eVTOL整机的安全冗余度得到极大的保障

大量的空中出租车项目正处于不同的开发阶段，包括载人/客运类别。从工程的角度来看，这些eVTOL空中出租车应该包括一个稳定的整机平台，该平台至少有四个推力装置，以便在给定的高度将整机定向在三种所需的姿态（滚转、俯仰和偏航）。从公众接受的角度讲，对于可认证的整机，必须至少有单一故障容忍度。为了适应容错场景，要求电推进装置（EPU）的冗余度满足故障下安全运行的能力，研究表明EPU的数量最小值必须为六个。为了简化认证过程，可以基于性能的分析进行评估，以证明存在稳定整机构型的可行解决方案，并且充分利用可行解决方案的非唯一性来实现关键的设计属性，包括机载电池组的最小系统功率消耗或旋转组的机械阻力造成的最小功率损失。非唯一性还包括机载处理和控制设备的容错，以在断开故障EPU之前完成故障检测和隔离，这相当于最大限度地减少故障和重新瞬态配置。在没有详细算法的情况下，整个解决方案空间是为具有六个EPU的故障安全空中出租车整机制定的，构成最少的EPU需求。

众所周知，从六自由度运动的角度来看，将物体放置在空间中所需的位置和方向需要满足三个平移力方程和三个转动力矩方程。如果一个物体构成了一个多边形的稳定平台，其顶点有对称的直立单工推进器或等效的电推进装置，那么最简单的平台是四边形，包含一个垂直力方程和三个转动力矩方程。因此，对于前/后平移力方程，它能够通过在前/后方向倾转实现推力矢量化，对于左/右平移力方程也能够在左/右方向倾转平台。因此，四边形具有进行六自由度运动的能力。然而，四边形不是一个可以保障故障安全运行的整机平台，因为如果四个推进器中的任何一个不可用，就会导致整机损失。要能够实现故障安全运行能力，就必须能够承受推进器的损失，加推进器可用性的最简单方法是通过推进器冗余。

同样，对于故障安全操作，增加推力冗余是通过（i）从四边形延伸到更高的多边形，包括带有六个推进器的六边形（Joby S4）、带有八个推进器的八边形（现代S-Al和VA-X4），和（ii）通过在四边形的顶点堆叠两个反向旋转的EPU（空中客车CityAirbus和Moog SureFly S250）和八个EPU来增强升力。还应注意的是，这些稳定的多边形应包括整机重心范围，以保持稳定性。稳定平台的特点是满足四个独立方程，包括垂直力方程和三个转动力矩方程，以响应一组多个推进器——四个用于四边形，六个用于六边形，八个用于八边形，要求确定最小的电推进单元（EPU），以确保给定整机构型配置的飞行安全。作为最低要求，任何整机都应该向认证机构证明单一的故障容忍，也就是所谓的故障安全，可以增加EPU的冗余度以实现故障操作。EPU的故障可能归因于螺旋桨/转子、定子、逆变器或倾转机构的不可用性，为实现成功的悬停飞行，前提是其他必要元件的可用性。对于故障安全的情况，至

少应该有六个EPU，故障操作则需要八个EPU。前提是电池能量和控制电子设备的可用性不会因其自身的冗余而中断。下表的一项简短调查证实了上述统计数字。包括数学分析，以说明安全飞行器在悬停飞行中的情况。

飞行员+4乘客无推进器坠落安全空中出租车调查

整机平台应能够在三个不同方向上独立定向，包括侧倾、俯仰和偏航。此外，还能够垂直推进。简而言之，要求至少有四个独立的推进装置，以满足四个独立方程、三个力矩方程和一个力方程。一个普遍存在的例子是带有四个单EPU的四旋翼机，并不满足故障安全的能力。对于具有故障恢复能力的可认证构型配置，需要具有四个以上EPU的配置，上表中一个最简单的构型是具有六个EPU的整机，用于可认证的故障安全构型。 

整机EPUs的构型配置

此处关于六EPU整机构型配置动力失效解空间的算法描述，请参考原文。对于故障安全整机配置，在任何EPU故障的情况下，解决方案空间不应为空。一组合理的EPU故障场景涵盖了三种最有可能的情况：（i）叶片折叠到机舱中的非工作EPU，（ii）失控EPU，以及（iii）自由滑行EPU。针对上述三种情况基于六EPU构型进行动力构型的解空间计算。在左尾EPU失效且处于非活动状态的情况下，整机的EPU性能解方案（第一种情况失效动力配置解）

总结：故障安全空中出租车至少需要配备六个EPU，其解决方案空间已被证明存在，包括所有可能的安全着陆试点方案。这些空间解方案可以响应三种最有可能的EPU故障场景，（i）非工作EPU，（ii）失控的EPU，和（iii）自由滑行的EPU。应注意的是，具有低重量的整机对情况（ii）失控EPU更为敏感。在没有详细算法的情况下，本方法足以适应所有可行的解决方案，包括从机载电池组中提取的最小功率。