電動垂直起降飛行器—— 旋翼嗡鳴，飛向何方

電動垂直起降飛行器——

旋翼嗡鳴，飛向何方

■王應(yīng)洋  卓俊樸  張  鵬

   美國喬比航空公司的一架實驗性電動垂直起降飛行器正在進(jìn)行起降測試。供圖：陽  明

近年來，電動垂直起降飛行器（eVTOL）在世界范圍內(nèi)受到密切關(guān)注，其相關(guān)技術(shù)研究、應(yīng)用發(fā)展如火如荼。

根據(jù)美國垂直飛行學(xué)會的數(shù)據(jù)顯示，截至2024年底，全球電動垂直起降飛行器概念產(chǎn)品數(shù)量已超過1000個，覆蓋430多家設(shè)計機(jī)構(gòu)。

與此同時，電動垂直起降飛行器在軍用領(lǐng)域的發(fā)展也不容忽視。5年前，美國空軍作戰(zhàn)試驗和創(chuàng)新中心（AFWERX）對外宣稱，他們將發(fā)起“敏捷至上”項目，致力于探索電動垂直起降飛行器在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。前不久，該項目組又披露，他們將轉(zhuǎn)向探索混合電推進(jìn)電動垂直起降飛行器的形式，加速研發(fā)電動垂直起降飛行器的混合電推進(jìn)系統(tǒng)。

那么，電動垂直起降飛行器經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展歷程？它將為戰(zhàn)場帶來哪些改變？未來的發(fā)展前景如何？請看本期關(guān)注。

從“重型油動”到“輕型電動”

駕駛艙在機(jī)首，駕駛艙后方是機(jī)身——一個可以旋轉(zhuǎn)的“圓筒”，“圓筒”上固定了3片呈45°傾斜布置的機(jī)翼，每個機(jī)翼的末端都安裝了一個噴口。起飛時，“圓筒”開始旋轉(zhuǎn)，機(jī)翼尾端的噴口開始噴氣，助推飛行器升上天空……

這個外形有點類似“火箭”的飛行器，是世界上最早的垂直起降飛行器。

二戰(zhàn)末期，盟軍掌握了戰(zhàn)場主動權(quán)，德國空軍機(jī)場經(jīng)常被盟軍壓制。德國空軍機(jī)場的目標(biāo)很大，在戰(zhàn)爭中很容易被摧毀。為解決這一問題，德國?？恕の闋柗蚬镜墓こ處煖?zhǔn)備研究一種可以短距起降的戰(zhàn)斗機(jī)。

起初，他們打算在發(fā)動機(jī)和機(jī)翼上下功夫，但后來發(fā)現(xiàn)，如果采用傳統(tǒng)的平衡翼設(shè)計方式，起飛滑跑距離至少需要800米左右。

后來經(jīng)過反復(fù)設(shè)計研究，?？恕の闋柗蚬镜墓こ處熌贸隽恕按怪逼鸾碉w行”的設(shè)計方案。與其他飛行器相比，垂直起降飛行器具有一個明顯的優(yōu)勢：起飛空間只需要一個籃球場大小的平地即可。但由于技術(shù)過于復(fù)雜，該飛行器設(shè)計方案最終夭折。

為了保證戰(zhàn)爭中機(jī)場一旦被摧毀后，空軍仍能起飛作戰(zhàn)，研發(fā)或引進(jìn)能夠垂直或短距離起降的戰(zhàn)斗機(jī)，始終是世界上許多國家關(guān)注的重點。

1957年，英國霍克公司和布里斯托爾公司開始研究垂直起降戰(zhàn)斗機(jī)。12年后，英國列裝了“鷂式”戰(zhàn)斗機(jī)。利用矢量噴管技術(shù)，同時融合固定翼飛機(jī)的高速巡航性能與直升機(jī)的垂直起降特性，這款戰(zhàn)斗機(jī)實現(xiàn)了短距離起降，服役后帶來了戰(zhàn)斗力的提升。在馬爾維納斯群島戰(zhàn)爭中，“鷂式”戰(zhàn)斗機(jī)擊落了21架阿根廷戰(zhàn)斗機(jī)，被阿根廷空軍飛行員稱為“空中黑色魔鬼”。

作為燃油動力垂直起降飛行器的典型代表，美軍F-35B戰(zhàn)斗機(jī)已部署于兩棲攻擊艦，啟動垂直起飛模式時，作戰(zhàn)半徑可達(dá)400公里左右。不過，該型戰(zhàn)斗機(jī)存在噪音大、成本高、效費比低等缺陷。據(jù)悉，F(xiàn)-35B戰(zhàn)斗機(jī)自2015年服役以來，已發(fā)生至少5起全損事故，可靠性值得商榷。

對于垂直起降飛行器來說，其“垂直起降”的飛行方式，決定了飛行器自身重量對飛行的重要影響。

為了減輕負(fù)重，早在2009年，美國航空航天局就提出了概念電動垂直起降飛行器“海雀”。但當(dāng)時受限于動力與能源等技術(shù)瓶頸，“海雀”未能落地。

近些年，隨著電動機(jī)、電池與氣動技術(shù)的成熟，美國喬比航空公司于2023年推出全球首架軍用電動垂直起降飛行器原型機(jī)，并將其交付美國空軍。

從“重型油動”到“輕型電動”，帶來的多種優(yōu)勢顯而易見：電動垂直起降飛行器的重量大大減輕；電驅(qū)動系統(tǒng)將其每小時運營成本降至約600美元；電驅(qū)動模塊化設(shè)計，使電動垂直起降飛行器理論故障率較傳統(tǒng)直升機(jī)減少約70%；電動垂直起降飛行器噪音低，且徹底規(guī)避了燃油泄漏引發(fā)的環(huán)境風(fēng)險……

回首垂直起降飛行器的發(fā)展歷程，其早已發(fā)展成為一個“大家族”。從廣義上來說，無需依靠跑道起飛的直升機(jī)、多旋翼飛行器、傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)、推力矢量噴氣機(jī)等均可算作垂直起降飛行器。同時，垂直起降飛行器也可按照有人駕駛或無人駕駛，以及燃油驅(qū)動或電驅(qū)動等方法進(jìn)行分類。

電動垂直起降飛行器作為“后起之秀”，其最突出的優(yōu)點是動力來源從航油變成了電力，噪音更低更加環(huán)保，在設(shè)計上也更加靈活，更容易獲取輕裝簡行、敏捷機(jī)動的能力，進(jìn)而適應(yīng)更為多樣復(fù)雜的飛行任務(wù)。

拓寬低空戰(zhàn)場新疆界

當(dāng)前，電動垂直起降飛行器普遍采用分布式電推進(jìn)系統(tǒng)，驅(qū)動能源以高能鋰電池為主，容錯能力強(qiáng)、可靠性高。

未來隨著動力、能源與控制等關(guān)鍵技術(shù)的突破，憑借機(jī)動敏捷和可探測性低的優(yōu)異性能，電動垂直起降飛行器有助于構(gòu)建低空作戰(zhàn)與后勤保障的新形態(tài)。

2020年，美國空軍啟動了代號“敏捷至上”的驗證項目，探索電動垂直起降飛行器在戰(zhàn)術(shù)投送與特戰(zhàn)救援等場景中的應(yīng)用，發(fā)揮其“戰(zhàn)場尖兵”的作用。

在人員部署方面，借助電動垂直起降飛行器可獲得“動如脫兔”的戰(zhàn)術(shù)響應(yīng)速度。

未來戰(zhàn)場上，人員快速進(jìn)出戰(zhàn)區(qū)的機(jī)動能力已成為戰(zhàn)術(shù)決勝的關(guān)鍵要素之一。電動垂直起降飛行器可與直升機(jī)或裝甲車輛構(gòu)建“聯(lián)合殺傷鏈”，通過敏捷投送或近距離支援，提升戰(zhàn)術(shù)響應(yīng)速度。

在物資運輸方面，借助電動垂直起降飛行器可實現(xiàn)“最后一公里”保障。

傳統(tǒng)空運平臺體型巨大，容易成為空中靶標(biāo)，如北約C-17“環(huán)球霸王”運輸機(jī)翼展約51米、CH-47“支奴干”直升機(jī)旋翼直徑約18米。在大規(guī)模運輸場景中，物資卸載需伴隨裝甲部隊的實時防護(hù)。電動垂直起降飛行器可彌補(bǔ)戰(zhàn)術(shù)級末端補(bǔ)給缺口，通過空中航路快速精確投送物資。電動垂直起降飛行器甚至可支持吊艙式空投，直接規(guī)避近地機(jī)動階段的危險與能量消耗。

在醫(yī)療救援方面，電動垂直起降飛行器可扮演戰(zhàn)場“空中救護(hù)車”的角色。

通過搭載雷達(dá)與光電偵測系統(tǒng)，電動垂直起降飛行器可執(zhí)行戰(zhàn)場人員搜索、定位與抵近救援等任務(wù)。比如，如果遇到山體滑坡、洪澇等災(zāi)害，電動垂直起降飛行器可以實時穩(wěn)定地將影像信息回傳至地面指揮中心，為災(zāi)情評估和救援提供決策依據(jù)，完成快速精準(zhǔn)搜救。

在當(dāng)前信息化戰(zhàn)爭的背景下，軍事行動要求作戰(zhàn)單元具備更強(qiáng)的隱蔽性和生存能力，快速反應(yīng)和高機(jī)動性成為必要條件。從這個角度來看，能夠在不同復(fù)雜地形和環(huán)境中快速反應(yīng)的電動垂直起降飛行器，是傳統(tǒng)飛行器無法比擬的。

走向自主化、智能化、體系化

公開資料顯示，近年來，在電動垂直起降飛行器領(lǐng)域，很多國家正逐漸構(gòu)建起涵蓋技術(shù)攻關(guān)、空域管理、量產(chǎn)體系及基建標(biāo)準(zhǔn)的完整生態(tài)。

隨著動力、能源與氣動等技術(shù)的進(jìn)一步突破，以及與人工智能技術(shù)的融合發(fā)展，未來必將出現(xiàn)更加自主化、智能化、體系化的電動垂直起降飛行器，其應(yīng)用前景將更加廣闊。

——自主化讓電動垂直起降飛行器“操控員”轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭蝿?wù)指揮官”。

目前，“手動操控”模式的電動垂直起降飛行器存在操控員技能門檻高、培訓(xùn)周期長以及人機(jī)交互效率低等問題。未來賦予電動垂直起降飛行器自主感知、規(guī)劃能力與控制權(quán)限，可進(jìn)一步優(yōu)化戰(zhàn)場時空窗口利用率。比如，通過裝載避障系統(tǒng)，電動垂直起降飛行器可以感知電線、建筑、樹木與山體等，自主避開障礙物，保證飛行安全。

其具體過程為：操控員授權(quán)或監(jiān)督任務(wù)，電動垂直起降飛行器按照授權(quán)執(zhí)行規(guī)劃，實現(xiàn)動態(tài)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)。

——智能化為電動垂直起降飛行器裝上“眼睛、耳朵與大腦”。

集成慣性導(dǎo)航、光電吊艙與機(jī)載雷達(dá)等傳感器，以及多模態(tài)數(shù)據(jù)融合算法，為電動垂直起降飛行器裝上“眼睛、耳朵與大腦”。借助“眼睛、耳朵與大腦”，電動垂直起降飛行器可獨立完成定位建圖、目標(biāo)搜索與識別跟蹤等任務(wù)。

如果搭載嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器，電動垂直起降飛行器還能完成復(fù)雜環(huán)境下的意圖解析、行為決策與路徑規(guī)劃任務(wù)。例如，通過充分利用低空氣流數(shù)據(jù)，電動垂直起降飛行器可以優(yōu)化飛行軌跡，像海鷗一樣省力地“御風(fēng)而行”。如果傳感器信號直驅(qū)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動垂直起降飛行器將具備毫秒級響應(yīng)能力，環(huán)境適應(yīng)性大幅提升。

——體系化將賦予電動垂直起降飛行器不可或缺的戰(zhàn)場新角色。

電動垂直起降飛行器可通過多機(jī)集群實現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)，形成覆蓋陸、海、空的全域作戰(zhàn)體系。一方面，多機(jī)編組通過分布式信息共享，協(xié)同執(zhí)行“偵察—決策—打擊—評估”任務(wù)鏈，提高作戰(zhàn)效能。另一方面，電動垂直起降飛行器集群與無人戰(zhàn)車或無人艦艇構(gòu)建“跨域殺傷網(wǎng)”，推動戰(zhàn)場模式向體系化演進(jìn)。目前，美國空軍已經(jīng)實現(xiàn)了通過電動垂直起降飛行器，與其他軍用飛機(jī)直接進(jìn)行無線電通信，驗證了戰(zhàn)術(shù)級信息融合的潛力。此外，電動垂直起降飛行器還可作為空中通信節(jié)點，整合衛(wèi)星、5G和地面基站數(shù)據(jù)鏈，實現(xiàn)戰(zhàn)場信息融合。

從“重型油動”到“輕型電動”，再到戰(zhàn)場“跨域殺傷網(wǎng)”，電動垂直起降飛行器正以飛快的速度拉近技術(shù)與作戰(zhàn)之間的距離。它的軍事化進(jìn)程將如何重構(gòu)戰(zhàn)場？答案或許就藏在下一代電動垂直起降飛行器的旋翼嗡鳴之中。