电动垂直起降飞行器发展现状及其在航空医疗救援中的应用展望.pdf

窑医疗卫生装备窑 2024年2月第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2 窑 February 窑 2024电动垂直起降飞行器发展现状及其在航空医疗救援中的应用展望尤少春，张晓丽，吴飞飞，罗正学*（空军军医大学空军特色医学中心，北京100142）摘要介绍了电动垂直起降飞行器的基本概念、发展历程、分类方式、特点及优势，从时间、空间、运送能力和安全性等4个维度分析了电动垂直起降飞行器在航空医疗救援中应用的可行性，指出了电动垂直起降飞行器在院前急救、院际转运和应急医疗救援等方面具有较好的应用前景。关键词电动垂直起降飞行器；航空医疗救援；院前急救；院际转运；应急救援中国图书资料分类号R318曰V275.2文献标志码A文章编号1003-8868渊2024冤02-0082-05DOI院10.19745/j.1003-8868.2024034Development status of electric vertical takeoff and landing aircraft and itsapplication in aeromedical rescueYOU Shao-chun,ZHANG Xiao-li,WU Fei-fei,LUO Zheng-xue*(Air Force Medical Center,Air Force Medical University,Beijing 100142,China)AbstractElectric vertical takeoff and landing(eVTOL)aircraft was introduced from the aspects of basic concept,development history,classification mode,characteristic and advantage.The feasibility of eVTOL aircraft used in aeromedicalrescue was discussed in terms of time,space,transport capacity and safety.Its pointed out that eVTOL aircraft would beapplied widely in pre-hospital emergency care,inter-hospital transfer and emergency medical rescue.悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造袁2024袁45渊2冤院82-86Key wordselectric vertical takeoff and landing aircraft;aeromedical rescue;pre-hospital emergency care;inter-hospitaltransfer;emergency rescue作者简介院尤少春（1987），男，博士研究生，研究方向为卫生事业管理、航空医疗救援，E-mail：。通信作者院罗正学，E-mail：0引言近年来，未来城市空中交通体系（urban air mo原bility，UAM）的概念备受关注，预计到2040年全球产业规模可达1.5万亿美元1。作为主流认可的UAM解决方案，电动垂直起降飞行器（electric vertical takeoffand landing，eVTOL）技术发展非常迅速。航空医疗救援是使用装有专用医疗救护设备的航空器，为紧急施救患者而进行的飞行活动2，相比地面救护车辆具有速度快、转运距离远、受道路交通条件影响小等显著优势3。eVTOL能够满足中短途航空医疗救援对航空器的要求，同时具备经济性好、安全性高、自动化程度高、绿色环保等独特优势4，可以成为现有医疗救援体系的有效补充。本研究对eVTOL的发展现状、基本特点进行介绍，分析其在航空医疗救援中应用的可行性，并对具体应用场景进行了展望。1eVTOL的发展尧特点及优势1.1eVTOL的基本概念和发展历程eVTOL运用电力推进作为动力基础，可以进行垂直起降和水平飞行，其基本组成包括电动机、电池、传感器、通信导航模块、机载电子控制器、巡航升力翼等硬件部分以及飞行控制系统、具体功能模块等软件部分。最早进行此类产品开发的是2009年成立的美国JOBY公司5。2011年阿古斯塔公司在一个名为“Project Zero”（零点工程）的项目中提出了现在广为人知的eVTOL产品概念6。2014年美国直升机国际协会、美国航空宇航协会在弗吉尼亚大会上正式引用了eVTOL概念7。2016年，Uber提出“Uber Elevate”城市空中出租车计划，勾勒出eVTOL在未来交通领域的前景和市场潜力，空中客车、波音等企业纷纷跟进8。同时，美国空军高度重视其军事价值，于2019年推出“AgilityPrime”（敏捷至上）项目，向JOBY、Beta等多家美国厂商授予总额超过1亿美元的合同，探索在军事任务中应用eVTOL的可行性9。栽澡藻泽蚤泽论著尤少春，张晓丽，吴飞飞，等.电动垂直起降飞行器发展现状及其在航空医疗救援中的应用展望J.医疗卫生装备，2024，45（2）：82-86.82 窑医疗卫生装备窑 2024年2月第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2 窑 February 窑 2024图3美国JOBY S4渊倾转旋翼型冤14图4德国Lilium jet渊涵道矢量推力型冤15截至2022年年底，美国垂直飞行协会收录的eVTOL项目已超过750个10，领军企业包括JobyAvi原ation、Lilium、Volocopter、Vertical、Archer、中国亿航、峰飞航空等，传统航空企业中波音、空客以及汽车行业的吉利、小鹏、丰田、戴姆勒等也启动了各自的eVTOL研发项目。1.2eVTOL的常见分类与特点1.2.1常见分类eVTOL正处于产业发展初期，技术路径、形态特征和设想应用场景种类繁多，因此有很多不同的分类标准，常见的分类标准包括以下6种：（1）根据动力来源可分为全电动力、混合动力两大类，目前的技术条件下，混合动力具有更长的航程和更优的经济性，全电动力显然是未来的发展方向。（2）根据运行模式可分为有人驾驶和无人驾驶2种类别，或者载人、载客及载人载客兼顾3种。（3）根据有效载荷可分为轻型（有效载荷100200kg）、中型（有效载荷300500kg）、重型（逸1000kg）3类11。（4）按照目标用户可分为2B（商业运营类，指载人客运、载物货运、低空旅游等）、2G（政府服务类，指城市管理、警务安防、国防军事、应急救援等）、2C（私人飞行类，个人或家庭出行）三大类。（5）按照适航认证可分为基本型（需要在升力系统、机载设备等发生严重故障时可控着陆，不能用于人口聚集区上空飞行）和增强型（需要在升力系统、机载设备等发生严重故障时仍保证安全飞行，可用于人口聚集区上空飞行）11。（6）机体构型很大程度上决定着eVTOL的基础性能，这也是最重要的分类标准。按照机体构型可分为多旋翼型（如图1所示）12、升力-巡航复合型（如图2所示）13、倾转旋翼型（如图3所示）14、涵道矢量推力型（如图4所示）15四大类16。1.2.2不同构型的性能特点eVTOL基础性能主要受气动布局影响，当转为水平飞行时，提供垂直升力的旋翼成为主要阻力来源17。多旋翼型没有固定机翼提供升力，水平飞行阻力大，因此速度和航程偏小，应用场景受限；优点是技术成熟、安全可靠、悬停能力强，适合在城市内短途使用，目前适航认证进度最快。倾转旋翼型和涵道矢量推力型的速度和航程优势明显，应用场景广、发展潜力大，但倾转装置结构复杂、操控难度大、事故风险高，采用此类结构的美军V22鱼鹰倾转旋翼机一直事故不断，2022年2月JOBY公司一架原型机发生坠毁事故18。升力-巡航复合型的性能位于多旋翼型和倾转旋翼型之间，技术较为成熟可靠，中短期发展前景较好，但垂直旋翼的死重和阻力无法避免19，远期发展受限。不同构型eVTOL代表机型的典型性能参数见表1。1.3eVTOL的优势1.3.1安全可靠传统航空器动力系统复杂，故障率较高。eVTOL的电动推进装置在结构上更加简单，综合采用分布式电推进布局、更加先进的态势感知传感器、自动避障算法、飞行控制、智能化自动辅助驾驶系统等技术与手段，进一步提高了冗余度，使eVTOL安全性得到了有效增强。1.3.2经济性好eVTOL的经济性优势源自3个方面：一是电力推进系统的效率是内燃机的24倍；二是电能成本只有航空燃料的30%；三是动力系统的结构更简单，后期的保养维护成本更低。相关研究表明，与活塞发动机直升机相比，4座倾转旋翼eVTOL飞行器运营成本可降低26%20。1.3.3舒适性佳eVTOL电动机避免了传统内燃机以及复杂机械传动系统工作时产生的噪声和振动。另外在气动噪图1德国Volocopter2X渊多旋翼型冤12图2中国峰飞V1500 M渊升力与巡航复合型冤13表1不同构型eVTOL代表机型的典型性能参数型号构型载重/kg载员/人续航/min航程/km巡航速度/（kmh-1）亿航EH216-S多旋翼220230301302X多旋翼16022542100Vertical VX4倾转翼500540160240Joby S4倾转翼500445270315Lilium涵道矢量推力200248250280Beta Alia250升力-巡航复合635690400270峰飞V1500M升力-巡航复合350575250200栽澡藻泽蚤泽论著尤少春，张晓丽，吴飞飞，等.电动垂直起降飞行器发展现状及其在航空医疗救援中的应用展望J.医疗卫生装备，2024，45（2）：82-86.83 窑医疗卫生装备窑 2024年2月第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2 窑 February 窑 2024声方面，布局合理的分布式推进系统和小尺寸的旋翼产生的噪声也远小于传统螺旋桨21。因此eVTOL的飞行稳定性、静音效果和乘坐舒适性得到了很大提升。1.3.4环保性好eVTOL电动机能量转化效率高于传统内燃机，直接碳排放几乎为零，同时电能有很多绿色的获取途径，相比传统内燃机环保优势显著。eVTOL在城市上空飞行时产生的噪声污染远低于传统飞行器。这些显著的绿色环保特征使得eVTOL尤为适于在城市及周边地区飞行。1.3.5智能化程度高随着高精度导航、低延迟通信、智能化无人自动驾驶等技术的快速发展，eVTOL在数字化、信息化、智能化方面具有传统飞行器无法比拟的优势。各大企业已经在广泛试验远程控制和自动驾驶技术，有望实现智能化集群自主飞行。集群无人eVTOL将具有动态自愈合网络、分布式集群智慧、分布式探测、自愈性和高效信息共享能力等诸多优势22。2eVTOL航空医疗救援应用的可行性航空医疗救援包括常态化的航空医疗救护和应急航空医疗救援。常态化的航空医疗救护按救援任务发生阶段的不同可分为院前急救和院间转运。2019年3月和2022年2月，中国民用航空局和国家卫生健康委员会先后联合印发 航空医疗救护联合试点工作实施方案 和 关于深化航空医疗救护联合试点工作的通知，明确截至2024年底建立具有中国特色的航空医疗救护体系23-24。2020年9月，国家卫生健康委员会等9部委出台的 关于进一步完善院前医疗急救服务的指导意见 中也提出，有条件的地区要积极开展航空医疗救护25。应急航空医疗救援是航空应急救援的重要职能，是国家应急救援体系的重要组成部分。国家突发公共事件医疗卫生救援应急预案 要求：“迅速组织协调应急医疗队伍赶赴现场，必要时建立战地医院或医疗点，实施现场救治。加强救护车、医疗器械、药品和血浆的组织调度。根据需要分流重伤员，实施异地救治26。”国家地震应急预案 也指出：“及时赴现场开展医疗救治、疾病预防控制等卫生应急工作。及时为受灾地区提供药品、器械等卫生和医疗设备27。”航空医疗救援在突发事件应急处置中既能向受灾区域运送医护人员、仪器设备和药品耗材等，也可以快速向安全区域医疗后送伤病员。根据 航空医疗救护联合试点工作实施方案，医疗急救所使用的航空器、加改装医疗设备应具备标准适航证，航空器加改装后应通过适航审定方可使用，所有机载医疗设备装置都应符合相关适航标准，并接受安全评审23。eVTOL加装生命体征监护、呼吸、输液等生命支持系统功能模块28也必须符合相关法规的要求。下文将从4个维度分析其改装后应用于航空医学救援领域的可行性。2.1从时间维度分析根据时效救治原则，患者获得有效救治时间应当越短越好29。根据2022年度 中国城市交通报告，我国城市最快通勤速度在30 km/h左右30，eVTOL速度可以实现该时速，同时通过对未来空中交通管理的航迹进行优化31，可进一步提高时效性。由于救援现场环境复杂，不确定因素较多，航空器应当有足够的留空时间。目前eVTOL飞行时间普遍可达到60 min以上，部分机型可达180 min，可以满足留空时长需求。在执行应急救援任务时，大批量伤病员需要救治，因此需要考虑连续出动的问题。整个飞行周期的总时间（从接到调度中心的飞行任务指示起，到做好随时可执行下次起飞任务准备止，包括响应时间、总飞行时间、接驳伤病员时间、整备至能够随时再次出动的时间）应当越短越好，eVTOL的信息化优势能够提高响应敏捷性，大大压缩全流程的总时间。2.2从空间维度分析航空医疗救援的不同应用场景对航空器航程和飞行高度要求有所不同，原则上最小服务半径应不低于同等环境内地面载具30 min的行程，最大飞行高度不低于城市最高建筑的高度，因此航程应当不低于50 km，飞行高度不低于200 m。目前在研的eVTOL主流航程为50250km，巡航飞行高度为200600 m，能够满足要求。2.3从运送能力维度分析航空器在搭载医疗器材的同时，至少应满足搭载1名坐姿医护人员和1名卧姿患者，载重能力在200kg以上为宜，目前eVTOL载重普遍为200500 kg，未来还有进一步提高的空间。为应对批量伤病员的连续转运，航行器不仅应当具备完成单机单次飞行任务的能力，还应当具备单机连续出动、多机编队单次出动、多机编队多波次随机出动的能力。由于eVTOL的智能化、自动化程度更高，未来将综合运用先进通信和导航系统、先进航空交通管制系统32，利用深度学习技术进行航线规划33，多机编队能力和连续出动能力较传统航行器具有明显优势。栽澡藻泽蚤泽论著尤少春，张晓丽，吴飞飞，等.电动垂直起降飞行器发展现状及其在航空医疗救援中的应用展望J.医疗卫生装备，2024，45（2）：82-86.84 窑医疗卫生装备窑 2024年2月第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2 窑 February 窑 20242.4从安全性维度分析在城市地区飞行的航空器，应当具有足够高的安全性，原则上安全系数指标应当高于传统直升机和固定翼飞机，即使发生故障，也需有足够的冗余度以提高机上生存概率，同时尽量避免故障造成附带损伤。eVTOL正常运行时发生安全事故的概率为9.648伊10-7，此数值低于传统航空运输风险阈值34。同时，借助先进传感器和自动避障程序，将有效降低因操作失误造成的飞行器损坏和伤及人身与建筑物的事故发生率35，部分eVTOL还配备了整机降落伞，大幅提升了飞行安全性36。3eVTOL航空医疗救援应用展望直升机噪声大、安全系数低，不适合在人口密集的城市上空运行；固定翼飞机需依托机场和航空指挥系统的支持，且只有在长距离空中转运时才能发挥优势37。在城市及周边半径30200 km的范围内，eVTOL执行1 000 m以下低空领域的点对点中短程医疗救援任务具有广阔前景。3.1补充完善院前医疗急救网络院前医疗急救网络通过急救车辆连接急救中心（站点）与急救网络医院，形成城市1015 min和农村30 min急救圈，少数地区在试点使用救护直升机24，努力实现城乡1 h航空医疗救援的目标。随着当前城市交通拥堵情况的加重，救护车辆难以及时抵达现场，而城郊和农村地区的院前急救力量更加薄弱，不仅急救站点密度较低，而且就近急救网络医院救治能力较弱，难以对患者进行有效救治。eVTOL可以对现有院前医疗急救体系进行有效补充，多旋翼型eVTOL的高安全稳定性、高垂直悬停能力适合在城市内使用，其飞行速度比城市内地面交通快，飞行距离可以满足半径1530 km内的需求，通常急救站的平均覆盖范围是5 km，因此只需要在部分起降条件较好的站点部署eVTOL即可覆盖整个城市区域。在城市郊区的站点部署飞行半径50200 km、飞行速度250 km/h的升力-巡航复合型或倾转旋翼eVTOL，即足够覆盖城市郊区和附近农村地区，可确保在3060 min之内将患者转送至救治能力较强的急救网络医院。3.2实现经济快捷的院际转运为了获得更适宜的医疗救治，危重症患者可能需要在就医机构之间进行转运，拥有完善医疗设备的转运平台是安全运送患者的基础38。目前的转运模式是短途使用救护车，中途使用卫生直升机，长途多使用经过医疗改装的大型固定翼飞机。eVTOL比急救车速度快、舒适性好，比直升机安静稳定、经济性好，因此可以使用多旋翼型eVTOL进行50 km以内的短途转运，使用复合翼型eVTOL进行50100 km的转运，使用载荷较大、航程较远、改装潜力大的倾转旋翼型eVTOL进行200 km以上的转运。同时也可使用小型自动无人驾驶eVTOL在医疗机构之间快速运送血液、急需短缺药品、器官等，可大幅提高效率和经济性。3.3胜任灵活高效的应急医疗救援在突发自然灾害、事故灾难、公共卫生事件和社会安全事件时39，应急航空医疗救援能够有效拯救生命。突发事件通常会造成道路交通受阻，最后一公里的末端救援往往是最大的挑战之一。现场与外围医疗救援节点之间的交通运输高度依赖垂直起降航空器。直升机运输任务非常繁重，以我国目前直升机和飞行员储备难以满足大规模危机中巨大的运输需求，而且现场空域必然非常拥挤，传统空管模式难以有效应对。eVTOL更加灵活高效，可以承担前送医疗人员、器械药材40以及后送伤员等任务，每架次可以运送23名伤员，采用自动或半自动模式飞行，既可在救援零散伤员时单机出动，也可在发现大批量伤员时以分布式集群的方式出动，实现超过单个航空器叠加的功能和效率41，具有更好的任务弹性，也可节省宝贵的直升机和飞行员资源。4结语eVTOL作为一种新概念航空器，拥有巨大的潜力和广阔光明的应用前景。得益于新能源汽车、无人机等领域的技术进步和市场规模优势，我国eVTOL研发与世界先进水平同步，并且具有显著的供应链优势，研发人员应当尽快开展针对实际场景的应用研究和实践探索。航空医疗救援是重要的“空中生命线”，有着极为迫切的发展需求。随着电池、电控、电动机、飞控等关键技术的进一步提升，配套技术及政策法规的逐步完善，eVTOL一定能凭借优异性能和独特优势，在航空医疗救援中发挥出巨大的作用。参考文献1李佳为.城市空中交通畅想低空飞行 筑梦未来N.中国民航报，2022-08-31（8）.2通用航空经营许可管理规定（中华人民共和国交通运输部令2020年第18号）EB/OL.2023-11-22.https:/ and emission reduction benefits oftheimplementa-栽澡藻泽蚤泽论著尤少春，张晓丽，吴飞飞，等.电动垂直起降飞行器发展现状及其在航空医疗救援中的应用展望J.医疗卫生装备，2024，45（2）：82-86.85 窑医疗卫生装备窑 2024年2月第45卷第2期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 2 窑 February 窑 2024tion of eVTOL aircraft with bi-directional flow as storagesystems in islands and case study for Canary IslandsJ.ApplEnergy，2023，331：120409.5Joby aviation Joby eVTOL-complete performance dataEB/OL.2023-11-22.https:/www.futureflight.aero/aircraft-program/joby-evtol.6Project zeroEB/OL.2023-11-22.https:/evtol.news/news/project-zero.7闫振峰，马瑞欣.电动垂直起降飞行器适航管理法律研究C/上海市法学会.法学前沿 集刊2023年第1卷航空法研究文集.上海：上海市法学会，2023：8.8UberElevate|VisionEB/OL.2023-11-22.https:/ air force primes the eVTOL industryEB/OL.2023-11-22.https:/evtol.news/news/us-air-force-primes-the-evtol-industry.10韩玉琪，朱大明，付玉，等.2022电动垂直起降飞行器主要进展J.航空动力，2023（1）：19-22.11张洪.eVTOL飞行器的发展态势与应用场景综述J.空运商务，2022（12）：22-28.12 Volocopter launches campaign to bring electric air taxi servi-cestoU.S.cities-batteryindustry.techEB/OL.2023-11-22.https:/batteryindustry.tech/volocopter-launches-campaign-to-bring-electric-air-taxi-services-to-u-s-cities/.13 Autoflight.eVTOL航空器EB/OL.2023-11-22.https:/ JobyS4hits205mph，flyingfurtherandfasterthananyeVTOLto dateEB/OL.2023-11-22.https:/ Lilium Jet-the first electric VTOL（eVTOL）jet-LiliumEB/OL.2023-11-22.https:/ Worldwide eVTOL-MIT technology roadmappingEB/OL.2023-11-22.https:/roadmaps.mit.edu/index.php/World Wi-de_eVTOL#Roadmap_Overview.17 BACCHINI A，CESTINO E，VAN MAGILL B，et al.Impact oflift propeller drag on the performance of eVTOL lift+cruiseaircraftJ.Aerosp Sci Technol，2021，109：106429.18 FutureFlight.Joby eVTOLprototypeaircrafthasaccidentdu-ring flight testingEB/OL.2023-11-22.https:/futureflight.aero/news-article/2022-02-17/joby-evtol-prototype-airc-raft-has-accident-during-flight-testing.19刘东来，江波，郑远，等.城市空中交通空域架构及轨迹规划方法J.科技和产业，2023，23（8）：268-273.20羅彧，廖忠權.eVTOL飞行器及其动力发展态势研究J.航空动力，2018（3）：32-36.21 HIGGINS R J，BARAKOS G N，SHAHPAR S，et al.A com-putational fluid dynamic acoustic investigation of a tiltwingeVTOL concept aircraftJ.Aerosp Sci Technol，2021，111：106571.22杨阳，罗婷，唐伟革，等.多旋翼无人机在医学救援领域的应用研究J.医疗卫生装备，2018，39（6）：91-95.23中国民用航空局、国家卫生健康委员会关于印发 航空医疗救护联合试点工作实施方案 的通知（民航发 201917号）EB/OL.2023-11-22.https:/ 202210号）EB/OL.2023-11-22.http:/103.231.15.131:8080/pdf/P020220224574799198799.pdf.25卫生健康委 发展改革委 教育部 工业和信息化部 公安部 人力资源社会保障部 交通运输部 应急部 医保局关于印发进一步完善院前医疗急救服务指导意见的通知EB/OL.2023-11-22.https:/ 2022年度中国城市交通报告EB/OL.2023-11-22.https:/ YUN W-J，JUNG S，KIM J，et al.Distributed deep reinforce-ment learning for autonomous aerial eVTOL mobility in dronetaxi applicationsJ.ICT Express，2021，7（1）：1-4.34张晓全，马晗.基于贝叶斯网络的电动垂直起降航空器运行风险研究J.科学技术与工程，2022，22（36）：16269-16276.35王彪.eVTOL飞行器视觉自主避障技术仿真研究D.广汉：中国民用航空飞行学院，2022.36张洪.eVTOL的性能特征、关键技术与发展瓶颈探究J.空运商务，2022（10）：55-60.37彭博，张进军.航空医学救援医疗装备的专家共识J.中华灾害救援医学，2019，7（4）：186-189.38潘鑫，尹江涛，陈伟，等.危重症患者院际转运安全性的研究进展J.中华卫生应急电子杂志，2021，7（3）：168-171.39中华人民共和国突发事件应对法J.建筑监督检测与造价，2009，2（9）：1-7.40李吉，曹雪霖，李艳莹，等.基于无人机运输的应急医学救援药材保障系统论证设计J.医疗卫生装备，2023，44（6）：14-18.41王祥科，刘志宏，丛一睿，等.小型固定翼无人机集群综述和未来发展J.航空学报，2020，41（4）：20-45.（收稿：2023-08-04修回：2023-12-07）栽澡藻泽蚤泽论著尤少春，张晓丽，吴飞飞，等.电动垂直起降飞行器发展现状及其在航空医疗救援中的应用展望J.医疗卫生装备，2024，45（2）：82-86.86