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一
DEP
eVTOL需要高效的垂直起降能力，因此区别于传统航空器的典型特征之一就是使用分布式电推进系统。电推进飞行器是以发电机结合储能装置(蓄电池、燃料电池等)给电动机供电，驱动螺旋桨、涵道风扇或其他装置产生飞行动力的新型飞行器。分布式推进系统是指通过在飞机的多个位置安装推进器来分散推力的产生。而分布式电推进系统是指利用电机具有相对尺度近似无关的特性（即一个大功率电机系统分解为总功率相同的数个小功率电机系统后，整个系统的功率密度和效率基本不变）采用多个相对较小功率电动机驱动较小直径风扇的方式取代超大直径风扇推进飞行器的设计。
1）结构简单性与轻量化：分布式推进系统通过在飞行器的不同部位安装多个小型推进器，取代了传统的大型发动机和复杂的机械传动系统，不仅减轻了飞行器的重量，还简化了结构，从而降低了制造成本和维护难度。轻量化还有助于提高飞行器的性能和航程。
2）低噪音特性：分布式推进系统由于使用了多个小型电动推进器，相较于传统发动机，其运行时产生的噪音显著降低。这一特性对于以后可能经常用于城市场景的eVTOL非常重要，能够提高其的社会接受度。
3）安全冗余：在分布式推进系统中，即使部分推进器发生故障，剩余的推进器仍然可以提供足够的推力来维持飞行，从而大大提高了飞行器的安全性。
4）垂直起降能力：相比于传统集中式推进，分布式推进方式可优化飞行空气流场，降低阻力和噪声，提高了系统安全性，也可以实现垂直起降等特殊功能，垂直起降功能对于需要在城市内操作的飞行器意义重大。
5）高能效：电动推进系统的能量转换效率远高于传统内燃机，通常可以达到90%以上。这意味着电动推进系统在将电能转换为机械能时损失更少，从而提高了能量利用率，减少了能源消耗，对于提高飞行器的续航能力和降低运营成本具有重要意义。
不过，分布式电推进系统想在eVTOL上实现更好的应用，需要解决能源管理的问题。分布式混合电推进系统的能源管理是一个由电子部件和机械部件组成的复杂系统，其中包含了多学科的交叉、先进的控制技术与控制方法等。若想实现飞行器垂直起降转快速平飞、提高航程、减小排放量等目标，需要对系统主要的能量流、能量功率的可用性、发动机和发电机的动力学特性等进行优化管理。方法之一是运用大数据建模进行最优能量分配。首先最优能量分配需要对历史大数据进行采集和优化。数据采集包括飞行过程中起飞、循环、降落过程中的动力系统的功率、能量变化情况，结合飞行环境数据、任务规划、姿态变化、航迹等信息，对不同典型工况和背景，进行大量的运行数据的采集。接下来利用多目标函数优化算法进行优化设计，获取动力性能最优、燃油经济性最优的解作为优化计算的最终解。混合电推进系统能源管理策略不仅是对当前飞行条件下的功率最优分配，还是基于环境感知和任务规划的能力最优分配。
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进一步拆分，分布式电推进系统可分类为纯电动电推进系统和油电混合动力推进系统。
纯电动电推进系统是指由供电系统和电力推进系统组成，不需要发动机。油电混合动力推进系统是指由发动机与电动机共同作用的推进系统。油电混合动力推进系统可以进一步分为并联式架构和串联式架构，并联式架构中发动机与电动机通过传动装置共同驱动螺旋桨；串联式架构中，发动机不直接提供动力，只驱动发电机提供电能。
对比来看，纯电推进飞行器优势主要在于，电推进系统对电能的利用率更高，而且运行过程零排放，运行过程中的噪声也大大降低。但是纯电推进eVTOL的续航能力受到电池技术水平限制，目前航程相对较短。
油电混合推进的优势则在于使用独特的推进架构，综合利用燃油发动机的高能量密度和储能电池的高功率密度，满足垂直起降飞行要求的同时，在长途任务中表现更佳。本田就曾表示其曾调研得出结论eVTOL 的最大需求场景是400公里的城际交通，目前锂电池能量密度还不足以达到这个航程，因此计划采用混动电推。缺点是结构会更为复杂。
从发展痛点看，纯电推进系统需要解决电池锂离子电池能量密度问题，电池能量密度越高，储存的电能就越多，直接影响eVTOL的航程。2024年3月工信部等四部门印发《通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030年）》，要求加快布局新能源通用航空动力技术和设备，推动满足电动航空器使用需求和适航要求400Wh/kg级航空锂电池产品投入量产，实现500Wh/kg级产品应用验证。在解决能量密度问题方面，当前的液态锂离子电池能量密度受限，固态锂离子电池具备更高能量密度潜力。相比于液态锂离子电池，固态电池拥有高安全性、高能量密度、轻量化等优势，是未来的发展方向。
1. 高安全性：传统液态锂离子电池热失效原理包括：碳酸酯类有机电解液溶剂沸点低，组分易燃易挥发；高温下电解液与正负极反应，产生气体；聚乙烯隔膜易熔融，低温易皱缩。而固态电池的固态电解质熔沸点更高，无液态电解液，安全性更高。
2. 高能量密度：固态电池正负极均采用高比能电极材料，轻量化后可大幅度提升体积/质量能量密度。目前液态锂离子电池的能量密度“天花板”约 300Wh/kg，而固态锂离子电池可凭借材料体系的更新实现更高能量密度，达 700Wh/kg 以上。
3. 轻量化：在液态锂离子电池中，隔膜与电解液合计占电池近40%的体积、25%的质量，二者被固态电解质取代后，电池厚度大幅降低，安全性提高，可省去电池内部温控组件，进一步提高体积利用率。
二
电机

在分布式电推进中，是由电机驱动分布在机翼或者机身上的多个螺旋桨或风扇构成推进系统为飞机提供推力。电机的功率密度直接影响着飞行器的有效载荷能力，电机的大范围变工况动力输出能力、可靠性和环境适应性是决定电推动飞行器动力特性和安全性的重要因素。
按照工作电源，电机主要可分为直流电动机、交流电动机。其中直流电动机中又分为有刷直流和无刷直流，有刷直流中包含永磁直流和电磁直流。电动车、无人机和eVTOL对于电机的选择由于成本、应用场景不同等原因而有所区别。
（1）电动车：更多选用永磁同步电机，永磁电机所具有较高的效率和较高的转矩可以提供更好的驾驶体验。同时永磁电机的高功率密度也可以帮助电动车在相同的体积下获得更高的动力。
（2）无人机：常用无刷直流电动机。无刷直流电机具有较低的重量和噪音，而且维护成本较低，适合无人机的飞行要求；二是无刷直流电机的转速较高，适合无人机中的高速飞行的需求。如大疆使用的就是无刷电机。
（3）eVTOL：对电机效率和转矩密度的要求较高，永磁同步电机是电推进动力系统很具前景的方案，因为轴向磁通永磁电机对径向空间的利用率高，在长径比较小的场合，功率密度和转矩密度具有优势。当前电动垂直起降飞行器，如 Joby S4、Archer Midnight 等均采用了永磁同步电机。
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eVTOL上使用航空级电机，对于安全性、环境适应性、高转矩性能等有较高的要求。eVTOL在悬停起飞、巡航飞行、悬停着陆时均需电机提供较高转矩并连续驱动，在一些特定情况下，如单个螺旋桨发生故障时，eVTOL则需要比悬停时更高的转矩输出；同时，出于控制噪音以及可靠性等方面的考虑，eVTOL更偏好于无齿轮箱的直驱方式。因此eVTOL在电机本身的高转矩性能要求上较汽车更高。环境适应性方面，航空级电机对于高低温、湿热、低温低气压、盐雾、臭氧、电磁兼容、振动等方面的要求较高，需要适应各类极端环境。
当前，通过提升电磁设计技术、热管理技术和轻量化技术降低电机结构重量和散热系统辅助重量，不断提高电机的功率密度和宽范围变工况动力输出能力，是eVTOL动力系统的主要发展趋势。根据《飞行汽车的研究发展与关键技术》，航空推进电机通过使用具备更高耐温极限的绝缘材料、更高磁能密度的永磁材料和更轻的结构材料，已经可使电机本体的额定功率密度超过5kW/kg。通过改善电机的电磁结构设计，例如采用Halbach磁阵列、无铁芯结构、Litz导线绕组等技术，以及改善电机的散热设计，预计2030年电机本体的额定功率密度可达10kW/kg，2035年额定功率密度将超过13kW/kg。
三
构型
eVTOL的飞行器不同构型升力原理不同，同样是影响其安全性、使用场景等的因素。由于分布式电推进技术的使用，电动垂直起降飞行器的构型突破了传统架构的限制，具有更广阔的设计空间。目前主流的构型主要有多旋翼、复合翼和倾转旋翼等。
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对比三种类型，不同构型的制造难度、巡航效率等方面有所差异，并进而导致商业应用场景的不同。

1） 多旋翼型：多轴构型一般通过变转速机制控制姿态，如六旋翼、八旋翼等。对于多轴中的一轴，出现了两个变种，一个是共轴双桨，另一个是单桨附加变距机构（该设计结构复杂，在eVTOL中的应用较为少见）。共轴双桨的优点在于通过反向配置上下旋翼，实现扭矩抵消，减轻控制律分配负担。由于飞行过程中并没有采用气动力，因而其设计较为简单，是大多数初创公司的选择，但飞行速度慢、载荷小、航程短，仅适用城市内短距离空运。

2） 复合翼型：融合了固定翼和旋翼飞行器的特征，最大特点是具有巡航飞行的固定翼结构，另外配备两类旋翼，一类实现垂起功能，通常垂直配置在机翼或机翼附近，另一类辅助巡航飞行，通常放置于机尾。复合翼构型兼顾垂直起降和巡航飞行特点，提升巡航效率可发挥长距离载运经济性，但起降阶段的过渡控制是飞控系统设计的难点，在机翼周围配置多个垂起旋翼将消耗更多有效载荷，但垂起固定翼较其它构型最大的优势在于其通过合理配置气动焦点与重心位置可大幅提高气动性能，从而实现机动性与稳定性的均衡配置。总体性能介于多旋翼型和矢量推进型之间，可用于中程距离飞行。

3） 倾转旋翼构型：倾转旋翼构型是在机翼固定的情况下设置伺服机构，单独调整旋翼指向，如果旋翼较多，需要多个伺服机构。倾转机翼构型的旋翼大致沿弦长方向固连在机翼上，调节机翼倾转实现旋翼的整体倾转，避免了倾转旋翼所产生下洗对机翼的干涉。由于在不同飞行阶段采用不同的推进方式并存在过渡过程，结构相对复杂，因此技术难度也更大，但在航程、巡航速度和载重比方面优势明显，具有较好的有效载荷、最大起飞重量和运营经济性。

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倾转旋翼的主要难题是其复杂结构带来的气动特性问题以及为实现多种飞行模式多种飞行状态的操纵控制，需要配备复杂的飞行器控制系统。例如，倾转旋翼无人机在过渡模态时，存在明显的拉力矢量控制特性。同时，还存在着气动舵面操纵与拉力矢量控制之间的协调问题，使得过渡模态下飞行控制系统设计变得更加复杂。

目前，研究气动特性问题的主要方式是CFD（计算流体动力学）。CFD方法被广泛应用于倾转旋翼机的气动分析和优化设计中。通过建立精确的CFD控制方程和求解方法，可以模拟倾转旋翼机在不同飞行状态下的气动特性，从而进行详细的气动分析和优化。为了提高CFD求解的效率，倾转旋翼机的研究中常常采用并行加速技术。这项技术通过多核处理器并行计算，大幅度提升了求解速度，使得复杂的气动问题能够在较短时间内得到解决。

倾转旋翼机型的飞行控制方面，针对倾转旋翼机过渡模式的状态跟踪控制问题，南京航空航天大学的罗苛比等学者提出了基于过渡模式的非线性动力学模型，采用Jacobi线性化方法，并根据倾转角设计切换信号，建立线性切换系统模型。在此基础上，设计状态跟踪控制方案解决过渡模式的控制问题。

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