eVTOL转换飞行的挑战‍‍‍‍‍

eVTOL主机厂们正在面临一个关键的飞行测试阶段：从垂直起飞转换到水平飞行。

很多专家认为这是飞行测试中最危险的阶段，“因为涉及到构型的改变，包括空气动力学特性、推进系统性能和控制机制。”沃飞长空的工程师表示，“而悬停和固定翼飞行阶段有足够的数据、经验和标准，实际上是非常安全的"。

SMG咨询公司创始人Sergio Cecutta指出，截至6月中旬，只有五家主机厂完成了全尺寸 eVTOL 的转换飞行：Joby Aviation、峰飞、Beta Technologies、Archer Aviation和沃飞长空。Wisk去年也实现了转换飞行，但Cecutta表示，要等他们的第六代机完成转换飞行，才能作数。

Dufour Aerospace的Aero2无人驾驶飞机的验证机X2.2，和已解散的Kitty Hawk的验证机Heaviside也只在缩比验证机上展现的转换飞行能力。

美国银行证券研究分析员和航空航天行业评论员Ron Epstein指出，“转换飞行是一个重要的里程碑，它不仅要在完美的实验室环境下进行演示，还要在真实环境下进行演示，这就需要考虑不理想的条件，例如失去动力等等。其中，通过有人驾驶的方式完成转换比远程操纵更关键。”

在目前正在进行适航取证的全尺寸eVTOL机型中，只有Beta在有人驾驶的情况下完成了转换。

当被问及有人驾驶的全状态转换飞行时，Beta称之为“一次飞跃，这次飞行可以在我们的机型Alia-250适航的过程中，为我们提供了额外的数据，更好地支持设计决策”。

Beta的eVTOL机型Alia-250 (A250)的第二版本全尺寸验证机SN002于今年4月完成全状态转换飞行（图片素材源自网络）

该公司发言人表示：“这是一个全新的飞行模式，团队经过长时间的努力，采取逐步的方法来缩小我们完成的许多测试点之间的差距，以便执行完整的、有人驾驶的转换飞行。”

这项成就是通过多年来使用缩比验证机进行转换飞行以及在模拟器上进行仿真而实现的，“我们收集了大量数据，以确保我们工程的安全性和准确性，直到我们达到这一步。能够解锁下一个飞行阶段并继续努力将这项技术推向市场，这是令人兴奋的。”

在Epstein看来，在达到转换飞行这个里程碑和其他里程碑的时间表方面，Beta比其他公司更实际，他认为这种实际主义对所有人都有利。

他说，更实际的时间表有利于行业保持投资者的信心，将整个行业达到商业阶段的压力保持在合理的水平等等。

 Archer的试飞之旅‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

Archer在6月份成功完成了其Midnight飞机的无人驾驶转换飞行，飞行速度超过100英里/小时（160公里/小时）。Midnight重约6500磅（3000公斤），是完成了转换飞行的最大eVTOL机型之一。Archer继Midnight完成首次飞行后，仅用了7个月就实现了这一里程碑。

早在2022年11月，继Archer第一代全尺寸验证机Maker完成首飞的11个月后，Archer就完成了Maker的转换飞行。目前Maker仍然在按照计划进行测试飞行。

随着公司越来越接近商业化，Archer已经从联邦航空管理局（FAA）获得了135部和145部证书，Midnight飞机的型号取证证也已经推进到最终实施阶段，该公司表示。

Archer表示，有人驾驶的飞行测试计划于今年晚些时候开始。与此同时，Midnight测试计划包括飞行模拟商业路线以展示飞机的运行准备情况，执行高速度飞行操作，以及测试将在商业运行环境可能需要的额外飞行机动。它还将继续扩大其速度和续航的飞行包线。

Archer的首席工程师Geoff Bower表示，虽然Midnight在飞行包线的测试中非常高效地取得了进展，“但我们对每架新飞机的飞行测试计划都采取循序渐进的方法。”

Bower解释说，所有eVTOL主机厂在努力实现转换时，面临的第一个挑战就和转换飞行机动过程中飞行动力学的重大变化有关。

“换句话说，飞机的刚体动力学模态从悬停状态的开环不稳定到典型的固定翼前飞稳定模态——例如长周期、短周期、螺旋、荷兰滚、滚转收敛模态，”他说。“我们已经拥有关于机型将如何表现的运动模型，但我们采取渐进式扩展包线方法来逐渐明晰转换飞行的包线。”

Bower补充说，“我们以每10节速度为增量下进行了多次飞行，我们进行了系统辨识测试点，以定量确认每个控制轴的稳定裕度——增益和相位裕度。这种有条理的方法使我们对我们的模型充满信心，并允许继续扩展到下一个测试点。”

在项目层面，Bower表示，最大的挑战是在自动化生产原型机上用一个小团队进行转换包线拓展。

Archer的机型Midnight首飞七个月后，于今年6月份成功完成了其无人驾驶的转换飞行。（图片素材源自网络）

“公司的绝大多数人专注于我们的第一架有人驾驶的飞机，该飞机有望在今年晚些时候完成最终组装并开始有人驾驶的飞行。”

该公司表示，将投入三架有人驾驶的Midnight飞机投入FAA符合性验证要求的型号设计。

正如Archer在2024年2月报道的那样，组件制造正在顺利进行，最终组装正在该公司位于加利福尼亚州圣何塞的制造工厂进行。为了完成2025年商业化的目标，第一批有人驾驶的飞机将用于与FAA开展飞行测试，积累信任。

 沃飞长空的目标是2025年夏季进行有人驾驶的测试飞行

对于沃飞长空来说，实现无人驾驶转换飞行是从悬停测试开始的。该公司通过较小的倾斜角度和更高的飞行速度逐渐扩大包线，以清楚地了解空气动力学、电动推进特性和结构响应等特性。

“整个转换飞行非常精确和平稳，外部悬停螺旋桨完全停止，飞机进入巡航状态，完全依推进螺旋桨，”公司的一位工程师说。“在超过55%的功率裕度下，它轻松达到了210 km/h（即130 mph）的水平飞行速度，然后是加速、爬升、下降、盘旋和成功减速以及转换到悬停然后着陆等几个机动。”

在配备了分布式电推动力（DEP）装置的倾转机型上实现转换飞行的挑战包括复杂的流场干扰、倾转转换走廊设计、飞行控制分配、空气动力学结构伺服耦合以及故障模式下的持续飞行。

沃飞长空的目标是在2025年夏季用其AE200原型机进行有人驾驶的测试飞行。（图片素材源自网络）

AE200工程团队“在有限的时间内逐一解决了这些问题。”工程师补充说，科学方法对于eVTOL研发至关重要。

在空气动力学-结构-伺服耦合方面，工程师解释说，虽然DEP技术为eVTOL带来了更高的安全裕度和更灵活的控制方法，但它也导致了更大的空间质量分散和相应的惯性。此外，这些飞机使用DEP和符合空气动力学的作动面作为姿态控制的执行器。

“与此同时，为了最大化性能，eVTOL需要一个非常低的结构系数，”工程师解释说。“这些原因导致了与传统飞机相比，结构模式谱的显著差异。将会有更多的低频点和更密集的俯仰、弯曲和扭转频率点的分布。此外，安装在机翼远端的旋翼的上下振动也会为旋翼在飞行过程中产生额外的攻角。这些初始弹性气动力将相互激发，并最终通过电传飞行控制和旋翼速度闭环控制进入伺服环，导致整个飞机和局部组件在整个飞行剖面中的所谓气动-结构-伺服耦合振荡问题。”

这些耦合振荡会影响飞机的控制品质，并导致叶片和结构的疲劳和寿命缩短。

“作为回应，我们的团队根据第一性原理，寻求问题的本质，并与空气动力学、结构和控制专家合作，共同设计和优化，然后进行了数千个详细的CAE仿真模型、数百个组件和飞机GVT/CT测试以及飞行验证，”工程师说。“最后，在不增加飞机整体重量的情况下，我们解决了这个问题，并开发了一套完整的需求分析、设计、评估、实验验证和符合性方法。我们目前正在编写技术标准，并希望帮助设计未来的装配了DEP的eVTOL。”

转换挑战的第二个例子是故障模式下的持续飞行。工程师解释说，由于AE200是基于目视飞行规则法规的有人驾驶飞机，因此人机交互的设计和验证尤为重要。

“虽然我们的飞行员目前使用地面站开展试飞，但整个控制逻辑和紧急操作与未来的有人驾驶方式相同。通过对飞行所有阶段的机载系统进行故障模式和影响分析，我们已经确定了数百种故障模式及其组合。初步分析表明，在某些情况下，自动紧急控制策略比手动方式更好，而在其他情况下，将决策和控制留给飞行员更安全。”

为了应对这一挑战，团队引入了一种基于系统工程和安全分析的创新实验评估方法——沃飞长空自己的集成仿真和验证平台。

借助该平台，他们执行了10000次软件在环仿真、数千次硬件在环仿真以及数百次飞行员在环训练和缩比验证机飞行试验。

“我们完成了参数应力、蒙特卡洛、故障注入、专家经验案例的评估和验证，从而以最快的速度和最少的资源最大程度地验证设计结果，确保我们拥有合格的紧急操作程序和足够的信心进行测试飞行，”工程师说。“在最高水平的安全准备下，我们完成了数十次倾转飞行测试。”