1. 什么是eVTOL的可靠性

過(guò)去幾年，eVTOL發(fā)展如火如荼。但同時(shí)，也有多個(gè)eVTOL公司出現(xiàn)了原型機(jī)/縮比樣機(jī)/框架機(jī)出現(xiàn)了墜機(jī)事故。其中既有Joby、Vertical和Boing這樣的知名公司，也有國(guó)內(nèi)eVTOL頭部企業(yè)中的幾家公司。未來(lái)，隨著eVTOL離大規(guī)模量產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)越來(lái)越近，其安全可靠性必將成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。

造成eVTOL墜機(jī)的原因多種多樣，如惡劣天氣、人為不當(dāng)操縱、機(jī)械/控制故障、多因素共同影響等。對(duì)于載人eVTOL，其可靠性是保障飛行員、乘客、eVTOL自身及外部人和物等在內(nèi)的整體安全的重要前提，亟需重點(diǎn)關(guān)注。

可靠性是指“產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力”。產(chǎn)品是指作為單獨(dú)研究和分別試驗(yàn)對(duì)象的元件、器件、設(shè)備和系統(tǒng)，及由它們裝配成的機(jī)器、成套設(shè)備，甚至也包括人的作用。規(guī)定條件是指產(chǎn)品的環(huán)境條件(如室內(nèi)、野外)、使用條件(如氣候、振動(dòng))，以及貯存和維護(hù)條件等。規(guī)定時(shí)間是指產(chǎn)品的工作期限,常用時(shí)間、周期、次數(shù)、里程等表示。規(guī)定功能則指產(chǎn)品的性能指標(biāo)，如eVTOL的最大載重、前飛速度、航程等?？煽啃允钱a(chǎn)品的一種“能力”和“屬性”，是產(chǎn)品質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一。

通常認(rèn)為，“可靠性是設(shè)計(jì)出來(lái)的”。為保障eVTOL的安全可靠性，最有效的方法就是在設(shè)計(jì)階段充分進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)完成可靠性驗(yàn)證評(píng)估，以獲得足夠安全的eVTOL。

2. eVTOL的可靠性設(shè)計(jì)

eVTOL既需要有優(yōu)異性能，又需要有高可靠性。但忽視可靠性，片面追求高性能，則可能會(huì)導(dǎo)致人員傷亡、飛行器損毀、運(yùn)營(yíng)效率低、維修成本高等問(wèn)題。因此，應(yīng)在eVTOL設(shè)計(jì)階段就開(kāi)展可靠性設(shè)計(jì)。

第一，概念設(shè)計(jì)階段。首先應(yīng)完成對(duì)同類或相似產(chǎn)品的可靠性分析，選定基礎(chǔ)材料、分析關(guān)鍵部件、了解失效模式、設(shè)計(jì)控制方案。此外，還應(yīng)確定可靠性設(shè)計(jì)目標(biāo)，包括可行的設(shè)計(jì)措施、預(yù)判設(shè)計(jì)結(jié)果、評(píng)估驗(yàn)證方案等。最后，應(yīng)將目標(biāo)轉(zhuǎn)化為可定量的設(shè)計(jì)指標(biāo)，并貫穿于設(shè)計(jì)全程。

第二、初步設(shè)計(jì)階段。應(yīng)首先盡量遵從已有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)先使用已得到充分驗(yàn)證的材料、零部件和技術(shù)，提高eVTOL的技術(shù)成熟度。此外，還應(yīng)適當(dāng)考慮eVTOL的可生產(chǎn)性和可量產(chǎn)性，確保生產(chǎn)條件、工藝能力、質(zhì)量控制滿足要求。最后，生產(chǎn)采用的構(gòu)型、線路、結(jié)構(gòu)、工藝等，應(yīng)力求簡(jiǎn)單，以降低復(fù)雜性引起的不可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

第三、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。首先應(yīng)對(duì)eVTOL進(jìn)行足夠且適當(dāng)?shù)娜哂嘣O(shè)計(jì)和故障安全保護(hù)設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮制造、操縱和維護(hù)過(guò)程中的人為失誤。此外，還應(yīng)尋求eVTOL在高可靠性、高性能與低成本之間的綜合最優(yōu)。

3. eVTOL可靠性驗(yàn)證評(píng)估實(shí)例

作為新型航空器，截至目前，eVTOL尚無(wú)通用的適航標(biāo)準(zhǔn)。因此，設(shè)計(jì)師往往會(huì)根據(jù)過(guò)往經(jīng)驗(yàn)與試驗(yàn)想法設(shè)計(jì)，而可能會(huì)忽視可靠性的重要之處。例如，某型eVTOL在最初設(shè)計(jì)時(shí)，期望構(gòu)型為陸空一體飛行汽車(chē)，也即“兩軸兩槳旋翼+汽車(chē)”。而稍作研究后發(fā)現(xiàn)，該構(gòu)型與已有民用航空器的安全可靠性要求相去甚遠(yuǎn)：遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到在每飛行一小時(shí)內(nèi)，因系統(tǒng)發(fā)生故障造成飛機(jī)災(zāi)難性事件的平均概率小于等于10-9這樣的要求。這意味著，該構(gòu)型會(huì)因不滿足可靠性要求而無(wú)法商業(yè)化。

認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)后，該型eVTOL改為“四軸八槳旋翼”構(gòu)型，仍為陸空一體。新構(gòu)型通過(guò)動(dòng)力及旋翼的冗余設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了可靠性大幅提高，未來(lái)綜合考慮冗余設(shè)計(jì)有望滿足10-9的失效概率。但又發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)陸空一體的工程化應(yīng)用，存在較大技術(shù)難度，也缺乏商業(yè)潛力。

最終，該型eVTOL放棄陸空一體設(shè)想，轉(zhuǎn)而采用陸空分離路線。同時(shí)，為進(jìn)一步提升多旋翼飛行器可靠性，構(gòu)型也更改為“六軸六槳”。再次更新后的構(gòu)型，可以保證在一副旋翼失效情況下，由剩余旋翼安全降落。即便如此，尚有其他安全可靠性問(wèn)題需要解決。

這一實(shí)例揭示出，對(duì)于eVTOL這樣的新型飛行器，應(yīng)盡早采用多種方法檢測(cè)、驗(yàn)證和評(píng)估其性能。具體方法有：

1）通過(guò)各類試驗(yàn)測(cè)試，全面摸底、確定和驗(yàn)證eVTOL零部件、系統(tǒng)、整機(jī)的可靠性能、壽命或維護(hù)周期。

2）進(jìn)行失效模式和機(jī)理的全面分析，為量產(chǎn)型eVTOL的整體可靠性提供完善建議和解決途徑，直到滿足可靠性要求。

3）eVTOL主機(jī)廠應(yīng)多方考察供應(yīng)商，可委托第三方機(jī)構(gòu)檢測(cè)供應(yīng)商的產(chǎn)品質(zhì)量并提供培訓(xùn)，確保eVTOL關(guān)重件安全可靠。

億航EH216-S，作為全球首個(gè)取得TC（型號(hào)合格證）、PC（生產(chǎn)許可證）和AC（單機(jī)適航證）的eVTOL機(jī)型，進(jìn)行了大量可靠性驗(yàn)證。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，該型eVTOL進(jìn)行了多達(dá)五百多個(gè)科目、四萬(wàn)多架次性能摸底測(cè)試，以及六十五個(gè)大項(xiàng)、四百多個(gè)科目的適航符合性評(píng)估。不僅對(duì)材料性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、阻燃?jí)嬜?，以及系統(tǒng)環(huán)境、軟件運(yùn)行、數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行了測(cè)試，還對(duì)整機(jī)功能、飛行性能、操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證。針對(duì)部件、設(shè)備、整機(jī)的預(yù)埋缺陷、故障、干擾等，同樣開(kāi)展了可靠性評(píng)估。這些測(cè)試、驗(yàn)證與評(píng)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、專業(yè)的可靠性驗(yàn)證，EH216-S才最終順利獲得“三證”。第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)在eVTOL的適航符合性驗(yàn)證方面具有專業(yè)和獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

廣電計(jì)量作為技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)有上市第三方檢測(cè)公司，有幸為某多旋翼飛行器適航取證提供了有力的試驗(yàn)驗(yàn)證支持，同時(shí)又在為國(guó)內(nèi)數(shù)個(gè)eVTOL頭部企業(yè)提供各類計(jì)量檢測(cè)和技術(shù)咨詢服務(wù)，不僅在提高可靠性、縮短適航取證時(shí)間、降低適航取證成本等方面發(fā)揮了重要作用，同時(shí)也為后續(xù)再次提供類似服務(wù)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

4. 可靠性理念應(yīng)盡早前置

可靠性概念貫穿于eVTOL整個(gè)生命周期，對(duì)eVTOL的重要作用不容置疑。從確定需求開(kāi)始，到概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)，再到投入使用、商業(yè)運(yùn)營(yíng)和退出現(xiàn)役，可靠性都與之密切相關(guān)。 

eVTOL主機(jī)廠應(yīng)盡早與適航管理部門(mén)，以及有豐富可靠性經(jīng)驗(yàn)的第三方機(jī)構(gòu)溝通，將可靠性問(wèn)題前置。通過(guò)前置，可以縮短研制周期、降低研發(fā)費(fèi)用、加速量產(chǎn)進(jìn)度，還可以避免“補(bǔ)充設(shè)計(jì)”乃至局部“重新設(shè)計(jì)”的不利情形。

eVTOL的高可靠性還是贏得公眾良好口碑，實(shí)現(xiàn)商業(yè)成功的基礎(chǔ)。盡早關(guān)注可靠性，必然有利于eVTOL主機(jī)廠在商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中占得先機(jī)。

作者介紹：

航空航天專業(yè)博士，航空器研制主機(jī)所、eVTOL大廠研發(fā)專家，對(duì)eVTOL構(gòu)型分析、總體設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)、供應(yīng)鏈、關(guān)重件工藝等有深入研究，深信中國(guó)的eVTOL行業(yè)必將走在世界的最前列。