全球已发布的eVTOL设计概念很快将超上千个,一些方案为了更好获得投资,其宣传的设计指标都是非常优秀甚至是世界一流的,但是因为各种现实问题,有些指标可能数十年都实现不了,这给需要了解实情的人(招商引资、供应商、投资机构、运营商等)带来了困扰。eVTOL最关键的两个指标是载重系数、满载航程。比如某公司在宣传的时候可能会说最大载重能力有500kg,最大航程有300km,但实际上这两个指标并非可以同时达到的,只是一种宣传手段。光看任何一个参数都是片面的,必须将这两者结合起来分析。本文提供了一种简易的数据分析方法,可以快捷的识别出eVTOL的指标现实度如何。图↑ Wisk Cora第五代
这里引入一个载重航程系数C=(最大载荷重量/最大起飞重量)×(满载航程/100km),这是从做功有效性方面来考虑,并进行对比。该方法针对固定翼eVTOL进行统计,数据统计可以看到行业的综合能力平均水平以及一些趋势,拥有较好的参考意义。大部分eVTOL公司都不太愿意公开自己飞机的真实数据,但也有少数企业研发情况透明度比较高,其性能数据有论文及专业访谈等信息透露。这些主要有:Wisk、Archer、Supernal。从表中不难看到,这几家载荷航程系数都不高。Cora为复合翼,Maker为复合倾转,两者采用的电池能量密度接近,理论上升阻比应该是全倾转>复合倾转>复合翼,但是采用复合倾转的Maker的C反而更低,这个主要原因是Maker需要赶时间,设定了一个易于实现的目标,其设计开发时间远不如Cora那么久,Cora也是2022年第五代改进后才达到100km航程的,此前航程只有40km,对应的载荷航程系数C=5.9%。Maker还没有优化到位就基本停止发展了,只用于验证一些技术,暴露出的问题在后续认证产品Midnight开发中得以修正并提升性能。
现代集团的Supernal S-A1设计是非常保守的,发布时间也更早,其电池甚至计划采用当年汽车的电池,能量密度只有不到130Wh/kg,类似思路的可能还有大众等飞行汽车项目。S-A1设计载荷航程系数与Wisk和Archer接近。最新上任的美国联邦航空管理局(FAA)局长就是Supernal公司的前首席商务官。图↑ 现代集团Supernal S-A1
上面表格中的eVTOL电池能量密度基本在130-170Wh/kg左右,如果整包后的电池能量密度可大幅提升、气动效率再进一步提升、进一步降低系统和结构重量,整体的载荷航程系数有望提升为原来的两倍,即C值理论上可提升到30%,当然这个难度不小,后面也要讲到。
图↑ Archer Midnight 首机
Archer 的Maker和Midnight几乎每年都会更新设计指标,由于美国的上市公司一旦发布虚假数据导致投资者损失,赔偿代价巨大,其数据可信度相对较高,分别如下:一般先发布的性能数据可能都是比较乐观的,随着系统设计的细化,指标都会有所下降(比如全机重量增加了),这是正常情况。改进后的Midnight性能确实比Maker有了很大的进步,其载荷航程系数达到了22.9%,不过依然没有超过30%,毕竟机翼后方的固定升力旋翼的阻力依然很大,整包后的电池能量密度也不是很高。
图↑ JOBY S4 生产原型机(已经交付美军)
再看JOBY的情况,JOBY在过去10多年基本都是保密状态,在上市(2021年上市,红线分割)前后才开始发布一些数据,我们可以看看其历年来的指标变化:
前期发布的指标是可以带5人飞行240km,然后实际研发中,要达到这个目标,飞机重量增加也多,电池压力巨大,国外也有专家计算了S4在满载情况下根本不可能达到设计航程。最早发布的指标,载荷航程系数为58.1%,看起来相当优秀,而在2023年的生产原型机发布时,飞机即使已经进行了大量的气动优化、结构减重、系统减重、加大电池容量的设计,最后满载航程也只能保证160km,相比最初的宣传的C指标降低了48%。由于JOBY S4是全倾转设计,没有固定升力旋翼阻力拖后腿,其载荷航程系数达到了30%,这可能是当前技术水平所能达到的一个较高的点,要能实现最初宣传的50%以上,可能还得新的技术革命。
然后我们再来看看几个宣传性能特别出众的eVTOL代表,其设计的载荷航程系数是远超过当前优秀代表JOBY S4:
图↑ Beta Alia 250垂直起降型
图↑ Beta现在主推电动常规起降
Beta公司的Alia 250飞机进展非常缓慢,悬停过,试飞了2年多了,但是其实95%以上的时间都是滑跑起降飞行而已。他这个指标实在太优秀了,必须是气动性能为JOBY的2倍(升阻比30),同时电池性能也得是其1.5倍(整包后电池能量密度350Wh/kg)才能实现,或者气动特性相同的话,电池性能是JOBY的3倍(700Wh/kg)才能实现。升阻比2倍于JOBY S4的话,那样的飞机外观是什么样子呢?需要超大展弦比的机翼,像滑翔机一样,升力旋翼也得在巡航时藏起来减小阻力。在众多质疑声下,Beta也觉得自己目前圆不了这个牛皮,在2023年3月宣布要优先发展CX300 eCTOL(去掉升力组件的电动常规起降版)并计划于2025年取证,也就是说其垂直起降型排后面去了,甚至可能遥遥无期。图↑ Lilium Jet
毫无疑问,Lilium的指标已经被多方面指出在当前也是无法实现的,由于Lilium已经是上市公司,不能再一味欺骗投资者,长期没有进展导致股价低迷甚至面临退市危机,于是提出了短距滑跑起降解决方案,能达到一个相对理想的航程,降低投资者的怒火。似乎没什么用,还是靠腾讯救了一把。
Ascendance ATEA有8个机翼大洞,别说气动性能优秀了,能达到常规机翼飞机升阻比的80%就非常不错了。不过,这个eVTOL采用的是燃油混合动力,由于燃油的能量密度是电池的数十倍,达到这个系数应该是可行的。
所以现在,你只要拿个计算器简单算一下,就大概知道对方说的eVTOL指标可实现度如何了。
注:文中很多数据来自访谈节目,会与其他一些官方数据不一致,虽然对于数据趋势影响甚微,但不可作为标准数据用于商业目的。
其他参考链接:
Wisk的设计变革:从第1代到第6代
Archer Midnight设计简析
JOBY S4 量产原型机的重大改进