百年旋翼，梦想起飞：低空飞行崛起与空气动力学难题

1903年莱特兄弟首飞，1907年第一架载人直升机就摇摇晃晃离开了地面。两者相差不到四年。

但一百多年后的今天，固定翼飞机早已建立起成熟的全球航空运输体系，而旋翼飞行器，还一直未能迈入普通人的出行清单。

直到最近十年，电动化浪潮席卷而来，旋翼飞行才终于等到了自己的破局时刻。多旋翼、复合翼、倾转旋翼……eVTOL百花齐放，万亿低空经济就此拉开帷幕。

看懂旋翼飞行的百年史，就读懂了低空经济的真正底牌。

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直升机：与不安分的旋翼搏斗百年

1907年11月13日，科尔尼乘坐在自己研制的载人直升机“飞行自行车”号上，依靠一台24马力的发动机垂直起飞，离开地面0.3米并连续飞行了20秒。这距离莱特兄弟的“飞行者一号”首飞还不到四年。

这是人类首次以旋翼方式带着自己离开地面并实现短暂自主飞行。

在科尔尼之后，旋翼飞行的发展道路并不平坦。西班牙工程师胡安·德拉·切尔瓦发明了用铰链连接叶片和转轴的结构，以减弱旋翼叶片在周向不平衡风力条件下产生的额外力矩。讽刺的是，切尔瓦最终在1936年的一次客机空难中遇难。

旋翼机在等待一位不甘于跑道束缚的革新者。他便是现代直升机之父——伊戈尔·伊万诺维奇·西科斯基。

西科斯基从小就喜欢制作飞机模型，12岁时成功制作了一个橡皮筋动力的直升机。在固定翼飞机领域取得诸多成就后，他依然没有忘记儿时的梦想。1919年移民美国后，西科斯基重新回归直升机的研制。

经过多次构型试验，他最终确立了单主旋翼加尾桨的总体布局，用尾桨产生反扭矩，解决了直升机在空中打转的难题——这种单旋翼带尾桨的设计，至今仍是世界上最主流的直升机构型。

1939年9月14日，西科斯基的直升机VS-300升空，成为现代实用直升机的奠基性机型。随后改进型R-4列装美国陆军，成为世界首款规模化量产的直升机。

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旋翼的飞行，从来不是一件简单的事

当直升机悬停时，主旋翼旋转产生扭矩，机身会向反方向打转——尾桨产生的反向推力抵消了主旋翼的扭矩，却产生了多余的合外力，直升机开始横向漂移。应对的办法是把主旋翼旋转轴稍作倾斜，产生水平分量来抵消尾桨的横向推力。不过这并不能完美解决问题，当飞行工况变化或有侧风时，仍会发生横向漂移。

于是切尔瓦打下的基础派上了用场——通过对桨毂的控制实现桨叶旋转平面的变化，从而改变拉力方向，不但可以让直升机在悬停时保持稳定，还可以实现任意方向的飞行。

当直升机向前飞行时，前行桨叶与来流相向而行，后行桨叶则顺着来流方向运动，旋翼在不同周向位置产生的升力不同。如果不对刚性旋翼做出处理，直升机将发生侧倾甚至倾覆。解决的办法是在旋翼根部增加挥舞铰或使用柔性叶片，使旋翼产生自发的上下挥舞，平衡升力。

除了升力，前飞的直升机旋翼叶片还会受到周期性阻力影响，产生严重的交变应力问题，使翼根疲劳断裂——增加摆振铰，通过前后摆振化解阻力波动。而挥舞和摆振还会相互影响：叶片向上挥舞时重心向主轴“收拢”，根据角动量守恒，角速度增大，叶片更趋向前摆振；向下挥舞时则相反。

更复杂的是旋翼的相位滞后。当驾驶员试图调节直升机桨距以实现某个动作时，旋翼响应常会表现出接近90°的相位差，于是还需要调整控制机构的输入方位来补偿这一效应。

有了自动倾斜器（斜盘），人们便可通过总距和周期变距实现对每片桨叶的控制，从而抵消桨叶前行和后行时的升力不平衡问题。斜盘的上下运动可带动变距拉杆使桨距发生变化，从而调节旋翼拉力；斜盘向一侧倾斜，则可使每一片叶片的桨距产生周期性变化，从而调节旋翼整体的拉力方向。通过合理操纵斜盘，便可获取任意方向的旋翼拉力，实现对飞行姿态的灵活控制。

旋翼的复杂运动，曾是直升机发展缓慢的核心原因。从1907年科尔尼跌跌撞撞离开地面，到1939年西科斯基娴熟操纵VS-300飞行，三十多年间固定翼飞机已经催生出喷气式飞机，而旋翼机仍在与自身的物理规律搏斗。

但正是这些挑战，铸就了今天百花齐放的直升机构型——贝尔、卡莫夫、阿古斯塔、麦道、波音、空客纷纷入局，单旋翼、双旋翼、共轴反转等经典构型相继问世。

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电动化：颠覆百年难题

如果用一个词概括eVTOL对传统直升机的改变，那就是“颠覆”。

传统直升机的动力与操纵机构为什么复杂？一个重要原因是，一台或少数几台发动机要通过庞大的机械传动系统驱动旋翼——主减速器、尾传动轴、自动倾斜器、变距拉杆……每一个部件都增加重量和复杂度。

而电动化带来了根本性的改变：

分布式电推进让多旋翼布局变得更易实现。没有了复杂的集中式传动机构，每个旋翼由独立的电机驱动，控制更加灵活，安全冗余度也更高。相比传统燃机，电动机的布置与控制都更加灵活，使得传统直升机上的总距调节、周期变距和尾桨等复杂控制方式，在不少构型上可以被差速调速、独立电机控制等方式替代或简化。由于质量轻、控制灵活、安全裕度高，小尺寸多旋翼成为电动飞行器的重要动力方案。

目前主流eVTOL整机构型若按垂直起降与巡航阶段的动力分工，大致可分为三类：

1. 多旋翼构型：技术难度最小，可垂直起降、精准悬停、操作简单。但能效低、航程短，仅适用于短途运输。

2. 复合翼构型：采用“垂起与巡航两套系统独立工作”的设计。起降时用垂起桨，平飞时用推进桨加固定翼。优势是系统解耦，机械结构相对简单，也能兼顾固定翼巡航效率。升力系统与巡航系统互不依赖，便于分别优化和进行冗余设计。相较倾转构型，复合翼没有复杂的倾转机构，机械结构更简单。推进桨还可针对巡航工况单独优化，效率较高。在当前主流eVTOL方案中，复合翼占有较高比例。峰飞航空、沃兰特、御风未来均走此路线。

3. 倾转动力构型：被称为“空中变形金刚”——通过机械倾转机构让旋翼、螺旋桨或涵道风扇从垂直过渡到水平，使部分或全部动力组件兼顾垂直起降与巡航。优势是速度快、航程远，是eVTOL中最接近传统固定翼飞机性能的构型。但代价是结构复杂、控制困难。倾转机构、变桨系统等机械组件需采用多重冗余设计，以符合适航安全标准。Joby、沃飞、时的科技采用倾转旋翼或螺旋桨，Archer采用混合式倾转布局，Lilium则采用倾转涵道风扇。

三种构型本质上是在结构复杂度、取证难度与性能上限之间做权衡——多旋翼适合率先商业化，倾转动力构型的性能潜力更高，但技术难度也最大。

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eVTOL的空气动力学新挑战

如果说直升机的旋翼运动已经足够复杂，那么eVTOL面临的空气动力学问题则有过之而无不及。但好消息是，这些挑战不再是“能不能飞”的问题，而是“怎样飞得更好”的问题。

旋翼间气动干扰

分布式电推进让多组旋翼近距离布置，产生强烈的非定常旋翼间气动干扰。研究中常能观察到明显的拉力和效率损失，具体幅度取决于旋翼间距、轴向距离、转速及工作状态。这种干扰主要影响飞行器在中低速飞行条件下的性能和操纵品质，并因气动载荷波动而显著增加旋翼气动噪声。

过渡状态的非定常特性

倾转动力eVTOL在模式转换阶段，倾转角连续变化，存在强非线性、时变动力学特性。在某些中间倾转角范围内，倾转机翼段阻力增大，旋翼所需拉力上升，机翼外段还可能因旋翼下洗流干扰而升力下降——这是传统单旋翼直升机没有的跨模态耦合问题。

气动噪声

虽然eVTOL常被认为比传统直升机安静，但其主导噪声源本质上是气动性质的——桨尖涡干扰噪声、旋翼载荷噪声和宽频噪声，这些与动力系统是否电动无关。在城市环境中，起降平台还需评估飞行器悬停时对周围建筑物的噪声影响。

城市复杂风场

eVTOL的运行场景集中在高大建筑密集的城市上空，特别容易受到风切变和紊流的影响。城市建筑物之间形成的复杂风场，对飞行器的抗风能力和控制稳定性提出了更高要求。

这些挑战看起来棘手，但并非无解。

旋翼间气动干扰可以通过优化旋翼间距、转速匹配和桨叶相位来缓解；过渡状态的非定常特性正在借助高精度仿真和风洞试验逐步摸清规律；气动噪声的控制手段也在不断积累——从桨尖外形优化到主动控制策略，已有不少方案进入验证阶段；而城市复杂风场的应对，则有赖于更智能的飞控算法和实时气象感知能力的提升。

早期直升机面对同样的问题，受限于计算能力和试验条件，更多依赖理论分析、风洞试验和飞行试验反复迭代。

而今天的工程师拥有高精度仿真工具、海量飞行数据和人工智能辅助优化，解决问题的速度和深度都远超从前。这恰恰是低空经济能够真正起飞的技术底气所在。

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结语

从竹蜻蜓到直升机，人类走了两千多年。从直升机到eVTOL，不过百年。而eVTOL从集中涌现到迈入商业化验证，也不过十余年。据中国民航局数据，截至2025年底，我国低空经济全产业链市场规模已达1.5万亿元。

这不只是技术进步的速度在加快，更是人类对飞行的理解在不断深入。当年困扰西科斯基的挥舞、摆振、相位滞后，如今正在由飞控算法与快速响应的电机以新的方式处理。当年需要庞大机械结构才能实现的复杂控制，如今可由传感器、电机和飞控代码协同完成。

西科斯基说过：“人类发明飞行器是最令人引为自豪的伟大成就，而这成就起源于人类的一个梦想。这个梦想让人无限遐想，最后通过人得以实现。”

从竹蜻蜓到eVTOL，变的是技术；不变的是人类对天空永恒的向往。

而这一次，梦想真的就在眼前了。

文章转载自"LBM与流体力学"公众号