推进城市空中交通的复合材料航空结构

飞行汽车的概念早已在流行文化中备受推崇，从20世纪60年代初的动画片《杰森一家》，到70年代《星球大战》中的陆地滑行器，以及近期科幻作品中的各种形态。它们都描绘了一个未来：日常交通将进入第三维度，绕过现代通勤的拥堵与交通。而且它们假设这种便捷交通触手可及——只是一个不算不可逾越的技术挑战。如今，在《杰森一家》播出近60年后，我们似乎终于站在了这场交通革命的门槛上。

目前，有多个飞机开发项目已深入制造与飞行测试阶段，旨在未来五年内帮助缓解全球大城市的客货运输压力。这些飞机均采用电池动力，高度依赖复合材料的减重与高强度特性。

UAM、AAM 与 eVTOL

这场交通革命有多个称呼。它始于电动垂直起降（eVTOL）飞机，但这一术语有时过于具体，因此业界转而使用城市空中交通（UAM）。NASA 倾向于使用先进空中交通（AAM），涵盖范围更广，弱化了技术的城市属性——尽管 AAM 实际上主要面向城市环境。

无论叫什么——本文采用更通用的 UAM——此类飞机旨在执行两大功能：一是提供有人驾驶或自主飞行的空中出租车服务，在直升机场/机场之间运送乘客，航程 25–400 公里，覆盖市内或城际；二是在同类环境下提供自主货运服务。

推动 UAM 的经济与指标众多，无法一一展开（KPMG 有相关技术与背景的入门介绍），但最大驱动力之一是全球快速城市化。联合国预测，到 2050 年，68% 的世界人口——约 71 亿人——将生活在城市地区，这将给地面交通基础设施带来巨大压力，使汽车出行日益困难。将出行拓展至城市上空可缓解这一压力，从而催生了蓬勃发展的 UAM 市场。

航空航天品质，汽车产量

无论市场力量与经济如何，UAM 制造商已进入前所未有的复合材料制造领域。UAM 飞机要投入运营，必须获得管理航空旅行的机构认证，就像大型商用飞机一样。美国由 FAA 负责，欧洲由 EASA 负责。获得认证要求飞机满足特定安全与性能指标。使用复合材料满足认证要求虽非易事，但通过几种常见的材料与工艺组合完全可行。

然而，UAM 制造商也在考虑数百甚至数千架的全速生产量。这与波音 787 或空客 A350 每月 8 架的生产率截然不同。实现这种产量需要开发能够可重复、可靠、高效地生产高质量、合格航空结构的工艺、工艺控制与自动化技术。因此，UAM 制造成为复合材料行业常用语“航空航天品质，汽车产量”的典型代表。

空中出租车服务的领军者之一是 Uber，其创建了 Uber Elevate 空中共享出行服务。Uber Elevate 与多家 UAM 制造商签约，由他们制造飞机，包括 Aurora Flight Sciences、Bell、Embraer、Hyundai、Jaunt Air Mobility、Joby Aviation、Overair 与 Pipistrel Vertical Solutions。

Uber 车辆设计与结构负责人 Mischa Pollack 在 CAMX 2020 演讲中表示，公司预计 2023 年在少数城市完成服务初步认证，2026 年扩展，2028 年大规模推广。到 2035 年，Uber Elevate 期望在 50 多个市场提供空中共享服务，每年需求 1 万架 UAM 飞机。“这个数字，”他说，“仍更接近商用航空制造节奏，但我们仍需要复合材料制造进化。”

这种进化是什么样子？Pollack 的全速生产愿望清单，基本上是复合材料行业多年来预期的工业化路线图：每年高达 4500 公吨的高模量/高强度碳纤维，通过自动铺带与自动铺丝提升自动化程度，扩大压缩成型与挤出成型工艺应用，策略性使用纤维增强增材制造，自动化粘接与焊接，实时在线检测，近零废料，增加低隐含能量材料使用，大量采用回收材料，并应用可持续能源、材料与工艺策略。

幸运的是，复合材料行业还有几年时间发展供应链以满足这些需求。与此同时，各 UAM 制造商的量产路径各异：一些如下文所述完全自产；一些原型自制但量产外包；另一些从一开始就引入第三方合作伙伴并将维持该策略。

目前有 100 多家公司致力于开发用于空中出租车或货运的 UAM 飞机，但只有少数获得足够资金制造飞行原型或验证机，它们是：Beta Technologies（美国佛蒙特州南伯灵顿）、EHang（中国广州）、Joby Aviation（美国加州圣克鲁兹）、Lilium（德国慕尼黑）、Pipistrel（斯洛文尼亚阿伊多夫希纳）、Volocopter（德国布鲁赫萨尔）和 Wisk（美国加州山景城）。

本文介绍的所有 UAM 飞机有共同特点：一、体积较小，可载 2–4 名乘客或等重货物；二、几乎全自主飞行；三、纯电动，依赖可充电电池；四、依靠升力旋翼实现垂直起降。并非所有制造商愿向《CW》透露复合材料应用细节，以下为获取信息的汇总。

Beta Technologies

Beta Technologies 正悄然快速推进，开发可载 5 名乘客的有人驾驶 eVTOL “ALIA 250c”。该机型配备四个升力旋翼和一个推进旋翼。升力旋翼位于机身上方机翼前后的臂杆上；推进旋翼位于水平尾翼后方的机尾。ALIA 250c 目标航程 400 公里，虽设计载客，但首个应用将为启动客户 United Therapeutics 运输人体器官。

ALIA 250c 的所有复合材料结构由 Blue Force Technologies（BFT，美国北卡罗来纳州莫里斯维尔）制造，后者专注于航空航天终端市场的复合材料零部件与结构的设计、工程、工装、原型与全速生产。BFT 未来项目副总裁 Shawn Herrmann 表示，团队面临 Beta Technologies 设定的多项重量与性能指标挑战，设计遵循三大要素：严格的最小结构重量分数（占飞机总重 25%）、需气动融合的多结构接口高度弧面构型、以及接头极少的高度单元化结构。

“Beta 追求的航程设计点前所未有，因此我们必须在不牺牲悬停空重分数的前提下携带大型高效机翼，”Herrmann 说。“结构每减少一磅，就能多装一磅电池，从而延长航程。”

为制造首架飞机，BFT 必须用适合软工装的工艺达成激进重量目标，且性能不输典型的低温固化标准模量预浸料。“我们发现，采用自主研发的树脂注射工艺结合软工装方案，制造整架实验级[可试飞]机身所需时间，与为预浸料原型制作碳纤维工装所需时间相当。”Herrmann 表示。

Herrmann 称，BFT 过去五年一直在开发用于原型机主体结构的树脂注射技术。在 ALIA 项目中，公司进一步进行材料与工艺测试，迭代优化注射技术，以获得满足项目结构重量分数要求的力学性能。且所用树脂体系仅需室温固化和自由站立后固化。此外，BFT 致力于以最少接头制造 ALIA 结构，意味着长单元化结构——包括 50 英尺机翼和两根承载升力旋翼的 35 英尺臂杆。

Herrmann 透露，首架 ALIA 所用树脂体系为内部开发，非正式合格材料。这虽足够原型阶段，但随着 ALIA 进入生产，认证可能迫使材料与工艺决策改变，包括可能转向预浸料。“认证将成为量产飞机材料选择的主要驱动力，”Herrmann 说。“量产飞机外观相同、重量相近，但将采用利于认证和高速生产的材料与工艺。”

全速生产的其他考量——Beta 未披露产量——包括材料与工艺流程、自动化。BFT 已着手前者，Herrmann 称后者几乎是必然：“自动化必须产出设计所用的力学性能，必须达到工厂设计产率和预测的最低经常性成本，并被证明可重复、可靠，生产的层压板与基于损伤容限认证方法假设的缺陷尺寸和密度一致。我们预见铺放、检测、修边/钻孔、装配等各环节将采用各级自动化的量产未来。”

EHang

EHang 走了一条略有不同的路线，开发自主直升机式 eVTOL“EHang 216”，用于载 2 名乘客或货物（亦称空中物流）的空中出租车服务。它配备八对同轴旋翼，每个旋翼安装在从机身底部径向伸出的结构臂上，旋翼臂可垂直折叠便于存放。与 Volocopter 的 VoloCity 类似，EHang 216 采用滑橇式起落架。最大载荷 220 公斤，最大航程 35 公里。

网上有大量 EHang 216 试飞视频，展示其客货运能力。2020 年 5 月，EHang 获得中国民航局颁发的全球首个商业试运行批准，许可 EHang 216 用于空中物流。2020 年 7 月，又获加拿大民航局颁发特别飞行作业证书，允许在加拿大魁北克试飞。

EHang 216 的战略制造合作伙伴（含复合材料）为航空航天制造商 FACC AG（奥地利里德）。EHang 与 FACC 均未向《CW》透露复合材料与工艺信息，但 FACC 报道称将与 EHang 优化在研飞机并协助制定量产计划，还将协助认证、售后维护服务及研发。

Joby Aviation

Joby Aviation 的高曝光度 AAM 项目正开发一款尚未命名的有人驾驶直升机式 eVTOL，用于载 4 名乘客的空中出租车服务。Joby 飞机的显著特征是六个倾转旋翼：机身上方机翼各装两个，尾部装两个。采用三轮起落架，航程 240 公里，最大时速 320 公里/小时。

Joby 与 Uber Elevate 有多年商业合作，但也考虑自行推出共享服务。无论如何，公司目标 2023 年投入运营。

Joby 未向《CW》透露复合材料与工艺信息，但众所周知，Joby 在圣克鲁兹设施内外建立了大量复合材料制造业务。Joby 高级开发人员 John Geriguis 在 CAMX 2020 演讲中表示，Joby 的工业化目标与 Uber 的 Pollack 所述相似，但表述为公司希望在复合材料制造中避免的事项：极少或零废料、无材料过期、无材料外放时限、无人力资源问题、无人为变量依赖、无人工检测、全制造后无返修。Geriguis 还指出，尽管目前使用热固性树脂体系，但未来机型有引入热塑性复合材料的机会。

Lilium

德国 Lilium 正开发“Lilium Jet”，一款可载 4 名乘客的有人驾驶固定翼 eVTOL 空中出租车。尽管名为“Jet”，但 Lilium Jet 由 36 个倾转管道风扇驱动，安装在机翼前缘和水平尾翼上。面向城际服务，航程 300 公里，最大时速 300 公里/小时。Lilium 已完成飞行测试，可在其官网观看 2019 年 10 月发布的视频。2020 年 7 月，Lilium 宣布与东丽（日本东京）签订碳纤维供应合同。公告称，东丽将初期直接向 Lilium 供应碳纤维，用于生产额外技术验证机；当 Lilium Jet 进入原型与生产阶段，东丽将向为 Lilium 制造复合材料零部件的供应商供货。

Lilium 首席项目官 Yves Yemsi 表示，碳纤维复合材料将用于 Lilium Jet 所有主体结构，包括机身、机翼与襟翼。Lilium 承诺提供反馈与信息，但截至发稿未收到。

Pipistrel

Pipistrel 略显与众不同，开发自主 eVTOL“Nuuva V300”，不载客，面向空中货运与物流。采用八个升力旋翼和一个推进旋翼，最大载荷 460 公斤。货物存放于机身内，从侧面或机头舱门装卸。Pipistrel 正制作首架 Nuuva V300 原型机，但已接受量产订单，计划年产“数百架”。

Pipistrel 称拥有 25 年以上复合材料航空结构制造经验，Nuuva V300 侧重零部件互换性、现场可修性和快速固化工艺。仅使用环氧基预浸料，主要采用手工铺层和室温固化，小件偶尔用高压釜固化。预计量产时将大量采用非高压釜预浸料自动化工艺。

Volocopter

Volocopter 开发的“VoloCity”是两座自主直升机式 eVTOL，采用滑橇而非轮式起落架，由 18 个升力旋翼驱动，最大载荷 200 公斤，最大空速 110 公里/小时，航程 35 公里。VoloCity 旋翼布置在锚固于机身顶部的结构环上：12 个等距分布于环外圆周，6 个位于内圆周。每个旋翼直径 2.3 米，环总直径 11.3 米。Volocopter 现接受 VoloCity 预订，目标 2023 年投入运营。

Volocopter 称在 VoloCity 整个机身、旋翼平面和座椅应用复合材料。原型与验证机由未具名的复合材料制造合作伙伴采用碳纤维和玻璃纤维通过湿法铺层制造。树脂类型未披露，大概率为环氧树脂。Volocopter 表示：“基于时间限制和目标，使用符合我们生产时间表需求的合格材料至关重要。”VoloCity 进入全速生产时，预计转为非高压釜预浸料，由“国际制造商”加工。

Volocopter 年产量未知，但公司回复信息请求时暗示“数千架”，并称：“可以肯定的是，我们要实现的生产率更接近汽车制造商，而非当前的飞机制造商。”

Wisk

Wisk 由波音（美国华盛顿州西雅图）和 Kitty Hawk（美国加州帕洛阿尔托）合资成立，开发两座自主固定翼 eVTOL 空中出租车“Cora”。Cora 由 12 个升力旋翼驱动——每侧机翼前后各三个——和一个位于机身后端、尾部前方的推进旋翼。采用三轮起落架。最大航程 40 公里，最大时速 160 公里/小时。

Wisk 称 Cora 所有主体结构在内部用复合材料制造，采用专有树脂与纤维组合。Wisk 表示：“选择合格材料是因为从已验证方案开始设计通常更容易。”制造工艺为激光引导手工铺层，真空袋非高压釜固化。成品结构通过极限载荷测试、热成像和超声检测评估。产能提升时，公司预计引入自动化技术以满足“eVTOL 设想的生产率”。Wisk 还表示，Cora 全速生产时预计保持内部制造，产能瓶颈时由承包商补充产能。

制造商/机型	推进方式	控制方式	载员/载荷	最大航程	最大时速
Beta Technologies ALIA	4 升力旋翼, 1 推进旋翼	1 名飞行员	5 名乘客	400 公里	274 公里/小时
EHang EHang 216	16 旋翼 (8 对)	自主	2 名乘客或 220 公斤	35 公里	130 公里/小时
Joby (未命名)	6 倾转旋翼	1 名飞行员	4 名乘客	240 公里	320 公里/小时
Lilium Lilium Jet	36 倾转管道风扇	1 名飞行员	4 名乘客	300 公里	300 公里/小时
Pipistrel Nuuva V300	8 升力旋翼, 1 推进旋翼	自主	460 公斤 (货物)	300 公里	220 公里/小时
Volocopter VoloCity	18 旋翼	自主	2 名乘客或 200 公斤	35 公里	110 公里/小时
Wisk Cora	12 升力旋翼, 1 推进旋翼	自主	2 名乘客或 180 公斤	40 公里	160 公里/小时