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eVTOL的航空电子设备漫谈

news 来源：原创 2025/5/19 15:46:17

电动垂直起降（eVTOL），也统称为城市空中交通（UAM），是民用航空平台发展的新方向之一。随着它们在市场上成为现实，它们将对所使用的航空电子设备有其自身的要求..

eVTOL概念

eVTOL领域的发展才刚刚超过10年。eVTOL与其他飞机的主要区别在于电动/混合动力推进、垂直起降以及为城市空中交通/空中出租车服务设计的运行架构。

要了解eVTOL所需的航空电子设备，必须将eVTOL平台作为一类空中运输进行更广泛的审视：

轻型和运动型飞机
直升机
固定翼飞机
超音速飞机（新兴）
eVTOL（新兴）
无人机系统（新兴）
飞行汽车（未来）

固定翼飞机和直升机都可以是电动的。然而，这两类飞机并不严格属于eVTOL。eVTOL类别的飞机模型可以为军事、商业（客运和货运）、商务和通用航空、城市空中运输、城市空中交通（城市）、先进空中交通（城际）等设计和开发。

大多数正在开发的eVTOL平台属于以下类型的预期动力源：

纯电动
混合动力
电动和化石燃料
电动和化石燃料衍生（如氢燃料电池）。

对于任何eVTOL飞机来说，另一个关键指标是它将如何被驾驶。eVTOL的发展和接受将有三个阶段：

第一代： 有人驾驶 1a) 传统飞行员 1b) 乘客“驾驶”
第二代： 远程驾驶
第三代： 自动驾驶——无需飞行员。

一些eVTOL开发商，如中国的亿航，正直接进入第三代，最初可能会有严格的操作限制。或者，他们的商业模式可能支持他们打算运营的特定地点所需的认证路径。请注意，自动驾驶也可以是部分的，乘客通过平板电脑设备扮演最小化的驾驶角色。

对于自动驾驶平台的航空电子设备需求将与有人驾驶和后来的远程驾驶非常不同。像Joby和Lilium这样的飞机开发商目前依赖于使用最新传统飞机航空电子设备的演变版本。

最后，为了进一步了解不同的eVTOL平台设计，有必要知道飞机将在何处运行。UAM可能涉及不同的环境，每个环境的操作将在不同阶段开始：

城市（市区内）
城市机场到城市
城市到郊区
区域内（城市到城市）
大都市区运营到最大允许范围。

从空中交通管制的角度来看，较低的城市环境主要由无人机和未来的飞行汽车占据，eVTOL主要在它们上方运行，传统飞机在eVTOL上方运行。

eVTOL模型总结

Table A Leading eVTOL Programs Summary

表A中总结的数据可能会发生变化，仅供参考。

eVTOL平台都仍在开发中，处于不同程度的初始认证阶段。可以得出的结论包括：

车辆性能的差异；
一些主要的航空电子设备原始设备制造商在eVTOL领域已经确立了自己的地位；
对本十年中期认证的乐观态度，尽管有一些谨慎的例外；
对未来市场和运营的不同方法；
大型参与者正在使用灵活的创新分支来开发未来的eVTOL飞机。

eVTOL航空电子设备考虑事项

eVTOL航空电子设备的关键指导必须包括两个主要考虑因素：SWaP(c)（尺寸、重量和功率，加上成本）和操作环境。前者影响硬件，后者影响操作架构和软件，两者之间有显著的交叉元素。

对于eVTOL来说，电力是一个巨大的未知数。一些平台开发商，如Joby、Lilium和亿航，已经飞行了演示飞机，而其他一些则飞行了缩小版。在全尺寸飞机飞行之前，真正的航程和性能能力只是估计。

完成的飞机意味着SWaP考虑是现实的，尺寸是完整的，重量反映了最终的机身版本（包括设备、乘客、行李或货物负载），电源是最终配置。

有趣的是，虽然全尺寸飞机可以为客运UAM认证和运营，但缩小版（较小，但按比例缩小）可以用于小包裹递送、线路检查和其他任务。虽然全尺寸版本可以有人驾驶，但缩小版将保持远程驾驶或自动驾驶。

假设电力是唯一的电力来源，并且足以满足平均宣传任务，飞机必须有足够的“燃料”和电源管理，以到达备用垂直端口。这是为了防止首选端口关闭，或原始目的地的恶劣天气。

记住，对于任何全电动eVTOL，由于没有燃料燃烧，起飞重量将与着陆重量相同。eVTOL平台需要在各个方面都非常智能，因为它需要对物理环境的快速变化、密集的交通和额外的机动性做出反应。

随后的数据需求和对飞机电源的不断变化的需求，将需要由航空电子设备管理。此外，航空电子设备将包括飞行控制、全时云连接以及传统的航空电子通信、导航和监视（CNS）系统——所有这些都将与安装在其他类别飞机上的系统不同。

第一代有人驾驶eVTOL假设有执照的飞行员在控制。然而，开发商强烈希望允许乘客通过提供更大的冗余性、直观和自动化技术来充当飞行员。在世界某些地区，这可能是一个可接受的妥协，以减少重量和成本。

通过提供飞机恢复系统和“直接回家”命令，在紧急情况下，适航当局可能会认为安全裕度足够，让乘客充当飞行员。

不仅要考虑机上人员，还要考虑建筑物内或街道上的人。责任是提供飞行许可的一个重要因素，特别是对于任何商业运营，其中涉及金钱交易。

从航空电子设备的角度来看，系统可靠性至关重要，任何UAM飞机的系统安全评估（SSA）将需要多达四倍的主要航空电子设备装备，以确保没有单一故障点可以危及飞行。

这将需要开发更小、更轻的航空电子设备，并根据综合模块化航空电子（IMA）设计标准进行。

航空电子系统

至于航空电子系统本身，与固定翼飞机系统有显著的共性（至少最初是这样），直到UAM交通系统和新的基于5G的技术成熟。eVTOL飞机越自动化，对数据链路和基于云的服务的依赖就越大。

IMA产品将是包内子模块，能够执行多种功能。将有几个相同的模块，每个模块独立运行，并准备好在任何模块下线时接管。

希望（尽管不太可能）将适用开放架构政策。实际上，由于太多既得利益，短期内不太可能发生这种情况，尽管表面上有承诺。对于在不同平台和模拟器之间移动的飞行员来说，这将是困难的。

Table B Complete Avionics Package for an Advanced eVTOL Aircraft

表B列出了一架先进的有人驾驶eVTOL飞机的完整航空电子设备包。在查看列表时，有四个重要的考虑因素。

设计师正在开发超小型（USFF）航空电子设备，以适应许多要求和冗余，并满足具有挑战性的安全要求。
航空电子设备制造商面临的一个障碍是天线和安装它们所需的有限空间。否则，航空电子设备模块将容纳所有“设备”在离散的集成形式中。
列出的一些系统将被设计为主要模块中的一个产品。
有些系统是操作认证所必需的，而其他系统则支持这些系统的功能和冗余性，从而更容易获得完整的UAM交通管理路线访问权限。有些系统可能相似，并被认为是重复的。对于哪些系统将在密集的、潜在的危险的城市环境中表现最佳，仍有待观察。

认证

对于任何飞机，有两个独立的整体过程组成部分：安装在飞机上的设备的认证，以及飞机本身的认证。

设备： 对于设备，有一个技术标准命令（TSO）被开发并由该系统的任何制造商使用（例如，TCAS或GPS接收器）。虽然还有其他批准途径，但这些更具体于功能，或其使用地点，并可能涉及问题文件来解决。例如，抬头显示器（HUD）就是这种情况。

一旦设计获得批准，还需要额外批准设备生产，确保每项产品都按照设计生产，并完全复制。

飞机： 对于飞机，有一个“型号设计”的开发，以获得型号证书（TC）。以后添加的任何东西都是在补充型号证书（STC）下开发的。与设备一样，还需要额外的步骤来批准生产。

一旦生产出来，飞机及其机组人员必须获得批准才能操作，这可能是一个不断发展的过程，因为运营商寻求在不同的城市环境和条件下飞行他们的飞机。

航空电子设备： 对于航空电子设备，过程最初与设备相同，然后在飞机TC下集体批准，仅适用于该特定型号和型号的飞机（除非以后添加）。大多数以后添加的航空电子设备必须经过STC过程，有几种不同的方法。

航空电子设备是在各种设计要求下开发的，其中四个最重要的肯定适用于eVTOL：

DO-254 机载电子硬件设计保证指南
DO-178C 机载系统和设备认证的软件考虑
DO-160G 机载设备的环境条件和测试程序
ARP4754A 民用飞机和系统开发指南

这四个单独的指南足以使任何新系统开发者忙于测试和文书工作。航空电子设备认证机器将从创新和颠覆性变化中吸取一些动力，但幸运的是，这一切都是为了安全和可靠性。

eVTOL： 对于eVTOL和相应的航空电子设备，过程将是相同的。希望许多小型飞机将按照第23部分eVTOL标准开发，大型飞机将按照第25部分开发。也有可能适用第27和29部分（直升机认证）。然而，如果意图是商业运营，则需要第135部分（定期）、第91部分（不定期）或91K（部分）部分，其中第135部分提高了合规门槛，要求飞机及其设备具有更高的标准。

由于eVTOL的一些新航空电子设备的“新颖性”，设备认证路径将充满问题文件、特殊条件和有趣的“显示合规性”要求。从有人驾驶过渡到自动驾驶将进一步扩展“特殊类别和认证”，为这个新兴行业提供独特的挑战。

最后，对于eVTOL认证，可以从固定翼水平飞行中借鉴很多，现在也可以从无人机系统中投入的巨大努力中借鉴。后者包括远程飞行员、超视距和其他非传统的3D空域飞行方式（很快将以基于时间的操作作为4D操作）。

操作和基础设施

关于基于时间的4D操作，城市交通管理（UTM）可能看起来像一个地下铁路网络，但火车变成了飞机，车站变成了垂直起降机场。与火车一样，沿途有停靠站和中心枢纽。

虽然火车沿2D轨道运行，时间作为第三维度，但eVTOL将在3D空中走廊中运行，时间作为4D。

可以理解，用精确的时间控制3D操作的挑战将需要5G速度和带宽进行连接。最初，我们可以期望在特定城市地点进行单一运营商的原型操作。三个eVTOL环境要素之间的几个资金充足的合作正在进行中：车辆提供商、运营商和UTM。

从航空电子设备的角度来看，成功的eVTOL操作需要持续连接到可靠和有能力的地面基础设施，一切都不能留给偶然。这将需要时间来完全开发，因为原型操作开辟了经过验证、测试和批准的UTM流程，每个人都可以信任。

航空电子设备需要在结构环境中控制飞机，其中微气候在建筑物周围迅速形成，或者更容易受到电磁干扰（EMF）。

培训和支持

任何考虑开发eVTOL航空电子设备和基础设施的公司都需要从创新者转变为航空批准的制造商，这是一个很高的要求。通常被忽视的培训和支持是制造商产品组合的关键组成部分，应该尽早考虑。两个耗时且成本高昂的考虑因素是：

通过模拟进行培训
通过全球工厂批准的服务中心网络提供支持。

开发eVTOL的公司，如巴西航空工业公司，已经解决了这个问题——包括航空电子设备。其他公司仍处于创造性创新阶段。随着未来几年的发展，可以合理预期eVTOL项目的减少，因为“现实开始”。

市场为合并和收购做好了准备。

总结

令人兴奋的新领域eVTOL为未来几代人提供了如此多的机会。航空电子设备只是那个未来的一部分，当通过“前瞻望远镜”观察时，它似乎是一个大型虚拟云，连接到一个几乎没有设备的飞机。

乘客或远程操作员（货物）使用语音或触摸屏请求路线，所有计算都在机外完成。未来的空中飞行器将是一个感官巫师，始终了解其周围环境，就像一只鸟。

组合的感官数据也实时在机外处理。然后从同一个云提供飞行控制命令，作为一系列多个可操作性指令流，飞机从那里开始自主运行。

这一前景可能在2030年之后，甚至2040年之后到来。实现这一目标将是一个漫长而稳定的过程，eVTOL航空电子设备的发展将与空域重新设计、UTM和UAM认证演变同步进行。

任何推动颠覆性变化的人都应该坚持下去，但要理解，任何导致死亡事故的单一事件都可能使整个eVTOL项目倒退，并要求更严格的审查。

颠覆只能通过验证和验证每个航空电子设备的进步来实现，而这将需要额外的时间和成本。