電動垂直起降飛行器作為城市空中交通（UAM）與區域空中交通（RAM）的核心載體，正經歷從實驗室構想邁向商業化運營的關鍵階段。這一進程始于2010年代初，其技術根基建立在兩大支柱之上：一是源于汽車產業的電池技術革命，能量密度從早期的150Wh/kg提升至當前主流的285Wh/kg，為飛行提供了必要的動力續航基礎；二是無人機產業成熟的分布式電推進（DEP）與飛控技術，賦予了飛行器垂直起降與穩定懸停的能力。自2016年優步發布《 Elevate 》白皮書點燃行業熱情以來，全球資本密集涌入，在2021年達到峰值，年私募融資規模超過25億美元。截至2025年，全球涌現出超過50家eVTOL整機開發商，形成了“升力+巡航”（如Joby S4）、“矢量推力”（如Lilium Jet）和“多旋翼”（如Volocopter 2X）等多種技術路線并存的格局。產業生態日趨完善，不僅涉及整機研發，更延伸至動力系統（高功率密度電機、電調）、材料科學（先進復合材料）、空中交通管理（UTM）和基礎設施（垂直起降場）等全鏈條。摩根士丹利等機構預測，到2040年，全球UAM市場規模有望達到1萬億美元，而eVTOL作為其中樞，其發展已不僅是技術競賽，更是對未來城市交通形態的戰略布局。

一、eVTOL發展趨勢與適墜性安全挑戰

產業蓬勃發展背后，安全性是懸于頭頂的“達摩克利斯之劍”。盡管eVTOL在設計上普遍采用冗余系統以提升安全性，但近年來的事故案例揭示了從技術驗證邁向商業化運營過程中面臨的系統性風險。例如，2025年長春航展期間發生的兩架eVTOL飛行器在預演階段因編隊間距不足導致接觸、其中一架迫降受損起火的事件，就是一個典型縮影。該事故暴露出的深層問題遠超單一技術故障：首先，它反映了在復雜低空動態環境中，多飛行器協同作業的通信、導航與感知（CNS）系統可靠性及避障算法的成熟度仍面臨嚴峻考驗；其次，現有低空空域管理規則尚無法有效支撐高密度、高頻次的eVTOL運行，存在監管空白；最后，事故發生在公眾場合，引發了社會公眾對低空飛行器噪聲、安全及隱私的廣泛擔憂，凸顯了社會接受度這一非技術性挑戰同樣關鍵。這些案例共同指向一個核心結論：eVTOL的安全是一項涵蓋技術硬實力、運營軟體系和公眾信任度的系統工程，任何短板都可能成為產業發展的障礙。

1.1 eVTOL特有的適墜性設計挑戰與技術瓶頸

與傳統飛機或直升機相比，eVTOL在應急著陸（適墜性）方面面臨著一系列獨特且嚴峻的設計挑戰，這些挑戰根植于其基本構型與運營需求之中。第一，極致的輕量化需求與結構吸能能力之間的矛盾：為獲得必要的航程與經濟性，eVTOL必須大幅減重，這往往限制了傳統大型起落架緩沖系統及厚重承力結構的使用，導致可用于吸收碰撞能量的結構質量和空間嚴重受限。第二，復合材料主承力結構的復雜失效行為：為減重，eVTOL機身、起落架廣泛采用碳纖維增強復合材料（CFRP）。然而，CFRP的吸能機理與金屬截然不同，其破壞模式表現為脆性斷裂、分層和纖維斷裂的復雜耦合，往往存在初始峰值載荷高、平均壓潰力波動大、能量吸收效率不穩定等問題。多個復合材料部件組合后的整體吸能效果并非簡單疊加，設計與預測極其困難。第三，緊湊布局導致的乘員保護空間不足：eVTOL座艙設計通常緊湊，客艙地板距離地面高度有限，這使得傳統的長行程起落架緩沖或座椅下潛空間被壓縮，縮短了關鍵的減速距離，增大了乘員承受的過載風險。第四，城市低空復雜環境引致的多姿態碰撞威脅：在城市峽谷中運行，eVTOL可能因湍流、陣風或避障機動失敗而與建筑物、纜線發生刮碰，導致其以非理想的垂直姿態（即離軸姿態，帶有俯仰、滾轉和水平速度）撞擊地面或水面。這種多角度、多方向的碰撞載荷工況，對結構的抗彎、抗扭及抗剪切能力提出了遠超傳統飛機適墜性考核范疇的全面要求。

1.2 國內外適墜性研究進展與標準建設現狀

面對上述挑戰，全球航空業界與監管機構正加速相關研究及標準制定。在研究領域，美國國家航空航天局（NASA）牽頭開展了大規模的eVTOL適墜性研究項目，如“ Revolutionary Vertical Lift Technology (RVLT) ”項目下的墜撞動力學研究，通過全尺寸和縮比部件的動態沖擊試驗，系統收集復合材料機體在不同沖擊條件下的力學響應數據，為建立預測模型和設計指南奠定基礎。歐洲方面，空客等公司利用其在大型客機適墜性仿真方面積累的深厚經驗，正將先進的有限元分析（FEA）和計算流體力學（CFD）耦合方法應用于eVTOL的早期設計。在標準與認證層面，美國聯邦航空局（FAA）通過 Part 23（通勤類飛機）修正案和即將出臺的專用適航標準，歐洲航空安全局（EASA）則發布了世界首部針對VTOL飛行器的專門認證規范 SC-VTOL（現已整合為SCE-19），其中均明確包含了針對應急著陸情況的乘員保護要求。中國民航局（CAAC）也正積極跟蹤國際動態，著手制定符合國情的eVTOL適航審定路徑。這些標準的核心在于，要求飛行器在可生存的應急著陸條件下，通過結構變形吸收能量，為乘員維持一個完整的生存空間，并將作用于人體的加速度、載荷和沖擊損傷風險控制在生物力學容忍極限之內。然而，針對eVTOL復合材料結構特有的離軸碰撞、電池包安全等新型場景的詳細審定方法，仍有待進一步細化和完善。

二、eVTOL適墜性數值仿真建模方法

2.1 高保真整機有限元模型構建策略

數值仿真是現代飛行器適墜性設計的核心工具，它能夠在物理樣機制造之前，以較低成本預測結構在極端沖擊下的響應。為精確模擬eVTOL的墜撞過程，本研究基于顯式動力學求解器 LS-DYNA 的前處理平臺LS-PREPOST，構建了高度精細化的全機有限元模型。模型共包含 392個獨立部件，網格總數接近 70萬，涵蓋了決定適墜性能的所有關鍵子系統：復合材料機艙蒙皮與框架、滑橇式主起落架、容納電芯模組的電池艙結構、連接電機與機身的機臂、螺旋槳（模擬為質量點與轉動慣量）、乘員座椅及約束系統。

2.2 材料本構模型與失效準則的選取

材料模型的準確性是仿真可靠性的基石。針對模型中的不同材料，采用了高精度的本構模型：

金屬材料：機艙部分框架、連接件采用Al2024鋁合金，使用LS-DYNA中的 *MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY （分段線性塑性）材料模型。該模型能精確描述金屬的彈性階段、塑性屈服、基于真實應力-應變曲線的應變硬化效應，并通過設置失效應變來模擬材料的斷裂失效。

復合材料：機身主結構、起落架及吸能元件大量采用T700級碳纖維織物及單向帶預浸料。對此，采用了增強復合材料損傷模型。該模型基于Chang-Chang等失效準則，能夠同時模擬復合材料層合板在面內載荷下的多種失效模式，包括纖維拉伸/壓縮斷裂、基體拉伸/壓縮開裂，并能考慮這些失效模式間的相互作用以及由此導致的剛度退化。這對預測復合材料結構在墜撞中從初始損傷到最終壓潰的漸進破壞過程至關重要。

2.3 連接、接觸與邊界條件設置

eVTOL整機模型的連接與接觸設置高度復雜，直接影響到載荷傳遞路徑的真實性。

連接模擬：對于螺栓連接、粘接等關鍵連接部位，采用將連接區域節點合并到“*CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY （節點剛性體）”中的方法。這種虛擬剛性體連接方式能有效傳遞力和力矩，同時避免了直接節點固連可能帶來的局部應力奇異，并顯著提升了計算效率。

載荷與初始條件：在仿真開始時，對整機模型施加重力加速度（9.81 m/s2），并為整機賦予一個向下的初始速度（例如9.1 m/s的應急著陸速度），以模擬特定的墜撞能量水平。

2.4 乘員生物力學損傷評估模型集成

適墜性的終極目標是保護乘員，因此集成高保真的乘員傷害評估模型不可或缺。本研究引入了汽車和航空碰撞領域公認的 Hybrid III 50th百分位男性假人 的詳細有限元模型。該模型并非剛體，其頭部（有精細的腦組織模擬）、頸部、胸部、腰椎、骨盆及四肢均按照人體生物力學特性構建，內置了數十個傳感器通道。在仿真中，假人被正確安置于eVTOL座艙座椅上，并系上標準的三點式安全帶模型（使用MAT_SEATBELT材料與ELEMENT_SEATBELT單元）。通過該假人模型，可以直接輸出國際通用的傷害評估指標，如：

頭部損傷判據（HIC）：用于評估顱腦損傷風險。

胸部合成加速度（3ms）與壓縮量：用于評估胸部器官損傷。

腰椎軸向力：是評估脊柱損傷，特別是壓縮性骨折風險的關鍵指標（適航標準中常有限值，如6.7 kN）。

這種“結構-乘員”一體化的仿真方法，使得設計者能夠直接評估結構設計改動對最終乘員生存概率的影響，實現了真正以人為中心的安全性設計閉環。

三、滑橇式起落架結構適墜性優化設計

3.1 滑橇式起落架的設計要求與挑戰

作為eVTOL觸地的首要能量吸收部件，滑橇式起落架需平衡相互矛盾的多重設計要求：1）應急著陸吸能要求：在高達9.1 m/s的垂直墜撞速度下，必須通過可控的結構破壞吸收絕大部分動能，將傳遞至機艙的峰值過載限制在人體可生存范圍內（通常要求低于40g，理想目標低于30g）；2）正常使用強度要求：需能承受日常運營中可能出現的“硬著陸”（如從0.5米高度跌落，觸地速度約3.1 m/s）而不產生功能性損壞；3）輕量化要求：其自身質量需盡可能小，以最小化對飛行器航程和商載的負面影響。對于復合材料制成的滑橇式起落架，其挑戰在于如何設計鋪層，使其在低能量沖擊下保持完整，而在高能量沖擊下又能觸發穩定、高效的漸進壓潰，而非危險的脆性斷裂。

3.2 “引導式漸進破壞”設計理念與變厚度鋪層方案

為應對挑戰，本研究提出了“引導式漸進破壞”的核心設計理念。其原理是：通過精細設計復合材料層合板在不同區域的厚度（即鋪層數）和鋪層順序，在起落架結構中人為制造一個剛度梯度和預設的“薄弱引發區”。

我們將起落架的弓形主承力梁沿軸向劃分為6個關鍵分段（Segment 1-6）以及連接滑橇的連接段。基于墜撞動力學分析，我們知道在垂直沖擊下，弓形梁中部（如Segment 4）彎曲彎矩最大，兩端較小。傳統均勻厚度設計易在最薄弱的彎矩最大處發生突然折斷（局部破壞）。新方案則反其道而行之：在彎矩最大的區域（如Segment 4）適當增加厚度以提升抗彎能力，防止過早斷裂；同時，在選定的“薄弱引發區”（如靠近支座的Segment 6）有意減少鋪層厚度，使其在達到一定載荷閾值時率先發生穩定的分層和壓潰。這種設計迫使破壞從預設區域開始，并像“撕開拉鏈”一樣，引導裂紋或壓潰波沿著梁向預定方向穩定擴展，從而將一次劇烈的沖擊轉化為一個持續較長時間、吸收能量更充分的漸進破壞過程。

3.3 多輪設計迭代與方案性能對比分析

優化過程經歷了多達11輪的設計迭代，通過對比關鍵性能指標，清晰展示了設計改進的路徑（此處以代表性方案說明）：

方案11 作為最終優化方案，其仿真結果表明：在9.1 m/s沖擊下，起落架從預設的薄弱區開始，發生平穩、連續的壓潰變形，吸收了高達98.9%的初始動能；傳遞至機艙地板的峰值加速度被有效抑制在288 m/s2（約29.4g）以下。同時，在3.1 m/s的正常使用沖擊仿真中，結構僅發生彈性變形或輕微損傷，無功能性破壞。這證明，通過巧妙的變厚度鋪層設計，成功地在輕量化前提下，實現了起落架“剛柔并濟”的智能化性能——該“剛”時剛，該“柔”時柔。

3.4 基于機器學習的應力快速預測與設計加速

傳統的“仿真-評估-修改”優化循環極為耗時，每個方案的非線性墜撞仿真可能需要數小時甚至數天。為極大加速這一過程，某機構為起落架開發了一個機器學習代理模型。具體步驟為：1）數據集生成：以起落架各分段鋪層厚度、鋪層角度、沖擊速度為輸入變量，以關鍵危險區域（如Segment 4彎管處）的最大等效應力為輸出目標，通過自動化腳本運行數百次參數化有限元仿真，構建高質量數據集。2）模型訓練：采用深度神經網絡（DNN） 架構，對數據集進行訓練、驗證和測試。3）部署與應用：訓練好的模型能在毫秒級時間內，對新的設計參數組合進行應力預測，平均預測誤差控制在10%以內。工程師可利用此模型進行海量的初步設計篩查，快速淘汰應力超標（預示斷裂風險）的不良設計，僅對最有潛力的少數方案進行全流程高精度仿真驗證。這相當于為設計師配備了一個“數字助手”，將初期設計探索的效率提升了一到兩個數量級。

四、吸能元件設計與智能優化方法

4.1 吸能元件的功能定位與初始設計

在起落架吸收了大部分沖擊能量后，傳遞至座艙地板和座椅的加速度脈沖仍可能對乘員造成傷害，特別是對脊柱的沖擊。吸能元件（通常安裝于座椅滑軌與地板之間）作為“最后一厘米”的精密緩沖器，其核心功能是：在載荷超過預設閾值（通常低于人體脊柱損傷極限）時，通過自身可控的壓潰變形，進一步“削峰濾波”——即降低加速度峰值、延長減速時間、使載荷-時間曲線更為平滑，從而將乘員腰椎受力等生物力學指標精準地控制在安全限值之內。

本研究設計的初始吸能元件為薄壁圓柱殼結構，材料為T700碳纖維編織布。其基本幾何約束為：高度160mm（適應座椅底部空間），直徑60-110mm，壁厚1-3mm。為誘導穩定的漸進壓潰而非整體屈曲，在圓柱殼頂端設計了外翻卷邊并預制了四個周向均布的初始缺口，以引導壓潰從這些缺口處開始并對稱發展。

4.2 幾何尺寸參數化研究與最優解確定

為確定最優幾何尺寸，首先進行了系統的參數化仿真研究，固定材料參數，分別考察直徑和壁厚的影響。

直徑影響分析（壁厚=2mm）：隨著直徑從60mm以10mm為間隔增至110mm，乘員腰椎受力呈非單調的“S型”曲線變化。這是因為直徑變化同時改變了結構的軸向剛度、彎曲穩定性和壓潰折疊波長。仿真結果顯示，在直徑為 100mm 時，腰椎受力出現了一個顯著的谷值，約為8.0 kN，此時吸能效率較高。

壁厚影響分析（直徑=100mm）：固定最優直徑100mm，變化壁厚（1, 1.5, 2, 2.5, 3 mm）。結果顯示，腰椎受力呈先降后升的 “U型”曲線。壁厚過薄，結構過早失穩，峰值力低但載荷曲線波動大；壁厚過厚，初始峰值載荷過高。在壁厚為 2.5mm 時，腰椎受力達到全局最小值約5.2 kN，且載荷-位移曲線平穩，表明壓潰過程非常穩定。該最優設計（Φ100×2.5mm）質量僅為0.23kg，對整機增重影響微乎其微。

五、整機適墜性綜合評估與部件分析

5.1 優化前后整機墜撞性能對比

將優化后的滑橇式起落架（方案11）和最優吸能元件（Φ100×2.5mm）集成到eVTOL整機模型中，進行9.1 m/s垂直墜撞仿真，并與原始未優化設計進行對比，結果差異顯著：

數據顯示，原始設計的乘員傷害指標遠超安全限值，意味著墜撞將是致命的。僅優化起落架后，腰椎受力大幅下降至9.7 kN，HIC值已優于標準，表明乘員生存成為可能。加入吸能元件后，腰椎受力被進一步精細地調節至5.2 kN的安全值內，實現了從“可能生存”到“高概率安全”的跨越。

5.2 各部件的能量吸收貢獻分解

通過仿真后處理，提取各部件在墜撞過程中的內部能量（塑性能、損傷能等）變化歷史，可以定量分解總吸能量來源：

滑橇式起落架：作為主要吸能部件，貢獻了總沖擊動能的 85%-90% 。其通過大范圍的塑性變形和復合材料分層破壞，消耗了絕大部分能量。

機身結構（地板、框架等）：貢獻約 5%-8% 的能量吸收。主要通過局部變形和少量損傷吸能。

座椅吸能元件：盡管其吸能量絕對值占總比不高（約 2%-4%），但其戰略價值無可替代。它位于載荷傳遞鏈的末端，直接作用于乘員約束系統。其吸能的關鍵在于 “時機”和“波形管理” ——它在沖擊載荷傳遞至乘員身體前的最后時刻工作，精準地“削去”了可能導致傷害的載荷峰值，并將一個尖銳的脈沖轉化為一個平緩的平臺。這正是其將腰椎受力從9.7 kN降至5.2 kN的物理本質。

這種貢獻分解清晰地揭示了eVTOL適墜性設計的 “分層防御”理念：起落架是第一道、也是最主要的重型防線；機身結構是第二道輔助防線；而吸能元件則是保護乘員的最后一道精密、主動的智能防線。

六、eVTOL離軸碰撞下的適墜性分析

6.1 離軸碰撞工況的定義與研究必要性

城市環境中的應急著陸極少是理想的垂直墜落。離軸碰撞是指飛行器以帶有水平速度分量和/或非零俯仰角、滾轉角的姿態與地面發生撞擊。這種工況可能由側風、失控旋轉、與障礙物刮蹭后姿態失控等多種原因引起。研究離軸碰撞的適墜性至關重要，因為它引入了剪切、扭轉等復雜載荷，這些載荷在垂直墜撞中并不顯著，但對eVTOL的輕量化復合材料結構可能構成致命威脅。

6.2 多角度/多速度離軸墜撞仿真設置與結果

為全面評估風險，我們設計了一系列離軸墜撞仿真工況，系統變化以下參數：

碰撞角度：俯仰角（機頭向上/向下）從0°到30°；滾轉角（機翼傾斜）從0°到45°。

碰撞速度：垂直速度分量固定為9.1 m/s，水平速度分量從0 m/s增加到10 m/s。

地面摩擦：考慮了不同摩擦系數（0.2-0.5）的影響。

仿真結果揭示了兩個主要的風險升級模式：

風險一：乘員腰椎傷害風險在斜向沖擊下急劇升高

在純垂直墜撞中表現良好的吸能元件和座椅系統，在離軸工況下面臨挑戰。例如，當存在15度俯仰角和5 m/s水平速度時，乘員除受到垂直減速載荷外，還會受到顯著的向前（或向后）的剪切力和慣性力矩。此時，腰椎承受的是壓縮與彎曲的復合載荷，其耐受極限遠低于純軸向壓縮。仿真顯示，在某些離軸工況下，即使垂直過載不高，腰椎受力也可能再次逼近甚至超過6.7 kN的限值。這表明，當前針對垂直載荷優化的吸能元件和座椅姿態，需要增強對多向載荷的適應性，例如考慮具有各向異性或耦合變形能力的智能材料與結構。

風險二：機身座艙的剪切潰塌與生存空間完整性喪失

這是離軸碰撞中最危險的結構性風險。在帶有較大滾轉角和水平速度的撞擊中，地面會對一側的起落架或機身側壁產生巨大的水平摩擦力。同時，機艙內沉重的電池包（通常位于客艙下方或底部）在慣性作用下會產生強大的橫向剪切力。這兩種力共同作用，可能導致：

復合材料座艙框架在連接節點處發生剪切破壞。

地板被剪斷或嚴重變形。

側壁結構向內潰縮，嚴重侵占乘員生存空間。

仿真中觀察到了在30度滾轉撞擊下，機艙一側結構被“剪斷”，導致客艙嚴重變形的情景。這意味著，乘員可能在沒有受到過高過載的情況下，因生存空間被擠壓而喪生。這要求eVTOL的機身設計，特別是客艙下部結構、地板梁與側壁的連接方式、以及電池艙的安裝結構，必須具備足夠的抗剪切和抗彎扭能力，這是在垂直墜撞分析中容易被忽略的關鍵點。

七、總結與展望

7.1 研究核心結論

本研究圍繞eVTOL的適墜性挑戰，開展了一套從核心部件到整機集成、從理想垂直到復雜離軸工況的系統性分析、優化與評估工作，得出以下核心結論：

起落架是生存基石：通過復合材料滑橇式起落架的“引導式漸進破壞”變厚度設計，可將其從脆性斷裂的吸能失效模式轉變為高能量效率的穩定壓潰模式，這是保障乘員在垂直墜撞中生存的基礎性、決定性措施。

吸能元件是安全精調的關鍵：座椅吸能元件雖小，但在載荷傳遞末端起著不可替代的“精密濾波”作用，能精準地將乘員腰椎受力等生物力學指標從生存邊緣調節至絕對安全范圍內，實現了從“保命”到“保安全”的躍升。

智能化設計方法是效率引擎：融合機器學習代理模型與遺傳算法的智能優化框架，能極大加速高維、非線性適墜性部件的設計進程，為解決未來更復雜的設計問題提供了高效的方法論工具。

離軸碰撞是未來設計的核心挑戰：研究證實，城市環境特有的離軸碰撞工況會顯著加劇乘員傷害風險和座艙結構剪切潰塌風險。未來的eVTOL適墜性標準與設計，必須強制納入離軸碰撞考核，其重要性不亞于垂直墜撞。

7.2 未來技術發展與研究方向展望

基于本研究的發現，eVTOL適墜性技術的未來發展將聚焦于以下幾個前沿方向：

材料與結構創新：研發多功能一體化復合材料，如具有負泊松比效應的拉脹材料、梯度變剛度材料、以及嵌入形狀記憶合金或剪切增稠流體的智能自適應結構，使吸能部件能根據沖擊方向和強度自主調整響應。

設計方法學變革：深入發展 “基于人工智能的正向生成式設計” 。結合強化學習、生成對抗網絡（GAN）等先進AI算法，不局限于優化給定構型，而是讓AI根據安全、重量、空間等多目標約束，直接從材料微觀結構到宏觀幾何拓撲進行創新性構型生成，實現顛覆性設計。

驗證與標準完善：亟需建立覆蓋全范圍離軸碰撞工況的、公開的 eVTOL墜撞測試數據庫，并推動監管機構制定包含明確離軸碰撞場景、復合/多材料結構損傷容限、電池系統安全等在內的下一代適墜性審定標準。

系統集成安全：將適墜性設計與整機安全余度管理、應急漂浮（對于水上迫降）、墜撞后應急撤離、防火防爆（特別是電池熱失控） 等系統進行更高層級的集成優化，實現全任務剖面下的系統性安全。

eVTOL代表著人類出行方式的又一次革命，而其“安全著陸”的能力是這場革命得以實現的倫理與技術基石。適墜性研究，正是為這雙“未來的翅膀”鑄造最堅韌的“安全鎧甲”。前路雖充滿挑戰，但通過多學科的持續融合與創新，我們必將能夠構筑起堅固的安全防線，讓城市空中交通真正成為安全、可靠、普惠的明日之路。

&注：此文章內使用的圖片部分來源于《丁夢龍，李道春，周堯明等.eVTOL 適墜性分析及優化.航空學報》及公開網絡獲取，僅供參考使用，如侵權可聯系我們刪除，如需進一步了解公司產品及商務合作，請與我們聯系！！

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