本文是即将推出的“eVTOL构型”系列的“前传”，旨在于探讨垂直飞行的逻辑，通过对垂直飞行器的梳理，理解“eVTOL”构型背后的逻辑，更好认识“eVTOL"中的“VTOL” 。
关注本号的朋友应该也发现，我将“低空”系列分为了两类篇章，一类是“基础篇”，一类是“进阶篇”，前者主要是涉及理论以及概念，后者主要涉及产业和发展。“基础”并不是“简单”的意思，个人认为，在某种程度上，“基础”是我们认识“已知”的必经之路，我们能说出太多我们“已知”的东西，然而却并未真正认识。而要做到从“已知”推“未知”，就更要了解“已知”的源头。
1.“飞车”和直升机
在15世纪的欧洲，达芬奇曾提出类似直升机的“空气螺杆”概念。达芬奇认为，只要螺旋快速转动，它就能快速上升至空中。
（图：达芬奇手稿）
而在更早的中国东晋时期，道教理论家葛洪的《抱朴子》中有这样一句话：“用枣心木为飞车，以牛革结环剑以引其机”。1956年，在意大利举行的国际科学史第八次代表大会上，剑桥大学学者向中国代表团表示他们认为《抱朴子》中的这句话是关系到直升机的相关原理。同样，在《电动飞机和无人机：一段历史》中也引用了这句话，且作者认为这是关于直升机原理的首次记载。
（图：《电动飞机和无人机：一段历史》摘录）
可见，类似“飞车”这种的“大型竹蜻蜓”，在约公元360年时，反映了垂直起降的观念在人们心中的逐渐形成。
（图：王振铎先生对“飞车”的复原图）
而更为我们熟知的垂直起降“设备”竹蜻蜓，其结构分为“横片”与“手柄”，其中，“横片”有两个特点：（1）相对于旋转方向，前高后低，以保持正向迎角；（2）剖面为非对称翼型，以产生升力。
这便对应了直升机的旋翼桨叶构型，只不过除了围绕中央旋转以外，直升机的旋翼桨叶还需要能够在三个轴向上进行运动，即挥舞、变距、摆振，这三个轴向的运动通过铰链（Hinges）得以实现。
（图：桨叶运动的方向）
（图：三个旋翼铰链：变距铰（Feathering）、摆振铰(Lead lag)、挥舞铰（Flapping））
挥舞铰让每片旋翼桨叶上下做一定幅度的运动，以解决直升机前进时产生的左右升力不一致的问题，然而桨叶上下挥舞会带来科氏力（Coriolis force）的影响，由于角动量守恒，旋转半径小的桨叶会转的更快，所以要引入摆振铰来允许桨叶前后做小幅度摆动，变距铰使得每一片桨叶绕其轴线在一定范围内偏转，从而改变桨叶角度，改变升力大小，这种改变是控制直升机上下前后左右运动的关键。
（图：挥舞对迎角的影响（左）以及变距的过程示意）
通过分析直升机的额旋翼结构能够看出，直升机相较于固定翼飞机有更为复杂的气动布局，这也间接导致了直升机速度慢、操作难、稳定性较差等缺点。
此外，通过对比有效载荷和最大重量相当的贝尔47G直升机和固定翼塞斯纳172，能够观察到：（1）贝尔-47G油耗是塞斯纳172的3倍；（2）贝尔-47G的巡航速度只有塞斯纳172的1/2；（3）贝尔-47G的航程仅为塞斯纳172的1/3。因此，直升机相较于固定翼飞机的劣势还体现在效率上。
（表：塞斯纳172和贝尔-47G直升机参数对比）
导致直升机低效的原因很多，但从功率曲线来看，直升机的功率曲线包括诱导功率（Induced）、废阻功率(Parasite/Airframe）以及型阻功率（Profile）。在速度比较低的时候（如“悬停状态”），诱导阻力（在此对应“诱导功率”）较大，尤其是飞行器旋翼桨叶不断进入到下洗流中，因此直升机需要大量的功率才能保持悬停；而随着速度增加，诱导功率下降，其他类型的功率会快速上升，所以总功率存在一个极值点，该点产生最大升阻比（L/D max），此时具有最好的升力。
（图：直升机功率组成）
以上结合了直升机的结构分析了部分导致直升机低效的原因，然而，以直升机为代表的旋翼飞行器之所以存在，且在过去的几十年中取得发展，是因为其垂直起降性能可以在大量的场景应用进行固定翼飞机完成不了的任务，那如何既能解决直升机存在的诸多问题，又能设计出出色的垂直起降飞行器，或许eVTOL的发展能够指明解决这些问题的方向。
2.垂直起降的使用意义
自1903年怀特兄弟成功试飞了完全受控、依靠自身动力的固定翼飞机后，在往后的时期，固定翼飞机不断进化和演进。但在设计和功能上，固定翼飞机始终存在一些“先天不足”，典型的如需要跑道进行起降。而能够垂直起降的旋翼类飞行器飞行器的优点在于能够进行低空、慢速飞行，以及在不转向的情况下完成前后左右移动。
（图：直升机的悬停及左右移动）
这些性能特点赋予旋翼类飞行器在民用领域的应用在不断增加，由于具有垂直起降、空中悬停、超低空贴地飞行、能在狭小区域内起降等其他航空器所不具备的特点，旋翼飞行器在应急救援、灾后搜救体系中发挥着不可替代的作用，能够极大弥补固定翼飞机在低速范围内无法承担的工作。
（图：民用直升机的依靠垂直起降优势完成救援、搜救等任务）
但垂直起降并非旋翼类飞行器的专利，尤其在军用领域，能够看到垂直起降飞行器的跨越式发展。1958年，感受到来自苏联巨大压力的北约认为，即便自身拥有大量重型高速战机，但其起降条件非常苛刻（主要指跑道），而苏联的目标正是北约机场。在此背景下，1960年霍克公司的P1127战机诞生，其在多次测试，并进行量产后命名为“鹞式”，美军对其进行升级后命名为AV8B。不久后，同样借鉴苏联雅克141的F-35也成为了一代名机。
（图：美军AV-8B Harrier II 展示其出色的垂直起降性能(上），前苏联雅克-141的发动机布局（左下），F35垂直起降模式（右下））
尽管AV8B、F-35等具备垂直起降的战斗机看起来酷炫十足，但其垂直起降的实现基本上是依靠推力而不是升力实现，导致油耗巨大，在民用领域或许不是最好的构型，因此对于eVTOL，我们也需要通过能耗视角来审视构型设计。
3.旋翼类飞行器的构型
实际上，五花八门的构型并非是eVTOL独有的特点，传统的旋翼类飞行器经过多年发展，产生了多种构型。
（图：双旋翼结构直升机）
使用同轴主旋翼不仅能够解决左右升力不平衡的问题，并且同轴反转主旋翼+水平推进螺旋桨模式的飞行器还可以更聚焦平飞性能。
（图：同轴构型直升机SB1）
此外，随着旋翼构型不断推陈出新，采用倾转旋翼（Tilt-Rotor）构型的机型在巡航阶段，通过两台（或多台）推进装置提供推力，而在垂直起降或悬停任务中，两台（或多台）推进装置通过转向提供升力，典型的机型为V22鱼鹰。
（图：倾转旋翼构型飞行器）
作为当前世界上唯一现役实用大型载人倾转旋翼机，V22鱼鹰最大飞行速度达到510km/h，飞行模式相较于传统的直升机更加经济，其在飞行速度和航程上都拥有优越的性能（常规负载下航程1600km）。
（图：V22鱼鹰相对直升机H60更高、更快）
通过对比旋翼结构飞行器的典型构型特征，能够发现不同构型的飞行器具有不同的性能，逻辑在于：（1）经济性、安全性的优化；（2）满足不同任务场景需求。eVTOL的构型大概率也是遵循此逻辑，因此，在对旋翼构型飞行器，尤其是直升机垂直起降逻辑分析后，后续的篇章将结合相关逻辑对eVTOL的不同构型进行性能对比和发展趋势的探讨。
（图：eVTOL的构型方案）
参考资料：
张呈林,郭才根.直升机总体设计[M].国防工业出版社
Under Standing Flight. David F. Anderson，Scott Eberhardt
原文始发于微信公众号（宝哥研究室）：【低空经济基础篇2】eVTOL构型——垂直起降的逻辑
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