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前言：

至2021年2月“低空经济”首次写入国家规划以来，国家层面及全国各地方政府密集出台鼓励政策，推动万亿级市场规模形成。低空经济前景广阔，我们持续关注产业链投资机会。

当前较多厂家采用了开放式旋翼构型，如Joby、Archer、峰飞、沃兰特、沃飞等等。也有部分厂家采用涵道风扇方案，如Lilium。国内目前也有采用倾转涵道方案的创业公司。开放式旋翼与涵道风扇各有优劣，以下对两种技术方案进行详细比较：

开放式旋翼及涵道风扇构型代表机型

Source：Joby Aviation、Lilium、Archer Aviation、Volocopter官网

1.技术方案优劣势对比

1.1 开式旋翼优势：结构简单、重量轻、效率高

开式旋翼构型的eVTOL飞行器，其旋翼直接暴露在外部，没有额外的外壳包裹。这种设计使得其结构相对简单，零部件数量较少，从而降低了制造成本和维护难度。例如，采用开式旋翼的eVTOL飞行器在生产过程中，由于不需要复杂的模具来制造涵道等结构，生产效率更高，生产周期更短。在重量方面，由于少了涵道等部件，开式旋翼的重量较轻，这使得飞行器在起飞和飞行过程中需要消耗的能量更少，进而提高了其能源效率。据相关研究，开式旋翼的效率在某些工况下比涵道风扇高出约10%左右，这使得开式旋翼在续航里程和载重能力上有一定的优势。

1.2 开式旋翼劣势：噪音大、安全性低、气动干扰大

开式旋翼在运行过程中，旋翼与空气直接接触，产生的噪音较大。尤其是在城市环境中，这种噪音会对周边居民的生活产生较大影响。研究表明，开式旋翼在高速旋转时产生的噪音强度可达90分贝以上，远高于涵道风扇。在安全性方面，由于旋翼暴露在外，一旦出现故障，可能会对周边人员和物体造成伤害。此外，开式旋翼的气动干扰较大，当多个旋翼同时工作时，相互之间的气流干扰会影响飞行器的稳定性和操控性。例如，在多旋翼eVTOL飞行器中，开式旋翼之间的气流相互作用可能导致飞行器在悬停和低速飞行时出现抖动现象，影响飞行品质。

1.3 涵道风扇优势：安全性高、噪音低、气动效率高

涵道风扇的旋翼被包裹在涵道内，这种设计大大提高了安全性。即使在旋翼故障的情况下，涵道也能起到一定的保护作用，防止旋翼碎片飞溅伤人。同时，涵道风扇的噪音相对较低，其噪音强度一般在70分贝左右，比开式旋翼低约20分贝。这使得涵道风扇更适合在人口密集的城市环境中使用，减少了对居民的噪音污染。在气动效率方面，涵道风扇通过涵道的流道设计，能够更好地控制气流，减少气流的损失，提高气动效率。实验数据显示，涵道风扇的气动效率比开式旋翼高出约15%左右，这使得涵道风扇在飞行器的悬停和低速飞行阶段具有更好的性能表现。

1.4 涵道风扇劣势：结构复杂、重量重、成本高

涵道风扇的结构相对复杂，需要设计和制造涵道、导流叶片等部件，这增加了制造难度和成本。与开式旋翼相比，涵道风扇的零部件数量更多，生产工艺要求更高。例如，制造一个高质量的涵道风扇，需要使用先进的材料和精密的加工技术，这使得其制造成本比开式旋翼高出约30%左右。在重量方面，由于涵道等部件的存在，涵道风扇的重量比开式旋翼重约20%左右。这增加了飞行器的起飞重量，对飞行器的性能和续航能力产生了一定的影响。此外，涵道风扇的维护也相对复杂，需要对涵道内部的部件进行定期检查和维护，这增加了维护成本和工作量。

2.不同方案关键技术对比

2.1 开式旋翼关键技术：旋翼设计、动力系统匹配、飞行控制算法

（1）旋翼设计

开式旋翼的设计是影响eVTOL飞行器性能的关键因素之一。其主要关注点包括叶片形状、数量、材料以及桨叶的扭转角度等。

叶片形状与数量：通常，增加叶片数量可以在一定程度上提高升力，但同时也会增加空气阻力和能耗。研究表明，对于小型eVTOL飞行器，三到四片叶片的旋翼在效率和稳定性之间取得了较好的平衡。例如，Joby Aviation的S4 eVTOL采用了四片叶片的旋翼设计，在悬停和巡航阶段均表现出良好的性能。

材料选择：先进的复合材料如碳纤维增强复合材料被广泛应用于开式旋翼的制造。这些材料具有高强度、低重量的特点，能够有效减轻旋翼的重量，同时提高其抗疲劳性能。与传统的金属材料相比，碳纤维复合材料旋翼的重量可减轻约30%，且使用寿命延长20%以上。

桨叶扭转角度：合理的桨叶扭转角度可以优化旋翼在不同飞行阶段的气动性能。通过精确计算和实验验证，桨叶扭转角度的优化可以使旋翼在悬停时的升力系数提高10%左右，同时在巡航阶段降低能耗约5%。

（2）动力系统匹配

开式旋翼eVTOL飞行器的动力系统需要与旋翼的性能紧密匹配，以确保飞行器在各种工况下都能高效运行。

电动机选择：高功率密度的电动机是开式旋翼eVTOL飞行器的理想选择。例如，YASA公司开发的高性能电动机，其功率密度可达7kW/kg，能够为旋翼提供充足的动力，同时保持较小的体积和重量。这种电动机的效率在90%以上，能够有效减少能量损耗。

电池技术：电池的能量密度和功率密度直接影响飞行器的续航能力和动力输出。目前，锂离子电池是主流选择，但其能量密度仍有待提高。一些公司正在研发固态电池技术，以期实现更高的能量密度和安全性。固态电池技术进步，有望助推eVTOL产业化落地。例如，QuantumScape公司开发的固态电池原型，其能量密度比传统锂离子电池高出约50%，有望显著提升eVTOL飞行器的续航里程。

动力传输系统：高效的动力传输系统可以减少能量在传输过程中的损耗。采用直接驱动或高效的齿轮传动系统可以提高动力传输效率。例如，采用直接驱动系统的开式旋翼eVTOL飞行器，其动力传输效率可达95%以上，相比传统的齿轮传动系统，减少了约5%的能量损耗。

（3）飞行控制算法

飞行控制算法对于开式旋翼eVTOL飞行器的稳定性和操控性至关重要，尤其是在复杂的气动环境下。

多旋翼协同控制：在多旋翼eVTOL飞行器中，各旋翼之间的协同控制是关键。通过精确的传感器反馈和先进的控制算法，可以实现旋翼之间的速度和角度的精确调整，从而提高飞行器的稳定性和操控性。例如，采用先进的PID控制算法结合模型预测控制（MPC）技术，可以使飞行器在悬停时的抖动幅度降低30%以上。

自适应控制算法：自适应控制算法能够根据飞行环境的变化自动调整飞行器的控制参数。例如，在遇到阵风或气流扰动时，自适应控制算法可以快速调整旋翼的转速和角度，以保持飞行器的稳定飞行。研究表明，自适应控制算法可以使飞行器在复杂环境下的稳定飞行时间延长20%以上。

故障诊断与容错控制：开式旋翼的暴露特性使其在故障发生时更容易被检测到，但同时也需要有效的故障诊断和容错控制算法。通过实时监测旋翼的状态参数，如转速、振动频率等，结合故障诊断算法，可以快速识别故障类型并采取相应的容错措施。例如，当检测到某一个旋翼出现故障时，容错控制算法可以自动调整其他旋翼的转速和角度，以维持飞行器的平衡和安全飞行。

2.2 涵道风扇关键技术：涵道设计、风扇优化、矢量推力控制

（1）涵道设计

涵道的设计对于涵道风扇的性能和效率起着决定性作用，其关键在于流道形状、入口和出口的几何参数等。

流道形状优化：合理的流道形状可以有效减少气流的损失，提高涵道风扇的气动效率。通过计算流体动力学（CFD）模拟和风洞试验，可以优化流道的形状，使其在不同工况下都能保持良好的气动性能。例如，Lilium公司的涵道风扇采用了一种特殊的流道设计，其气动效率比传统设计提高了约12%。

入口和出口几何参数：入口和出口的几何参数对涵道风扇的性能也有重要影响。入口的扩张角和出口的收缩角需要经过精确设计，以减少气流的分离和损失。研究表明，合理的入口扩张角可以降低涵道风扇的进气阻力约10%，而优化的出口收缩角可以提高其出气效率约8%。

材料与结构：涵道的材料和结构设计需要兼顾强度、重量和成本。采用轻质高强度的复合材料可以减轻涵道的重量，同时提高其抗疲劳性能。例如，采用碳纤维复合材料制造的涵道，其重量比传统金属材料减轻约25%，且使用寿命延长30%以上。

（2）风扇优化

风扇的设计和优化是提高涵道风扇性能的核心环节，主要涉及叶片形状、数量、材料以及转速控制等方面。

叶片形状与数量：与开式旋翼类似，涵道风扇的叶片形状和数量对其性能至关重要。通常，涵道风扇的叶片数量较多，以提高其气动效率。例如，Eve Air Mobility的eVTOL飞行器采用的涵道风扇有六片叶片，通过优化叶片的形状和扭转角度，使其在悬停和低速飞行阶段的气动效率提高了约15%。

材料选择：涵道风扇的叶片材料需要具有高强度、低重量和良好的抗疲劳性能。碳纤维复合材料是常见的选择，其强度比传统金属材料高50%以上，而重量却减轻约30%。此外，一些新型的复合材料如碳纳米管增强复合材料也在研发中，有望进一步提高叶片的性能。

转速控制：精确的转速控制对于涵道风扇的性能和效率至关重要。通过先进的电机控制技术，可以实现对涵道风扇转速的精确调节，从而提高其在不同工况下的性能。例如，采用矢量控制技术的涵道风扇，其转速控制精度可达±1%，能够有效提高飞行器的稳定性和操控性。

（3）矢量推力控制

矢量推力控制是涵道风扇eVTOL飞行器的重要技术之一，它通过改变推力的方向来实现飞行器的姿态控制和机动性。

推力方向调整：通过改变涵道风扇的安装角度或采用可动的导流叶片，可以实现推力方向的调整。例如，Lilium公司的eVTOL飞行器采用了可倾转的涵道风扇设计，通过电动机驱动涵道风扇的倾转机构，可以在不同飞行阶段快速调整推力方向，从而实现垂直起降、悬停和巡航等多种飞行模式的转换。

控制算法：矢量推力控制需要精确的控制算法来实现推力方向的快速调整和稳定控制。通过结合飞行姿态传感器的数据和先进的控制算法，可以实现对矢量推力的精确控制。例如，采用自适应控制算法结合模糊控制技术，可以使飞行器在姿态调整过程中的响应时间缩短20%以上，同时提高姿态控制的精度。

系统集成与优化：矢量推力控制系统的集成和优化是提高飞行器性能的关键。需要考虑涵道风扇与飞行器结构、动力系统和飞行控制系统的协同工作。例如，通过优化涵道风扇的安装位置和倾转角度范围，可以提高飞行器的整体气动性能和机动性，同时减少对飞行器结构的影响。

3.不同方案的技术难点

3.1 开式旋翼技术难点与解决：噪音控制、安全性提升、气动干扰优化

开式旋翼的噪音问题一直是制约其在城市环境中广泛应用的关键因素。研究表明，开式旋翼在高速旋转时产生的噪音强度可达90分贝以上，远高于涵道风扇。为解决这一问题，研究人员正在探索多种降噪技术。例如，通过优化旋翼的叶片形状和扭转角度，可以有效减少噪音的产生。以Joby Aviation的S4 eVTOL为例，其采用的四片叶片旋翼设计，通过精确的空气动力学优化，使噪音强度降低了约15分贝。此外，采用新型的低噪音材料和涂层技术，也能在一定程度上减少噪音的传播。例如，使用特殊的吸音材料包裹旋翼的电机和传动部件，可以进一步降低噪音对周边环境的影响。

在安全性方面，开式旋翼的暴露特性使其在运行过程中存在一定的安全隐患。为了提升安全性，一些公司正在开发先进的旋翼防护系统。例如，采用可伸缩的防护罩，在旋翼运行时自动展开，一旦检测到异常情况，防护罩可以迅速收缩，保护旋翼免受外界撞击。同时，通过引入智能传感器和故障诊断系统，可以实时监测旋翼的状态，提前预警潜在的故障风险，从而采取相应的措施，避免事故发生。例如，采用高精度的振动传感器和温度传感器，结合先进的故障诊断算法，可以在旋翼出现故障前的几分钟内发出警报，为飞行员或自动驾驶系统提供足够的时间进行安全处置。

气动干扰也是开式旋翼面临的重要问题之一。当多个旋翼同时工作时，相互之间的气流干扰会影响飞行器的稳定性和操控性。为优化气动干扰，研究人员正在开发先进的气动布局设计和飞行控制算法。例如，通过合理调整旋翼的位置和间距，可以减少气流的相互干扰。同时，采用先进的飞行控制算法，如自适应控制算法和模型预测控制算法，可以实时调整旋翼的转速和角度，以适应复杂的气动环境。例如，采用自适应控制算法的eVTOL飞行器，在多旋翼协同控制下，其悬停时的抖动幅度降低了30%以上，显著提高了飞行器的稳定性和操控性。

3.2 涵道风扇技术难点与解决：结构复杂性简化、重量减轻、成本降低

涵道风扇的结构复杂性是其面临的主要技术难点之一。涵道风扇需要设计和制造涵道、导流叶片等部件，这增加了制造难度和成本。为了简化结构，研究人员正在探索新的设计方法和制造工艺。例如，采用一体化设计，将涵道和风扇的结构进行优化整合，减少零部件数量。同时，利用先进的3D打印技术，可以制造出复杂的内部结构，提高制造效率和精度。例如，Lilium公司采用3D打印技术制造涵道风扇的部分部件，不仅缩短了生产周期，还降低了制造成本约20%。

涵道风扇的重量问题也是影响其性能的关键因素。由于涵道等部件的存在，涵道风扇的重量比开式旋翼重约20%左右。为了减轻重量，研究人员正在开发轻质高强度的材料和结构设计。例如，采用碳纤维复合材料制造涵道和风扇叶片，可以显著减轻重量。研究表明，采用碳纤维复合材料的涵道风扇，其重量比传统金属材料减轻约25%，且使用寿命延长30%以上。此外，通过优化涵道的结构设计，如采用薄壁结构和轻量化框架，也可以进一步减轻重量。

成本问题是涵道风扇面临的另一个重要挑战。由于其结构复杂，制造成本较高。为了降低成本，研究人员正在探索多种途径。例如，通过优化生产工艺和供应链管理，可以降低制造成本。同时，采用标准化的设计和模块化生产，可以提高生产效率，降低生产成本。例如，Eve Air Mobility采用标准化的涵道风扇设计，通过模块化生产，降低了生产成本约30%。此外，随着技术的成熟和市场规模的扩大，涵道风扇的成本有望进一步降低。

4.不同方案的成本对比

4.1 开式旋翼成本构成：制造成本、维护成本、运营成本

开式旋翼的制造成本相对较低，主要得益于其结构简单。由于不需要复杂的涵道和导流叶片等部件，其零部件数量较少，生产工艺也相对简单。例如，制造一个开式旋翼的模具成本比制造涵道风扇的模具成本低约40%左右。此外，开式旋翼的材料成本也较低，主要使用碳纤维复合材料等轻质高强度材料，其材料成本占总制造成本的比例约为30%左右。

在维护成本方面，开式旋翼由于结构简单，维护相对容易。其主要维护工作包括定期检查旋翼的叶片、电机和传动系统等部件。根据行业数据，开式旋翼的年维护成本约为其制造成本的10%左右。例如，对于一架采用开式旋翼的eVTOL飞行器，其年维护成本约为5000美元左右。

运营成本主要包括能源消耗和人员成本。开式旋翼的能源效率较高，在某些工况下比涵道风扇高出约10%左右。因此，其能源消耗成本相对较低。以锂离子电池为动力的开式旋翼eVTOL飞行器为例，其每小时的能源消耗成本约为20美元左右。此外，由于开式旋翼的操作相对简单，对飞行员的技能要求较低，因此人员成本也相对较低。

4.2 涵道风扇成本构成：研发成本、生产成本、使用成本

涵道风扇的研发成本较高，主要由于其结构复杂，需要进行大量的流体力学模拟和实验验证。例如，Lilium公司为了开发其涵道风扇技术，投入了超过5000万美元的研发资金。涵道风扇的研发周期也相对较长，通常需要3-5年时间。

生产成本方面，涵道风扇的制造工艺复杂，需要使用先进的材料和精密的加工技术。其零部件数量较多，生产效率相对较低。例如，制造一个高质量的涵道风扇，其生产成本比开式旋翼高出约30%左右。其中，材料成本占总生产成本的比例约为40%左右，主要使用碳纤维复合材料和高强度铝合金等材料。

使用成本包括维护成本和能源消耗成本。涵道风扇的维护相对复杂，需要对涵道内部的部件进行定期检查和维护。其年维护成本约为其生产成本的15%左右。例如，对于一架采用涵道风扇的eVTOL飞行器，其年维护成本约为7500美元左右。在能源消耗方面，涵道风扇的能源效率相对较低，其每小时的能源消耗成本约为25美元左右。

5.总结

通过上述对开式旋翼与涵道风扇两种 eVTOL 技术方案的全面剖析，我们可以得出以下结论：

5.1 性能与应用场景对比

开式旋翼：凭借其结构简单、重量轻、效率高的优势，在短途运输、低空旅游等对续航里程和载重有一定要求，但对噪音和安全性要求相对较低的场景中更具竞争力。例如，在一些偏远地区的短途运输任务中，开式旋翼 eVTOL 可以凭借其较高的效率和较低的运营成本，实现快速、经济的人员或物资运输。

涵道风扇：则在安全性高、噪音低、气动效率高的特点下，更适合在人口密集的城市环境中应用，如城市空中交通中的空中出租车服务。其较低的噪音水平能够减少对城市居民生活的干扰，而较高的安全性也能更好地保障乘客和地面人员的安全，尽管其结构复杂、重量和成本较高，但在城市应用场景中的综合优势更为突出。

5.2 技术发展趋势

开式旋翼：未来的发展方向将聚焦于进一步优化旋翼设计，以实现更低的噪音水平和更高的安全性。同时，随着电池技术的不断进步，其能源效率有望进一步提升，从而拓展其应用场景和市场竞争力。此外，先进的飞行控制算法和智能传感器技术的应用，也将使其在复杂环境下的稳定性和操控性得到更好的保障。

涵道风扇：其技术发展将致力于简化结构、减轻重量和降低成本。通过采用一体化设计、3D 打印技术以及轻质高强度材料等手段，有望逐步克服其结构复杂和成本高的劣势。同时，矢量推力控制技术的不断优化，将进一步提升涵道风扇 eVTOL 飞行器的机动性和飞行性能，使其在城市空中交通等复杂应用场景中发挥更大的潜力。

5.3 成本效益分析

开式旋翼：在制造成本、维护成本和运营成本方面都具有明显的优势。其较低的成本使其在一些对成本敏感的应用场景中更具吸引力，尤其是在短途运输和低空旅游等领域，能够以较低的成本为用户提供服务，从而在市场竞争中占据有利地位。

涵道风扇：虽然其研发成本、生产成本和使用成本相对较高，但其在城市空中交通等高价值应用场景中的综合效益更为显著。随着技术的成熟和市场规模的扩大，其成本有望逐步降低，从而进一步拓展其市场应用范围。

综上所述，开式旋翼与涵道风扇两种 eVTOL 技术方案各具优势和劣势。短期内需要重点关注核心技术的攻克、量产可行性，以及未来的降本空间。

参考来源：

Source：Joby Aviation、Lilium、Archer Aviation、Volocopter官网

牛金宇．涵道共轴旋翼飞行器建模与验证［Ｄ］．南京航空航天大学

常永强 . 涵道风扇式无人机结构布局及其叶片空气动力学分析 [D]. 哈尔滨工业大学

刘凯 , 叶正寅 , 樊力 . 一种可倾转涵道垂直起降飞行器需用功率研究

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