基于电动垂直起降（eVTOL）飞机的飞行培训及模拟场景

基于电动垂直起降（eVTOL）飞机的飞行
培训及模拟场景
摘要：航空业是世界上最具创新性的产业之一。

从飞机设计和制造过程到技
术和控制，各个方面都在不断改进，为行业的持续发展做出了贡献。

在过去的几
年里，世界范围内，为了优化城市功能和推动经济增长，智慧城市的数量和对可
持续交通的需求急剧增长。

此外，世界各地的一些政府已经签署了《巴黎协定》，以减少各自国家的碳足迹，这推动了可持续的航空运输。

然而，由于交通拥堵加剧，在大城市中每天通勤的人乘坐公路出行变得非常困难，因此每天通勤的人正
在寻找高效、可持续、更安全的交通方式，以前往工作场所和其他理想的目的地。

此外，由于城市土地空间有限，一些特大城市已经达到了扩大道路基础设施的极限。

这为在智慧城市和超大城市使用电动垂直起降（即Electric Vertical Takeoff and Landing，简称eVTOL）飞机的城市空中流动性增长提供了机会。

1.eVTOL飞机类型
eVTOL飞机主要分为多旋翼构型、复合翼构型、倾转翼构型、倾转涵道四种。

多旋翼构型，如Volocopter，拥有多个旋翼，没有机翼或有短机翼，飞行器
巡航时依靠推进器提供全部或部分升力，技术风险和研制难度较低，但多旋翼构
型平飞时空气阻力较大，飞行效率较低，一般航时不超过30分钟，航程不超过
50公里，使用场景相对有限。

复合翼构型，如Alia-250，有机翼，有独立的螺旋桨分别提供升力和巡航推力，技术风险中等，难度中等；复合翼飞行效率高于多旋翼，但升力和推力来源
于不同的螺旋桨，意味着始终存在着效率浪费，达不到更高效率，速度也达不到
最快。

倾转翼构型，如世界知名军用飞机鱼鹰V-22，有机翼，由任一矢量推进器既
提供垂直升力也提供水平巡航推力，旋翼可以根据需要调整方向，起飞阶段，旋
翼像直升机螺旋桨那样提供升力，到了平飞阶段，旋翼可以向前倾转，提供向前的推力，升力则依靠固定机翼来解决。

优点是重量较轻，推力较大，在速度和航程上都更有优势；其缺点在于机械设计复杂、控制难度较高，因此安全性较低。

倾转涵道构型，如Lilium Jet，有机翼，无控制舵面，升力、推力、航向和姿态控制均由倾转涵道风扇提供，消除了开放性螺旋桨在安全方面的隐患，但目前无控制舵面的完全矢量控制技术还未被任何传统飞机采用或者验证过。

尽管eVTOL飞机仅分为多旋翼、复合翼、倾转旋翼和倾转涵道这四个大类，但是各个主机厂对于同一种构型的eVTOL飞机的设计差异较大。

差异化设计给飞行培训设备和飞行员的培训带来了极大的挑战。

因为现在民航的飞行培训设备与机型是一一对应的，显然不适用于eVTOL飞机，因此这里引入简化飞行操纵（即Simplified Vehicle Operations，简称SVO）作为eVTOL飞机飞行培训未来的可能性。

1.基于SVO的飞行培训
SVO，首先由NASA和Uber的专家提出，是将自动驾驶技术与航空驾驶舱技术，以及人为因素最佳实践相结合，来减少飞行员或远程操控者必须掌握的技能培训和飞行知识。

目的在于借助自主程度更高的先进机载系统，减少飞行员工作负担，降低飞行员培训成本，同时提高在城市飞行环境中的适应性，可以针对性的解决eVTOL飞机在城市飞行的安全性和经济性两大挑战。

由于传统飞机和直升机上的动力系统和控制系统的设计通常是分开的，飞行员能够通过有限的培训来掌握这两个系统；而eVTOL飞机通常会把动力系统和控制系统合二为一，增加了飞行员的学习门槛。

同时，传统飞机的设计依据通常是会在自动化系统出现故障后，将控制权交给飞行员，让飞行员来承担拯救飞机的任务，因此其设计针对飞行操作特别熟练的飞行员的；而eVTOL飞机有着比较大的市场规模，也同时对运营成本非常敏感，所以它有一个很核心的需求：在缩小飞行员的培训量的同时，还要保证最高的安全性水平。

所以，SVO就显得尤为重要。

在eVTOL飞机的四大构型中，除多旋翼构型以外，其他三个大类都是把固定翼和旋翼进行了一个融合。

旋翼飞机和固定翼飞机的控制不同，旋翼飞机通常使用总距杆控制飞机的升降运动，而固定翼使用油门台控制飞机的纵向加减速，这
需要eVTOL飞机飞行员同时掌握两种操作方式，是极其困难的。

SVO的定义恰恰
是能够提供一套飞行方式、一套界面、一套特殊的训练方式，以此来解决此类问题。

SVO的目标是安全、易用，基于SVO的驾驶舱显示系统和电传飞控系统可以
实现一个需要少量培训的商业eVTOL飞机运行，也可以提供相对先进的驾驶舱的
设计和电传飞控系统，在简化飞行的同时还能够满足行业的高标准。

SVO通常也是分为三个阶段，逐步提高自动化水平来实现最终的完全自主飞行。

第一阶段：通过提高现有的自动化系统的可靠性，来逐步的消除人工的备份，从而减少飞行员的培训量。

SVO当中更多的是会培训现有的飞行员，去做一些附
加训练，使其能够投入到eVTOL飞机的运营当中。

第二阶段，主要为不具备飞行经验的飞行员所设计。

现在SVO的发展趋势是
直接对飞机的航迹进行控制，飞行员直接去控制飞机的速度和航向。

因此飞行员
就不需要太多的操纵技巧，从而可以减少飞行员的培训成本，让飞行员可以专注
于导航，而不是机动。

目标是把一个完全不具备飞行经验的人培训成为一个可以
驾驶eVTOL飞机的飞行员，将时长降低到与学习车辆驾照相同。

第三阶段：完全实现自主飞行。

这个阶段只有运营人或空管可以去改变飞机
的航路或者起降点，不需要飞行员执照了。

1.飞行场景
作为飞行员培训体系和培训设备来说，除了航空器的设计特点和飞行特性，
另一个就是航空器的运营场景。

eVTOL飞机运营场景和传统的民航和通航区别比
较大。

截止2025年，主要规划的运营场景就是机场接驳、城市货运、以及其他
包括消防、医疗、救援等一些较为特殊的应用场景；预计到2030 空中的士、空
中巴士和旅游观光将是发展的重中之重；预计2035 私人eVTOL飞机将变得可能。

下面将针对中长期飞行培训模拟的运营场景的进行特点分析。

第一个特点：eVTOL飞机相比于传统航空，其任务周期非常短。

尤其是多旋
翼的市内通勤，任务时长大多在半个小时左右，这也意味着eVTOL飞机飞行员其
实在一次飞行任务当中，会有更大的比重处于飞行的关键阶段，如起飞、降落、
或eVTOL飞机的转换阶段。

所以eVTOL飞机飞行员相对于传统的民航飞行员来说，每天会经历更多关键的飞行阶段，所以飞行培训的时候需要考虑飞行员进行疲劳
管理，多次设置同一或不同场景训练，进行密集训练。

第二个特点：eVTOL飞机初期运营可能会继承现在直升机航路或者一些预定
义的经授权的航路。

2021年7月，湖南、江西、安徽成为中国低空改革试点省份，在3000米以下低空空域针对航空器监视通信覆盖、低空空域监管、低空空域运
行管理等方面积累经验。

随着城市空中交通的发展和空域的开放，交通密度必然
会有一个显著的上升，航空器之间的间隔就变短了，也意味着飞行员需要拥有更
强的飞行管理能力和决策能力，同时需要飞行培训设备提供一个高密度的交通仿
真环境或飞行器密集飞行的交通模拟场景。

第三个特点：eVTOL飞机大部分都在城市的上空，起降点也是在一些现有的
直升机起降坪、高楼大厦的顶部、或是市中心一些专门设计随时起降机场。

这显
然也是一个更加复杂的起降环境，再加上在人口稠密区的上空去做一些应急响应
程序，也是非常的危险的。

所以在城市环境当中，飞行员的感知能力的训练也是
又困难又有挑战。

因此，起飞、降落、应急模拟场景必不可少。

参考文献：
[1]eVTOL航空业破局者的挑战与希望-中国民航网.《中国民航报》.
[2] 发力通航“新蓝海” 步入发展“快车道”——探寻安徽合肥通航产业
高质量发展的成功之匙.安徽省交通运输厅
[3]eVTOL飞行员合格审讨定和培训体系的探讨.刘彧.中国AOPA。