞行控制、分布式电推进及航空电子等关键技术的综合集成。eVTOL技术系统包含能源系统、动力系统、飞控系统、导航系统、通讯系统及整机结构等，需考虑气动结构一体化、能源综合管理、集成优化设计、安全可靠性、结构轻量化、适航认证等多重因素，开展多学科分析耦合与优化设计研发，在飞行控制、电池技术、气动布局、自动感知、卫星通讯、复合材料、智能软件、算法算力、自动化技术、降噪技术等方面取得突破，以实现总体结构、推进动力、飞行性能、数据传输、智能驾驶、安全冗余等的最佳优化组合。 

　　eVTOL与传统飞机不同，高度复杂、精密的传统航空发动机被绿色、零排放、大大简化的电池系统所取代，同时半导体芯片、ICT、人工智能和传感器技术的发展还促进了其与无人驾驶技术的交叉融合。eVTOL发展有赖于航空、通信、计算机、材料科学等跨领域的技术突破和融合创新，在总体设计、研发制造过程中需要在功能、安全性、性能、研制和运行成本、研制风险等方面寻求平衡，并寻求尽可能优化的技术方案和实施路径，这也是eVTOL主机制造商最重要的核心技术和技术壁垒。 

二、eVTOL的总体性能特征

　　围绕eVTOL目标用户高效、舒适、实用、环保等核心需求及应用场景，结合主流eVTOL研制进度与测试状况，eVTOL的基本性能体现为巡航速度、巡航高度、续航时间、最大航程、最大起飞重量、有效载荷等指标参数，总体而言具备以下七大总体特征才能真正投入商业化应用。 

（一）飞行安全性

　　eVTOL运行场景是在人口稠密的大城市或城市群内部，由于运行场景的复杂性、空中运行的风险性、运营环境的不确定性，足够高的安全性是前提条件。由于eVTOL用电池代替燃油箱、用电机代替发动机、用旋翼取代螺旋桨，采用分布式动力系统、自动避障、自主驾驶、敏捷机动以及冗余配置、应急恢复等技术，或配备整机降落伞，大幅提升了飞行安全性。关于eVTOL安全参数，美国FAA第23部分认证要求是使发生事故的概率在千万分之一，而欧盟EASA要求的是十亿分之一的事故率。为确保eVTOL各系统安全性需求，应创建全生命周期的仿真模型，开展持续性的安全评估与安全改进，全面构建安全机制以有效应对障碍物、恶劣天气和复杂地形等风险因素，以避免执行任务过程中潜在的安全性威胁，从而保证eVTOL安全性需求。 

（二）运行可靠性

　　由于运营环境复杂多变及现有技术限制，eVTOL实施机动性载人载物或特种作业，面临着低空空域、智能飞行器、运行场景等安全风险，对运行可靠性提出极高要求。电气化的eVTOL简化了传统动力及传动复杂的机械结构，突破了传统构型的限制，其运行可靠性功能包括不限于结构完整性、受控的移动（飞行、导航、通讯、减缓）、产生和分配动力（存储、产生、分配、状态监测）、容纳乘客、信息安全、危险缓冲（坠撞防护、降落伞救生功能、探测防撞功能）、充电/供电功能（能源储存功能、发电功能、供电功能）、环境监测功能（动力失效、热失效、漏电、功能分配、架构减缓等）。eVTOL主要采取纯电推进和混电推进两大类型新能源动力系统，应用分布式电力推进（DEP）技术耦合、碳纤维复合和钛合金材料制造等，通过创新设计推进机身集成，优化机体设计与布局，以提高推进效率、减少飞行器阻力、提高升力或控制能力，同时减轻整机重量，提高载客人数或载货重量。 

（三）绿色环保性

　　eVTOL可以减少城市内的交通拥堵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。eVTOL绿色环保性能主要体现为采用新能源应用的DEP系统与降噪技术。由于噪音过大，许多城市的大部分地区都禁止了直升机飞行，eVTOL噪音小的优点将使其尽可能地飞到社区中心，延长eVTOL在城市内的运行时间。各国也对经过人口稠密区的飞行器噪声有严格规定，eVTOL要想实现大规模商用就要做到飞行时足够安静。随着电动航空技术的发展，电机噪声相对于燃油发动机已经显著降低，而气动噪声则难以降低，起降时的噪音控制是一个重要的设计要求，停靠站点的选择也直接决定了飞机起降噪声对周围环境的影响。 

（四）运营经济性

　　只有依靠大规模商业化应用，eVTOL才能降低生产成本和运营成本，才能带来长期的市场优势和竞争力。相对于直升机，eVTOL 拥有更少部件，更易于维护、飞行更安全且操作成本更低，无论是设计、生产、维护、运营都降低了成本。目前，eVTOL生产成本主要是电池成本与复合材料制造等，运行成本主要包括拥有成本分摊、飞行成本和维护成本三项。电池单项成本最高，轻量化、低成本的机体复合材料、集成结构生产和结构维护也是实现量产必须克服的困难。eVTOL的有效载荷直接关乎未来运营的经济效益，要真正开展规模化、常态化运行，要在最低能源使用量、维护要求和飞行时间之间、更高载荷或更多乘客与更大起飞重量及噪音之间取得平衡。 

（五）智能自主性

　　eVTOL智能驾驶技术主要包括感知、决策和控制三部分，可实现对低空气象环境的感知、决策与控制，以及在遇到不确定情况或错误时，能够快速实现应急恢复与安全降落。为了实现全自动运行，飞行控制系统必须具有更高的复杂度和极高的容错性能，这需要海量的容错逻辑链条来支持eVTOL高度自动化运行，目前重点着眼于人机混合决策技术，同时深入探索各类先进智能化控制理论的应用，如专家系统构建技术、基于神经网络的控制技术、综合的信息感知技术及快速在线辨识等先进的控制技术，推动基础理论向工程化应用的转换。随着计算机视觉、机器学习、边缘计算、物联网、云计算等新型智能化技术的变革进步，eVTOL将成为生物智能的自学习、自诊断、自适应、自组织、持续演化的有机结合，具有自我感知-认知-决策-控制-执行的能力。 

（六）适航符合性

　　eVTOL取得各国航空管理局认证是实现商业化最难的重要关口，也是现在最不可预测的重要因素。各个国家对于新型商用航空器认证的流程可能不同，但无一例外的严格。不同eVTOL主机制造商的设计思路、技术路线均有不同，且各有千秋，其但都需要在有效载荷、噪音、动力分配、安全性等多方面因素中取得平衡，这就要求设计研发时在功能、安全性、性能、研制和运行成本、研制风险等方面权衡，并建立以适航认证为目标的适航管理系统、质量管理系统、生产管理系统和安全管理系统，通过航空主管部门的审定流程与符合性认证。 

（七）体验舒适性

　　载人eVTOL除了航程、巡航速度、安全冗余等要求外，还应让乘客感受到高效、便捷、舒适的飞行体验。eVTOL乘客的飞行体验，主要与安全信赖感、乘坐质量、飞行稳定性、舱内噪音、座椅设置、乘客视野、隐私保护等密切关联。相比传统飞机，乘坐eVTOL改变了“机场到机场”的传统航空运输方式，可以实现数字化出行、城内及城际空中交通“门到门”，无缝中转，行程时间更短，通勤效率更高，干扰噪音小，沉浸式空中观光更佳，以及环保可持续的零碳飞行。在技术成熟条件下，eVTOL乘客都希望尽可能高效、舒适地到达目的地，使用体验与垂直机场的站点分布、飞行航线沿途景观，城市及区域可通达性、与地面交通的“零距离”接驳等航前航后因素高度相关。 

三、eVTOL亟待突破的关键核心技术

　　eVTOL制造商采用分布式电驱技术、智能驾驶飞行技术、安全冗余技术、轻量化技术及降噪技术等关键技术，还需重点解决态势感知与避障技术、智能驾驶技术、低空航线网络、电池技术等核心技术，以实现长航时、大航程、零排放、低碳化、低成本、大载荷等研发目标。 

（一）高敏度的态势感知与空中避障技术

　　eVTOL感知与避障技术具有实时机动避障决策功能，主要包括空间复杂环境下的多障碍物探测和分类、障碍物定位及路径预测与碰撞风险分析、避障策略选择和航线重新规划等技术，涉及感知传感器构型设计、多源信息融合、智能目标识别、障碍物危险评估与避障决策等诸多领域。现有eVTOL制造商一般通过加装ADS-B、TCAS等空中防撞设备来解决自动安全间隔保持能力、规避周围危险能力。当前，针对城市地形地貌复杂、建筑物及附属设施众多、局部气象条件多变、电磁环境恶劣、鸟群飞行等情况，根据几何空间相对运动矢量进行避障决策、利用无碰撞路径规划代替避障决策、人工智能算法进行避障决策、建立城市低空环境仿真模型等技术路线还需攻克，通过快速监控检测潜在障碍物、及时提前改变航向避开障碍物等eVTOL避障技术还不成熟。 

（二）高精度的低空智能驾驶技术

　　eVTOL智能驾驶技术应能借助视觉、红外、激光雷达和毫米波雷达等新型传感器，采取极简操控方式（SVO)，通过融合多种传感器增强飞机的环境感知能力，综合运用AI、大数据等新兴技术对已感知的环境进行智能决策分析，并利用电传操纵系统建立的良好控制基础，最终让整套飞行操控系统具备无人驾驶的自主飞行能力，是一个从辅助驾驶、半自动飞行再到最终的全自主飞行的递进过程。eVTOL自动飞行（包括自动导航、自动位置报告、自动应急等）性能，可在空中不确定的复杂气象环境条件下实现自动驾驶、安全操作的智能驾驶技术还需逐渐演变进阶。 

（三）高韧性的低空航路规划设计

　　结合城市及城际的低空运行环境，eVTOL要安全运行必须解决低空航路规划与设计问题，创建灵活机动、富有韧性的低空航线网络系统，以满足大规模、常态化城市空运场景需求。国内外相关机构或专家基于风险规避、四维航迹、城区风险地图、融合人员密度因素等角度对无人机路径规划方面开展了探索，为拓展城际摆渡、低空旅游、空中快递、应急救援等民用场景，关于精确规划建设低空导航点和导航路线，创造多层级叠加的空中高速公路，既考量安全裕度的城市环境模型，也要能在飞行中再依据风险环境的变化动态调整飞行路线，还要对低空航线及路径进行风险评估，并能够及时响应需求、数量、技术、商业模式和应用的变化，使获得适航认证的eVTOL与无人机、民用客机同一空域融合运行的eVTOL低空航路规划设计仍在技术开发完善。 

（四）高能量密度的新能源电池技术

　　eVTOL由电池为动力系统和机载系统提供能量，电池性能是制约eVTOL发展的关键因素。而现有的电池技术仍有欠缺，其密度与安全性都需要进一步突破，否则eVTOL将面临有效荷载低、航程短、续航时间短的发展局限。当前电池技术还不能完全达到满足eVTOL对运行场景的航程、生命周期、快充技术和能量密度等水平，电池供应商追求高能量密度、高功率密度、快速充电、长循环寿命和高安全性等多方面平衡，eVTOL主机厂商开发人员研发时权衡各种指标。目前，锂电池技术相对氢燃料电池技术更成熟稳定，目前能量密度比最高，绝大多数制造商采用锂电池，但是锂电池能量密度的提升需要持续技术攻关。氢燃料电池能量密度比要低于锂电池，但是其功率密度较低，瞬间放电能力较差，还需要继续发展。另外，由于太阳能辐射限制较多，所以实用性不高。 

四、当前eVTOL面临的发展瓶颈

　　eVTOL面向实际运行场景，要应对空域管理规划、基础设施、法规与标准建设、噪声以及社会和公众影响等各方面的挑战，最终才能实现安全、环保、高效和可持续发展。 

   （一）城市低空空中交通管理

　　由于城市区域空域资源的边界模糊性及城市建筑物、地形地貌、电磁环境等空间差异性大，因此支撑eVTOL运行的低空空中交通管理相当复杂。面对未来数量庞大的eVTOL规模化、常态化运行管理需求，必须基于5G通讯、北斗星基导航等技术，考虑城市低空空域运行模式、航空器自动化智能化程序、空中交通流量规模等因素，提供空域分配、航线管理、容量管理、流量管理、空中交通管制、飞行监视、电子围栏、气象预报、飞行情报、安全管控等空中交通服务，建立有人机与无人机融合运行、目视飞行导航与无人驾驶飞控兼容、民航空域管理系统与低空交通管理系统协同交互的城市低空运行系统，以实现数字化、网格化、无人化、自动化的监视、控制、调度、预警与监管，以保证eVTOL在城市低空空域系统内全流程、集群化、多任务的安全高效有序稳定运行，探索构建具有空域精细化管理、航路动态化分配、态势数字化监控、安全风险精准化处理等功能的高效、安全、统一的数字低空运行管理体系。 

（二）服务应用场景的地面基础设施

　　地面基础设施是eVTOL应用场景中重要的组成部分。垂直起降机场是城市空中运输网络的关键节点，包括起飞降落区、停车场和航站楼，设置机场信标台、通信导航等设施以及机场气象站等设施，为eVTOL运行提供起降场地、充电及维修、管理控制终端、空地交通接驳等功能。国内外就垂直起降机场的规划与布局已开展了初步探讨，提出了不同思路，航空创新机构相继提出若干创新概念并开展试点实践，例如Uber的空港（Skyport）概念方案、Volocopter与Skyports的volo-port设计方案、Lilium的模块化垂直机场vertiports、Joby Aviation的“垂直起降港”设计方案等，以及新加坡建设了第1个Volo-Port，亿航在广西贺州建设了专用航站楼E-port、英国考文垂的城市航空港枢纽“空中一号（Air-One）等。虽然EASA发布了世界上首份《垂直起降飞行器机场技术设计规范》，FAA发布了Vertiports垂直起降机场设计的初始标准，但尚未有能成熟落地的系统化整体解决方案。 

（三）相关适航认证及监管的法规标准

　　城市空中交通属于强监管的航空业，eVTOL的发展必须以政策和法律监管体系完善来牵引。航空主管部门器的初始适航与持续适航管理必须贯穿eVTOL从设计、制造、试验、试飞、使用、维修和报废的全生命周期。eVTOL的研制与运营必须置于法律规范的监管之下，但目前与之相关的产品、人员、运行、责任、权利、登记、环境、安保、保险等方面的法律规范及民航规章还是欠缺。EASA对eVTOL的要求最为严格，采用了与行业实际发展密切相关的循序渐进的方法，先后颁布eVTOL的特殊条件文件法、符合性方法以城市空中交通运行规划提案。FAA采取的是比EASA更为具体的认证方案，对eVTOL的适航审定仍然是以23部为基础，外加适用的专用条件，努力为eVTOL制定出一条获得认证的确切路径。中国民航局近年来相继发布无人驾驶航空指导性、规范性文件及技术标准，建立了无人机适航管理系统，并开展试验区先试先行，颁布了亿航EH216-S合格审定专用条件，已受理峰飞科技V2000CG的TC申请，推进制订CCAR-92安全管理规章。各国航空监管部门及国际组织为确保安全性，对无人驾驶自动飞行载客eVTOL的适航审定都十分谨慎，应加强国际交流合作，统一认证标准与监管方案，建立全球通用的针对eVTOL的全新监管体系。 

（四）社会认知和公众接受度

　　社会认知和公众接受度是eVTOL成功应用的重要门槛，必须减轻人们对eVTOL安全、噪音、视觉污染和隐私的担忧。由于eVTOL的安全性、便捷性以及经济性还需要更长时间的验证、自动驾驶的eVTOL在短时间内无法获得公众的信赖等原因，让公众接受全新的移动方式、登上空中出租车绝非易事。据2021年EASA发布的《欧洲城市空中交通社会接受度研究》结果，83％的受访者对城市空中交通持积极的初始态度，其中71％的人准备试用城市空中交通服务，但也对安全性、安保性、噪音和对野生生物的影响等潜在问题感到担忧。eVTOL舱外对社区居民的噪音干扰、对乘客的舱内降噪、与其它城市交通运输方式的无缝衔接等都影响着客户出行体验。同时，随着eVTOL在货运和递送等领域的应用增加，对住宅区居民生活的影响以及监管是需要克服的难题。 

　　eVTOL研发、制造及运营涉及的环节众多，从测试飞行、监管认证、生产设施，需要制造商、运营商、通信系统服务提供商、数据服务提供商和监管机构共同协作，推动eVTOL的设计优化、技术迭代、数据积累和性能升级，以推动构建成熟、完善的城市空中交通产业生态。 

　　注：本文系2021年四川省软科学项目“城市空中交通产业生态系统战略规划研究” （2021JDR0243）研究成果，发表于《空运商务》2022年第10期。 

　　（作者：张洪，中国民航局第二研究所研究员，caaczh@163.com ）