在【低空经济进阶篇】eVTOL构型（上）中，我们初步分析了eVTOL构型的分类逻辑，认为多旋翼、复合翼以及倾转旋翼这三种构型的背后体现的是eVTOL对其巡航能力和垂直起降能力的侧重和分配。然而，这样理解略显粗糙。本篇将从“性能”的角度，引用相关数据对eVTOL构型（上）文末提到的问题进行细化，即：（1）三种不同的构型差别是否仅是在其适用场景上存在不同；（2）不同构型之间有无取代趋势？是否会进一步收敛？
1.三种不同的构型差别仅是在其适用场景上的不同吗？
显然，这是个从“需求”角度提出的问题。之前的篇章中提到，以城市/城际应用场景为例，市内“空中出租”对航程的需求较低，eVTOL的构型不必以满足长续航为主；反之，在城际飞行场景则需考虑一定的航程需求。因此，基于需求的牵引，eVTOL构型会依据航程和悬停能力上的分配而diversify。
（图：不同构型eVTOL性能参数以及对应适用的应用场景）
然而，从“供给”的角度来看，如果假设城际飞行的市场规模大于市内空中交通的市场规模，则至少有一些整机企业会思考对应的布局。因为eVTOL航程的提升有助于企业解锁其他潜在的商业场景以及覆盖不同人群需求，换句话说，具备长航程eVTOL研发和生产能力的企业理论上能更快找到成本-收益的均衡点。
（图：从纽约到不同距离地点的经济/时间成本（根据Lilium数据））
那是什么限制了eVTOL的航程？在【低空经济进阶篇】eVTOL动力系统的分析中，知道能量密度固然非常重要，但在目前属于相对的慢变量。因此，构型的“供给”，更需要关注的是如何在给定能量下提升航程。从这个角度来说，问题即能转换为：在给定能量下对eVTOL构型的“航程优化”问题。既然是优化，则以下需交代一个公式：
R=（Eb*ηt）/Drag
其中R为航程（Range），Drag为飞行阻力，Eb为总能量供给，ηt为能量转化效率。若要提升航程，可以通过降低阻力、提高总能量、以及提高能量转化效率来获取。
（1）降低阻力Drag：飞行器各个部位都会产生阻力，且不同部位之间存在互相干扰，使得飞行器总阻力大于/等于不同部位的阻力总和，而对于eVTOL的构型设计来说，就需要考虑如何对受到的阻力进行优化。
此前，在【低空经济基础篇2】eVTOL构型中提到过，功率曲线组成由诱导功率、废阻功率以及型阻功率（型阻主要出现在旋翼类飞行器中）构成。若用阻力表征，则阻力可以分为诱导阻力、废阻以及型阻，其中，诱导阻力主要是过增加展弦比（aspect ratio）来降低，但展弦比的增加，不利于分布式电推系统在机翼上进行设计布局，因此重点考虑降低废阻对构型的影响。
（图：功率与飞机速度之间的关系）
（2）提高总能量Eb：在目前电池能量密度受限的情况下，可以选择增加携带的电池量，但这显然会带来重量的增加，有效载荷的下降，从而影响到飞行的经济性和安全性。从不同构型对航程的敏感度来看 ，在单位航程增加的情况下，复合翼以及倾转旋翼构型（powered lift）在总重和能耗上的表现都要优于多旋翼构型（wingless）。
（图：从不同构型载重对航程的敏感度）
此外，还可以对能量分配进行优化。从Lilium的官方文件中能够找到这样一张图，垂直起降期间的power comsumption显著高于巡航阶段，因此，降低垂直起降/悬停的时间以优化能量分配在水平巡航阶段。
（图：eVTOL飞行任务剖面）
（3）提升ηt：能量转换效率受到的影响因素较多，从电池→电机→旋翼，每个环节上的能量转换效率都会对整体的转换效率产生影响，其中会受到旋翼设计以及电机的选择，我们放在本系列第下一个篇章再进行分享。
因此，尽管从“需求端”能够很好解释不同场景应用带来的构型分化，但是从“供给端”来看，其实构型不同的背后还存在诸多设计上的考量。以下将根据第1部分的公式拆分，对不同构型的性能进行分析。
2.不同构型之间有无取代趋势？是否会进一步收敛？
下图展示了相关论文选取的12种eVTOL的性能评估结果，Power/mass ratio越低，说明水平飞行所需的能量越低；Range/energy越高，说明单位能量能够支撑更长的航程。因此，多旋翼在水平航行阶段并不高效，同等能耗下多旋翼的巡航距离较短，倾转构型居中，复合型表现最好。
（图：巡航过程下的能量效率（左）以及巡航能力（右） 注：序号1为EH216，2为Volocity，7为Lilium Jet，11为Dream Maker）
从上图（左）的结构来看，诱导阻力是多旋翼构型的主要组成，而对于复合翼和倾转旋翼，废阻是主要构成。相关数据表明，复合型的航程比多旋翼提升164%，但复合翼在巡航过程中，后排未提供动力的旋翼会产生死重以及额外阻。
（图：巡航状态下复合翼构型的后排旋翼）
而倾转翼构型在巡航阶段可以将所有动力用于巡航，降低升力螺旋桨产生的废阻，从而提高巡航阶段的气动效率，相关数据显示，倾转翼构型的航程为多旋翼的4.43倍。
（图：Midnight 前排旋翼采用倾转构型，在不同任务阶段的状态）
结合任务场景来看，复合翼（Cora）构型较与多旋翼（EH）相比，由于任务过程中的能量消耗较大，在短航程任务中的表现并不占优；倾转翼（Lilium）在长航程任务中表现好于复合翼（Cora），但面临的问题是能耗较大，尤其是此数据结果展示中的Lilium Jet。
下图展示不同构型下，载重和航程对应的线性关系。能够看到斜率表现为：倾转旋翼＞复合翼＞多旋翼，即从对于有效载荷和航程进行优化的效率来看，倾转旋翼具备较明显的优势。但倾转翼构型相较于复合翼构型存在如于机械控制和飞控系统复杂、研发/试飞难度大，研制风险和成本高、研制周期和适航认证过程长等问题。
（表：不同构型eVTOL的载重和航程性能表现）
诚然，在低空经济推进的过程中，不同场景对eVTOL性能的需求不同，做到构型之间的完全取代一定不是因为完全的性能优势，还要从成本、适航等角度进行考虑，从海外整机厂的构型发展历程来看，似乎有向倾转旋翼进行收敛的趋势，其是否代表了诸多整机厂对倾转旋翼背后市场的预期，之后在思考篇中还会进行讨论。
（表：海外整机厂的构型似乎有向倾转旋翼收敛的趋势）
（图：机型图片下面的百分比为目前该构型的大致占比）
说明：实际的飞行器设计过程往往非常复杂，本文仅基于已知模型和信息提供思路参考
参考资料：
Electric VTOL Configurations Comparison
Flight Performance Estimation of eVTOL Aircraft Using Synthesis of Aerodynamics Theories of Rotorcraft and Fixed‑Wing Aircraft
An Efficient and Robust Sizing Method for eVTOL Aircraft Configurations inConceptual Design
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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（中）——性能分析
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