在【低空经济基础篇2】eVTOL构型——垂直起降的逻辑中，指出了垂直起降飞行器因其能低空飞行、悬停、灵活起降等，其应用场景非常广泛，且传统固定翼飞行器难以替代。但同时，其也存在相对的低效和不经济性，而eVTOL或许是解决问题的方向。同时，文末也提到了以直升机为代表的旋翼类飞行器的构型分类以及部分典型构型的特点，而这些都关系到本篇要回答的核心问题——eVTOL构型的分类逻辑究竟是什么？
（图：eVTOL的构型方案（部分））
1.为什么eVTOL能有“五花八门”的构型？
首先，一种事物的产生，必定是达到了产生的条件，好比种子发芽一定是在温度、湿度、阳光、土壤同时达到对应的要求，而丰富的eVTOL构型能够得以发展的条件，是分布式电推系统（DEP）的逐渐成熟（关于“DEP”，详见【低空经济进阶篇】eVTOL动力系统系列），DEP的出现使得航空动力系统与飞行器的结合方案变得更加灵活创新，能够突破传统架构限制，进而衍生出多样的构型（根据VFS数据，2022年已有超过300种相关的构型设计）。
“Electric propulsion has enabled us to think differently about aircraft design and to develop a new class of aircraft.”——JoeBen Bevirt（Joby Aviation CEO及创始人）
（图：JoeBen Bevirt在Joby S4起飞时讲话，展示产品的低噪声性）
然而，进一步从“必要性”来讲，构型的多样性并不代表可以无穷衍生，它必然遵循一定的规律，从而向几类构型进行收敛，而收敛的逻辑或如此前在【低空经济基础篇2】文末提到的，大概率与旋翼类飞行器构型遵循经济考虑和任务需求是一个道理，具体来看：
（1）经济考虑：直接影响因素，构型涉及到购置成本、载重比设计、飞行速度以及占地面积等；间接影响因素，主要从适航取证的角度来考虑，比如构型设计不能太离谱，这涉及到取证周期，进而对经济性产生影响。
（2）任务需求：以城市/城际应用场景为例，由于市内“空中出租”对航程的需求较低，因此对于eVTOL的构型设计不必以满足长续航为主；反之，在城际飞行的时候，则需要考虑一定的航程需求，从而设计出对应的构型。那什么构型不必满足长续航，什么构型只需对短程航线有利？这就涉及到以下将要讨论的问题。
（图：不同细分场景下的航程需求）
2.eVTOL构型的分类逻辑
作为全球知名的eVTOL整机厂，实际上Joby公司在2012年就推出过一款机型“Joby S2”，其采用前后12个可折叠螺旋桨+4个水平推进螺旋桨（12 VTOL propellers, 4 fixed pusher propellers）分别在其不同任务状态下为其提供动力。
（图：Joby S2）
然而，由于可折叠螺旋桨设计较为复杂，最终Joby S2的设计被Joby公司放弃，进而开始设计更加简易的机型Joby S4，Joby S4相较于Joby S2明显的不同在于：（1）螺旋桨的数量从原来的12+4变为了6个，降低设计构型的复杂程度；（2）桨盘面积（Rotor Area）明显提升。
（图：Joby S2 vs Joby S4）
关于（2），话只说到一半，原因是接下来将要交代两个公式：
a. L/D ratio = Wing Lift / Drag
公式a表示升阻比，反映飞行器的飞行效率，升阻比越大对飞行越有利。由于飞行器的设计必然会对升力和阻力都产生影响，因此在考虑构型时，升阻比是重要的参考指标。
b. Disk(disc) Loading = MTOM / Rotor Area
公式b为桨盘载荷（Disk Loading），MTOM最大起飞重量，Rotor Area桨盘面积。可以看到，在最大起飞重量不变的情况下，桨盘面积增加能够使得桨盘载荷下降，而桨盘载荷代表旋翼单位扫掠面积所承受的重力，因此对于旋翼类飞行器，桨盘载荷能够用于判断整机的悬停效率。
下图是我总结用于理解构型设计的关键：先看左边，由上至下的eVTOL构型上呈现从“旋翼类”过渡到“固定翼”的方向，而根据公式a.，固定翼结构更容易提供飞行器升力，即能获得较大的升阻比，具备水平巡航的优势；而由下自上则相反，根据公式b.，桨盘面积越大的飞行器拥有越小的桨盘载荷，即拥有良好的悬停/垂直起降优势。
（图：构型逻辑，机型图片下面的百分比为目前该构型的大致占比）
顺便一提，上图右侧这张经典的坐标图来自2000年NASA的报告“The History of the XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft：From Concept to Flight”，而现如今，我们能够将特定的eVTOL参数对应到这张坐标图中，从而更能清晰看到不同构型下的eVTOL在水平巡航以及垂直悬停的性能优势体现。
进一步结合动力布局，eVTOL便可大致划分为多旋翼、复合翼以及倾转翼旋翼和倾转涵道构型构型（两者统称为倾转翼构型），而各自的典型代表为EH216-S，KW Cora，Joby S4以及Lilium Jet，都能在图中找到对应的位置，从而他们的飞行性能特征一目了然。
此外，也有相关文献结合此图指出目前大部分的eVTOL桨盘载荷范围在10-30lbs/ft2，而悬停升力效率在3-4kg/kw之间。
（图：大部分eVTOL的桨盘载荷和悬停升力效率区间）
现在我们知道Joby S2演进到Joby S4的过程中，通过增加桨盘面积降低了桨盘载荷，从而提升了其悬停效率，但悬停性能提升或许并不是S2发展到S4的首要考虑因素，在此仅为举例；此外，S4和S2设计差异较大，S4较大的桨盘面积需要较长的桨叶，而这又会涉及螺旋桨设计以及电机的诸多问题，这个放在之后的篇章再分享。
（图：S2 vs R22 &S4 vs R44）
至此，在对eVTOL构型的分类逻辑进行理解后，就能对应到明白不同的构型对应不同的性能，进而对应不同的应用场景，而整机厂会根据自身的禀赋以及发展战略来进行场景和赛道的选择。
（图：不同构型eVTOL性能参数以及对应适用的应用场景）
本篇主要是对eVTOL构型产生的逻辑进行分析，市场上有如此多的构型，但整体大致都可归为多旋翼、复合翼以及倾转旋翼三种。这三种不同的构型差别仅是在其适用场景上的不同吗？相互之间在具体性能上有无存在取代的趋势？三种构型未来是否还会进一步收敛？相关问题将在之后的“eVTOL构型系列”再进行讨论分享。
（图：三大类eVTOL的升力原理及性能优劣）
参考资料
王翔宇 张平平. eVTOL飞行器与飞行汽车发展思考
Urban air mobilityThe rise of a new mode of transportation
原文始发于微信公众号（宝哥研究室）：【低空经济进阶篇】eVTOL构型（上）——分类逻辑
Chinese