飞行汽车（eVTOL）可靠性小议

1. 什么是eVTOL的可靠性

过去几年，eVTOL发展如火如荼。但同时，也有多个eVTOL公司出现了原型机/缩比样机/框架机出现了坠机事故。其中既有Joby、Vertical和Boing这样的知名公司，也有国内eVTOL头部企业中的几家公司。未来，随着eVTOL离大规模量产和运营越来越近，其安全可靠性必将成为公众关注的焦点。

造成eVTOL坠机的原因多种多样，如恶劣天气、人为不当操纵、机械/控制故障、多因素共同影响等。对于载人eVTOL，其可靠性是保障飞行员、乘客、eVTOL自身及外部人和物等在内的整体安全的重要前提，亟需重点关注。

可靠性是指“产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力”。产品是指作为单独研究和分别试验对象的元件、器件、设备和系统，及由它们装配成的机器、成套设备，甚至也包括人的作用。规定条件是指产品的环境条件(如室内、野外)、使用条件(如气候、振动)，以及贮存和维护条件等。规定时间是指产品的工作期限,常用时间、周期、次数、里程等表示。规定功能则指产品的性能指标，如eVTOL的最大载重、前飞速度、航程等。可靠性是产品的一种“能力”和“属性”，是产品质量最重要的指标之一。

通常认为，“可靠性是设计出来的”。为保障eVTOL的安全可靠性，最有效的方法就是在设计阶段充分进行可靠性设计，并通过试验完成可靠性验证评估，以获得足够安全的eVTOL。

2. eVTOL的可靠性设计

eVTOL既需要有优异性能，又需要有高可靠性。但忽视可靠性，片面追求高性能，则可能会导致人员伤亡、飞行器损毁、运营效率低、维修成本高等问题。因此，应在eVTOL设计阶段就开展可靠性设计。

第一，概念设计阶段。首先应完成对同类或相似产品的可靠性分析，选定基础材料、分析关键部件、了解失效模式、设计控制方案。此外，还应确定可靠性设计目标，包括可行的设计措施、预判设计结果、评估验证方案等。最后，应将目标转化为可定量的设计指标，并贯穿于设计全程。

第二、初步设计阶段。应首先尽量遵从已有技术标准，优先使用已得到充分验证的材料、零部件和技术，提高eVTOL的技术成熟度。此外，还应适当考虑eVTOL的可生产性和可量产性，确保生产条件、工艺能力、质量控制满足要求。最后，生产采用的构型、线路、结构、工艺等，应力求简单，以降低复杂性引起的不可靠性风险。

第三、详细设计阶段。首先应对eVTOL进行足够且适当的冗余设计和故障安全保护设计，同时考虑制造、操纵和维护过程中的人为失误。此外，还应寻求eVTOL在高可靠性、高性能与低成本之间的综合最优。

3. eVTOL可靠性验证评估实例

作为新型航空器，截至目前，eVTOL尚无通用的适航标准。因此，设计师往往会根据过往经验与试验想法设计，而可能会忽视可靠性的重要之处。例如，某型eVTOL在最初设计时，期望构型为陆空一体飞行汽车，也即“两轴两桨旋翼+汽车”。而稍作研究后发现，该构型与已有民用航空器的安全可靠性要求相去甚远：远远无法达到在每飞行一小时内，因系统发生故障造成飞机灾难性事件的平均概率小于等于10-9这样的要求。这意味着，该构型会因不满足可靠性要求而无法商业化。

认识到这一点后，该型eVTOL改为“四轴八桨旋翼”构型，仍为陆空一体。新构型通过动力及旋翼的冗余设计，实现了可靠性大幅提高，未来综合考虑冗余设计有望满足10-9的失效概率。但又发现，现阶段实现陆空一体的工程化应用，存在较大技术难度，也缺乏商业潜力。

最终，该型eVTOL放弃陆空一体设想，转而采用陆空分离路线。同时，为进一步提升多旋翼飞行器可靠性，构型也更改为“六轴六桨”。再次更新后的构型，可以保证在一副旋翼失效情况下，由剩余旋翼安全降落。即便如此，尚有其他安全可靠性问题需要解决。

这一实例揭示出，对于eVTOL这样的新型飞行器，应尽早采用多种方法检测、验证和评估其性能。具体方法有：

1）通过各类试验测试，全面摸底、确定和验证eVTOL零部件、系统、整机的可靠性能、寿命或维护周期。

2）进行失效模式和机理的全面分析，为量产型eVTOL的整体可靠性提供完善建议和解决途径，直到满足可靠性要求。

3）eVTOL主机厂应多方考察供应商，可委托第三方机构检测供应商的产品质量并提供培训，确保eVTOL关重件安全可靠。

亿航EH216-S，作为全球首个取得TC（型号合格证）、PC（生产许可证）和AC（单机适航证）的eVTOL机型，进行了大量可靠性验证。

据统计，该型eVTOL进行了多达五百多个科目、四万多架次性能摸底测试，以及六十五个大项、四百多个科目的适航符合性评估。不仅对材料性能、结构强度、阻燃坠撞，以及系统环境、软件运行、数据链路进行了测试，还对整机功能、飞行性能、操纵稳定性进行了验证。针对部件、设备、整机的预埋缺陷、故障、干扰等，同样开展了可靠性评估。这些测试、验证与评估，最大限度地提高了EH216-S的安全可靠性。正是基于大量、全面、完整、专业的可靠性验证，EH216-S才最终顺利获得“三证”。第三方检测机构在eVTOL的适航符合性验证方面具有专业和独特优势。

广电计量作为技术领先的国有上市第三方检测公司，有幸为某多旋翼飞行器适航取证提供了有力的试验验证支持，同时又在为国内数个eVTOL头部企业提供各类计量检测和技术咨询服务，不仅在提高可靠性、缩短适航取证时间、降低适航取证成本等方面发挥了重要作用，同时也为后续再次提供类似服务积累了宝贵经验。

4. 可靠性理念应尽早前置

可靠性概念贯穿于eVTOL整个生命周期，对eVTOL的重要作用不容置疑。从确定需求开始，到概念设计、初步设计和详细设计，再到投入使用、商业运营和退出现役，可靠性都与之密切相关。 

eVTOL主机厂应尽早与适航管理部门，以及有丰富可靠性经验的第三方机构沟通，将可靠性问题前置。通过前置，可以缩短研制周期、降低研发费用、加速量产进度，还可以避免“补充设计”乃至局部“重新设计”的不利情形。

eVTOL的高可靠性还是赢得公众良好口碑，实现商业成功的基础。尽早关注可靠性，必然有利于eVTOL主机厂在商业竞争中占得先机。

作者介绍：

航空航天专业博士，航空器研制主机所、eVTOL大厂研发专家，对eVTOL构型分析、总体设计、关键技术难点、供应链、关重件工艺等有深入研究，深信中国的eVTOL行业必将走在世界的最前列。