eVTOL（電動(dòng)垂直起降飛行器）正在成為低空經(jīng)濟(jì)的明星技術(shù)。無(wú)論是通勤、物流還是城市空中出行，要讓這類“會(huì)飛的電動(dòng)車”真正安全可靠，核心問(wèn)題就是功率和能量的供給。今天我們來(lái)聊聊：一架eVTOL，從“能不能飛起來(lái)”到“能飛多遠(yuǎn)”，背后需要怎樣的功率需求計(jì)算、能量需求。

01、飛行剖面

對(duì)于電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL）而言，不同飛行模式下的功率需求存在顯著差異，因此準(zhǔn)確計(jì)算其功率及能量特性的關(guān)鍵前提是深入理解各類飛行模式的特點(diǎn)。eVTOL的典型飛行剖面通常可細(xì)分為5個(gè)核心階段，具體包括初始懸停、起飛爬升、巡航飛行、下降過(guò)渡及著陸懸停。各階段的氣動(dòng)環(huán)境與動(dòng)力需求有所區(qū)別。基于此，eVTOL的功率及能量計(jì)算分析需依托飛行剖面的階段分解展開(kāi)，通過(guò)分別量化各階段的動(dòng)力需求，最終實(shí)現(xiàn)全飛行過(guò)程的能量特性精準(zhǔn)評(píng)估。

02、能量及功率計(jì)算分析

接下來(lái)，小編將介紹一種適用于基于螺旋槳推進(jìn)的eVTOL功率及能量計(jì)算的方法。本計(jì)算方法可適用于無(wú)翼布局（例如 Volocopter 公司的 Volocity 多旋翼機(jī)）以及固定翼設(shè)計(jì)，例如峰飛 V2000CG，但采用管道矢量推力推進(jìn)系統(tǒng)的 eVTOL（如 Lilium Jet）不適應(yīng)本方法，因?yàn)槠渫七M(jìn)特性和上述機(jī)型有顯著差異。根據(jù)上文飛行剖面的分解，可以知道總能量需求可確定為：其中Ehover、Etake、Ecruise、Edesent和Elanding分別表示初始懸停、起飛、巡航、下降和著陸階段的能量需求。對(duì)于每個(gè)階段，能量需求的計(jì)算公式為：其中Pphase表示功率需求，Tphase表示飛行模式持續(xù)時(shí)間各階段功率計(jì)算公式如下：初始懸停階段：其中MTOW為飛機(jī)的最大起飛重量，等于飛機(jī)重量與載荷之和；g為地球的重力加速度；nh為飛機(jī)懸停效率。該參數(shù)量化了飛機(jī)相對(duì)于所需能量或功率維持空中靜止?fàn)顟B(tài)的能力。其數(shù)值受旋翼葉片設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)效率、葉片表面特性及飛機(jī)內(nèi)部整體系統(tǒng)損耗等因素影響。對(duì)于大多數(shù)電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL），其數(shù)值通常介于0.6至0.7之間。參數(shù)aw表征旋翼系統(tǒng)在懸停或垂直飛行時(shí)尾流收縮程度，對(duì)于電動(dòng)VTOL等采用開(kāi)放式螺旋槳的機(jī)型，該值等于2?？諝饷芏萷為1.2 kg/m3，而開(kāi)放式螺旋槳的總旋翼面積A r計(jì)算公式為：Ar = xp · π · r2p；其中xp是螺旋槳數(shù)量，rp是螺旋槳半徑。起飛階段：垂直爬升時(shí)的功率（考慮誘導(dǎo)速度影響）其中，v take-off表示爬升速度，υI表示誘導(dǎo)速度，為平均轉(zhuǎn)子流入速度與流出速度之差，其計(jì)算公式為：巡航階段：

其中ER表示升阻比，該參數(shù)用于衡量飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)效率，具體反映其產(chǎn)生的升力與空氣阻力的比例關(guān)系，數(shù)值通常介于4到15之間。vcruise作為巡航速度指標(biāo)，nc則代表巡航效率，用于量化飛機(jī)在保持平飛狀態(tài)時(shí)的能耗控制效果。根據(jù)具體機(jī)型設(shè)計(jì)差異，該參數(shù)值通常在50%至60%之間浮動(dòng)。下降階段則通常與初始懸停的功率相同；著陸懸停的功率與起飛階段的功率相同。03具體案例分析以Volocapter的Volocity為例，我們通過(guò)公開(kāi)的相關(guān)型號(hào)數(shù)據(jù)可以得到大部分功率計(jì)算參數(shù)，懸停和巡航效率值及升阻比的相關(guān)數(shù)據(jù)參考了Hagag等所發(fā)表的文章“Maximum total range of eVTOL under consideration of realisticoperational scenarios” 內(nèi)的相關(guān)內(nèi)容。Volocity最大起飛重量設(shè)定為900kg，根據(jù)初步計(jì)算可以知道其起飛功率為165.7kW，巡航功率為約為141.3kW，起飛/下降功率為88.5kW?；谏鲜龉β蕯?shù)據(jù)，可得出時(shí)長(zhǎng)為12min的飛行需要的電量約為28.1度。

04、總結(jié)與啟示

功率需求是eVTOL的“起點(diǎn)”，任務(wù)剖面讓功率轉(zhuǎn)化為能量需求，而電機(jī)/電池 的選擇和匹配則把這些計(jì)算落到硬件方案。正是這條鏈路，決定了eVTOL究竟能不能既安全起飛，又經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。合理的計(jì)算邏輯和分析，可以幫助我們更好地選型和匹配開(kāi)發(fā)需求。eVTOL的功率需求和飛行重量相關(guān)性較大，我們也可以通過(guò)上述的計(jì)算方法初步確定不同重量下的eVTOL的功率需求。