在此前的文章中，提到eVTOL的航程提升有助于企业解锁其他潜在的商业场景，但在此还要补充一点：eVTOL飞行速度的提升还能拓展更多具备时效性的任务场景，因此具备长航程和高航速的构型具备较大的商业价值，从下图能够看到倾转旋翼构型（Tilt-rotor）在飞行速度和航程上都要高于复合翼构型（Compound）以及多旋翼构型（Multi-rotor），这进一步解释了海外eVTOL整机厂构型有向倾转旋翼收敛的趋势。
（图：不同构型的eVTOL对应不同的应用场景，横轴为航程；纵轴为巡航飞行速度）
此外，在【低空经济进阶篇】eVTOL构型（中）——性能分析中，说明了倾转旋翼构型在“航程优化”上具备一定优势，但未从效率的角度对航程优化进行展开，原因是涉及到螺旋桨及电机参数讨论等相关问题，且该类问题是在构型设计之初就需纳入考虑，因此从该角度来看，也是对构型设计相关问题的进一步分析。
1.优化效率是在优化什么？
所谓“效率”，即“可用功率”与“需用功率”的比值。而“优化效率”便是研究如何减少飞行过程中的损失，使得“可用功率/需用功率”最大，从而提升航程。对于eVTOL来说，因其采用分布式推进系统（DEP），整体动力系统和飞行器结合的方案更加多样灵活，因此效率优化和构型设计的关系较传统飞行器而言更为密切。
（图：DEP下的不同eVTOL构型：Electra（左）& Joby S4（右））
由于Range =（Eb*ηt）/Drag（在此前的文章中对Eb和Drag已有相关分析），航程的提升还关系到ηt，即对整体推进效率进行优化，ηt即下图的ηprop，其又能进一步可拆分为ηv与ηi的乘积，相关解释见下图，本文不作展开。
（图：推进效率的解释与拆分）
我们只需知道，对于eVTOL（纯电）来说，动力系统推进装置主要包括电池、电机、螺旋桨等主要部分，因此，优化整体推进效率ηt就涉及到优化电池、电机、螺旋桨等关键部件的效率（总效率等于各个部分效率乘积），但本文不讨论电池，主要讨论螺旋桨和电机。
（图：电推动力系统结构）
2.优化的方向和权衡
2.1螺旋桨
事实上，在主流航空推进方式中，螺旋桨的推进等效涵道比（Bypass Ratio）能够达到50至100，有较高的燃油效率，且在较低的飞行马赫数下有较高的推进效率，具备良好的低速性能，能够很好地与低空应用场景进行结合。下图展示的是传统燃油飞行器的情况，受制于电池能量密度，eVTOL对螺旋桨的效率优化仍是构型设计中的重要考量。
（图：螺旋桨推进等效涵道比以及特定工作区间的推进效率）
（1）桨叶数量
选择合适的桨叶数量需要结合多方面参数综合考虑，如电机功率、螺旋桨转速、螺旋桨直径等（存在一定的流程顺序），但假如以上参数给定，则桨效会随着桨叶数量增加而下降，原因在于增加桨叶数量会导致型阻增加，下图(a)所示，在一定速度下，桨叶数量增加会使得桨效下降；而下图（b）又说明，桨叶数量的增加能够提升螺旋桨的推力和功率。
（图：螺旋桨效率、推力、功率与桨叶的关系）
如在2023年，德国MT螺旋桨公司将其开发的首型11叶螺旋桨，替换了一台 PT6A涡桨发动机的螺旋桨并在飞行试验台上开展了飞行测试。该型螺旋桨较该公司已认证的5叶螺旋桨静推力提升了15%。
（图：螺旋桨效率、推力、功率与桨叶的关系）
因此，在设计螺旋桨时，需根据飞行器设计性能需求和飞行工况比例，对桨叶数进行合理选择。从eVTOL的主机厂方案来看，复合翼构型的主机厂多采用2桨叶方案，主要是有助于在其巡航飞行过程中，降低飞行阻力。
（图：Wisk第五代eVTOL 起飞和巡航阶段螺旋桨的状态对比）
但也能看到部分复合翼构型在后排螺旋桨有采用3桨叶（Acrher Maker）甚至4桨叶（Wisk第六代eVTOL）的机型。桨叶的增加能够带来噪音的降低，这可能是排桨叶增加的原因之一，但更有可能的是，目前复合翼以及倾转旋翼构型eVTOL的螺旋桨设计似乎未使用类似直升机螺旋桨的铰接式设计，在巡航飞行过程的循环应力问题，会带来振动、噪声甚至是破坏等问题，而适当增加桨叶，能够降低单位桨叶载荷，从而规避以上问题。
（图：Wisk第六代eVTOL（左）& Acrher Maker ）
在倾转旋翼构型中，如Archer Midnight、Joby S4以及沃飞长空的AE200，其螺旋桨设计都采用5桨叶方案，这或许是综合获得更高推力、更高效率以及更高稳定性的结果。
（图：螺旋桨特写：Archer Midnight（左）Joby S4（右））
（2）桨叶直径
螺旋桨的桨叶直径越大，单位时间通过的空气流量越大。在螺旋桨吸收功率一定的条件下，较大的螺旋桨面积总体上有利于螺旋桨最大推力和推进效率的提升；并且桨叶直径的增加还能够降低螺旋桨滑流（Slipstream），进而提升效率。
但桨叶直径的持续增加又会对构型设计产生其他影响，例如总重量增加需要对机型的带电量和有效载荷进行权衡，并且越大的直径会导致越大的桨尖速度，而当桨尖速度较大时，会产生边界层分离（flow separation）、振动等现象。
（图：典型螺旋桨推进效率、拉力与直径的关系）
从主机厂设计来看，Joby S4的桨叶直径最大，达到2.9m，较大的桨叶直径意味着需要较高的能量需求，所以Joby S4需要匹配能够提供较大扭矩的电机；而复合翼构型螺旋桨个数较多，单个螺旋桨的直径不必过大，因此对应的单个电机输出扭矩要小于Joby S4所用的电机。
（图：部分机型桨叶直径对比，注：数据来源于公开资料仅供参考）
相较于开发式螺旋桨方案，Lilium采用的涵道风扇方案叶片直径更小（不到30cm），但重点在于，涵道风扇通过对推进系统进出口流通面积的影响，进而对空气进出口的压力和流速的改变，使得同样桨盘载荷条件下，涵道风扇的理论功率需求较开放式螺旋桨能提高41%；另一方面，较小的桨盘面积（直径小）意味着单个电机的功率和扭矩相对容易提供。但这仅是理论上，事实上涵道风扇方案需要飞行过程中的多方面考虑限制条件，设计的难度也会更大。
（图：Lilium涵道风扇推进系统）
2.2 电机
从上文可知，螺旋桨设计要使其需用功率与电机功率相匹配。由于功率=扭矩*转速，在转速一定的情况下，一个能匹配高扭矩电机的螺旋桨，与它在匹配一个相对低扭矩电机的时候，采用高扭矩电机能够获得较高的效率，也即采用高功率电机能够获得较高的效率。
（图：Joby S4电机峰值功率达236kW，峰值扭矩达1800Nm）
按照这个思路，如果单纯考虑提高电机功率和扭矩，就需要增加齿轮箱提高扭矩，Archer便采用这一方案，Archer通过增加齿轮箱将最大转速从2krpm到12krpm；并且减轻电机重量50%，来了额外有效载荷100lbs。此外，还可以采用更大功率和扭矩的电机，但这意味着电机更重，显然会对构型设计产生一定的负面影响。
（图：Archer的电机方案）
为获得高功率和高扭矩，会带来电机系统超重的问题，进而制约构型设计。因此，对于载重和航程都要求更高的构型来说，电机的核心需求在于高功率密度和高扭矩密度，从这一点来说，复合翼构型、多旋翼构型与倾转旋翼构型具备同样的需求。
（图：航空电机高扭矩密度、高功率密度需求显著）
目前较为成熟的方案是通过轴向磁通电机取代径向磁通电机以降低体积和重量，但对于航空应用显然不够，关于电机的发展趋势，在【低空经济进阶篇】eVTOL动力系统（下）中已有过简要讨论。
从市场的角度来看，目前国内多个整机企业从海外如Safran、EngineUS、Magnix等企业进行电机的采购来保障整机产品开发。
（图：海外厂商电机功率密度（kw/kg））
顺便一提，2023年中国电机市场占有率中，国内企业占94%，即便94%都是驱动电机企业，主要都是车用电机，另一方面，尽管我国新能源汽车渗透率逐渐提升，但新能源车电机的国产化率也只是超过50%。况且航空电机还需要更高热管理和其他控制技术。因此，中国航空电机仍然需要加快发展步伐，回归解决到长期以来的材料、加工、设计等问题。
(图：电机和电力电子系统发展预测)
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
许正宇,汤斯佳,何淼,等.螺旋桨气动参数与飞机综合设计技术[J].空气动力学学报,2023
魏宝泽,杨勇,张新榃,等.自动变桨距螺旋桨电推进系统能效优化方法[J].航空动力学报,2023
腾讯研究院.2024年中国eVTOL产业发展报告
高正，陈仁良. 直升机飞行动力学
李洪亮,康元丽,回彦年.电推进飞机促进航空业变革
Acoustic Flight Test of the Joby Aviation Advanced Air Mobility Prototype Vehicle
An Assessment of Current and On-The-Horizon eVTOL Technologies for a Flying Car
Flight Thrust, Power, and Energy Relations - MIT
Thrust Modeling for Propellers. Snorri Gudmundsson BScAE, MScAE, Ph.D.
General Aviation Aircraft Design (Second Edition), 2022
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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（下）——效率优化
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