今年6月，美国波士顿初创企业“磁悬浮航空”（MagLev Aero）公司宣布，正在开发“超高速推进装置”（HyperDrive）磁悬浮飞行器。
据称，它是第一台应用磁悬浮技术的电动垂直起降（electric Vertical Take-Off and Landing，以下简称eVTOL）飞行器，并且采用了创新性的举措提升飞行器效率。目前，美方已向该初创企业投入巨资，以确保验证机制造并开展地面测试。
【注：2014年，美国直升机协会（AHA）和美国航空航天学会（AIAA）提出eVTOL的概念，指以电力作为飞行动力来源且具备垂直起降功能的飞行器。】
由诸多领域科技进步成果奠基的HyperDrive，将改变“城市空中交通”市场竞争格局，促进电动航空的多样化发展。
那么，它究竟新在哪里？有何过人之处？
2016年，出行巨头优步（Uber）提出空中出租车计划（Uber Elevate），推出适用于城市空运的共享eVTOL交通服务Uber Air，由此引发欧美市场eVTOL浪潮，吸引了包括航空航天企业、汽车行业、运输行业、政府、军方以及学术界的广泛关注。
2018年，美国国家航空航天局（NASA）在其发布的研究报告（Urban Air Mobility Airspace Integration Concepts and Considerations）中定义了UAM（Urban Air Mobility），即“城市空中交通”，指出它将对地面交通起到很好的补充作用，缓解日益严峻的城市交通拥堵问题。此外，它还可在旅游、医疗救护、消防灭火、应急救援以及公共安全等领域发挥特殊作用。
美国垂直飞行协会（VFS）认为，eVTOL技术是自直升机诞生以来航空业最重要的技术变革之一。2016年，由VFS编制的第一份eVTOL飞机目录对外发布，最初收录的产品仅有6种。随着eVTOL产业快速发展，截至2023年9月，已增至近900种。
作为面向城市空中交通和未来出行的新型交通工具，eVTOL飞行器在经济性、可靠性、智能性和环保性等方面优势显著，可以使人和货物在城市低空快速流动与灵活作业，便于高效开发城市低空空域资源，将成为未来UAM市场的主流方案。
近几年来，汽车产业全面向新能源转型，并推动电池和电源管理、电动机、电力控制器、电传飞控、自动驾驶、卫星通讯、计算机运算和处理能力、轻型复合材料等关键技术的发展和产业链的成熟，为eVTOL行业的发展创造了条件，使其具备了引发新一轮航空革命的潜力。
现在，诸多eVTOL设计方案与技术水平已经达到UAM应用的初始条件；同时，为了在技术与市场层面更加深入，普遍仍需在安全冗余、降噪效果、巡航速度、载重能力、工业设计等几个方面取得进展。
关于上述5项关键标准，这里用图表展示更为直观：
由上可见，噪声是当下限制eVTOL发展与应用的最突出的重点和难点问题。尽管现今的技术方法能够在一定程度上降低飞行器的巡航噪声，但仍然很难使其降噪效果达到理想水平。
为量化和规范噪声计量方法，美国《联邦法规汇编》在“机场噪声兼容性规划”部分（14 CFR Part 150）定义了昼夜等效声级，通俗来讲就是判断某地区在24小时内噪声水平是否合规的标准计算方法。具体来说，飞行器每天的飞行架次越多，昼夜等效声级就越高。
世界各国普遍要求为65分贝，按这个数字计算，以目前直升机的噪声水平，不考虑其他因素，每天仅可飞行40架次。若通过技术手段将直升机噪声级降低12分贝，则变为每日可飞行500架次；若降低15分贝，每日可飞行1200架次；若降低20分贝，每日可飞行4000架次。
换言之，在同一地区标准下，飞行器的噪声水平越低，每日可飞行架次就越多。同时，由于还有部分地区对昼夜等效声级的要求更为严格，如55分贝甚至45分贝，降噪也就成了将该地区接入飞行网络的首要任务。
传统直升机的旋翼采用机械方式驱动，叶片数量较少，在工作时以很高的转速旋转。桨叶半径较大的部位贡献了大部分升力，也承受着更大的载荷，因此叶片需要较大的厚度。通常，大部分噪声来自载荷较大的部位，分为定常载荷噪声与非定常载荷噪声。
目前，eVTOL飞行器常使用多旋翼结构，其将传统的单旋翼分解成了多个小旋翼，在很大程度上降低了噪声水平，不过，实质上只降低了定常噪声部分。
非定常噪声和旋翼尺寸没有直接关系。工作叶片上的载荷变化越频繁，非定常载荷噪声就越大。在具有相同叶尖线速度的情况下，大旋翼的定常噪声或许比多个小旋翼加一起更大，但由于其载荷变化没有小旋翼频繁，非定常噪声可能更小。
另外，宾夕法尼亚州立大学肯尼斯·布兰特内尔（Kenneth Brentner）教授等人研究发现，当飞行器悬停、有气流从某方向以一定角度斜着吹过旋翼时，单旋翼结构产生的非定常载荷噪声通常明显小于多旋翼结构。
MagLev Aero公司提出的解决方案——HyperDrive推进系统，采用单旋翼结构，并且在其中利用磁悬浮轴承代替传统的滚子轴承。
磁悬浮轴承是利用电磁力使转轴悬浮的轴承，实现转轴的无接触支撑，与磁悬浮列车实现列车和轨道间的无接触悬浮和导向类似。磁悬浮轴承通过位置传感器，检测转轴的位置偏差信号并送到控制器，通过功率放大器来控制电磁铁的电流，从而产生电磁力的变化，使转轴悬浮于规定的位置。
磁悬浮轴承具有众多优点，例如，摩擦阻力小、不受转速限制、工作温度范围宽、使用寿命长等。目前，电磁轴承已经应用于列车、离心机、流量计、真空泵和陀螺仪等诸多设备。
与之相比，大直径的传统滚子轴承重量很大、价格昂贵，并且，在高转速下产生的热量与离心载荷将导致其可靠性急剧下降。显然，磁悬浮轴承更适合在这种条件下工作。
此外，HyperDrive还采取了3项措施，大幅降低困扰单旋翼结构的定常噪声水平，最终达成降低整体噪声的目标：
措施1：取消叶片低效部位
载荷均由近叶尖一侧承担，HyperDrive推进系统取消了低效的叶根部分，仅保留了外侧叶片。这一举措在尽量维持每个叶片效率的同时，大大减轻了整体结构的重量。
措施2：显著增加叶片数量
在取消低效部位的基础上，HyperDrive推进系统能够显著增加叶片的数量，由原本的几个桨叶增加至数十个叶片。由此，HyperDrive可以在不损失效率的前提下，降低每个叶片承受的载荷。
措施3：优化叶片结构外形
由于叶片长度缩短，可以通过合理的气动设计，改变叶片外形、减小叶片厚度，同时优化负载结构，使载荷尽量均匀分布于整个叶片上。
通过以上措施，转子的实际旋转速度显著降低，叶尖线速度降至传统旋翼桨叶的一半以下。与传统布局不同，由于HyperDrive推进系统的叶片尺寸明显缩短，其旋翼并不固定在中心轴上，而是固定在导向器外环上。由电池供电产生的磁场能够稳定风扇位置并使其旋转，如同首尾相接的磁悬浮列车，沿圆周方向不停行驶。由于没有摩擦，磁悬浮风扇运行安静、高效。该系统还可以改装成类似于共轴双旋翼的结构，对各类飞行器具有灵活的适配性。
【注：共轴双旋翼，指直升机使用绕同一轴线一正一反旋转的上下两副旋翼。】
HyperDrive原理与磁悬浮列车相似
作为全新结构的eVTOL推进系统，HyperDrive具有以下显著优点：
*飞行噪声更低。由于HyperDrive的叶片相对小而轻，所受载荷相对较低，旋转速度相对较慢，导致了叶片在工作时产生的噪声显著降低。
*容许载重更大。由于采取了一系列有利于增加效率的措施，在相同能耗的前提下，HyperDrive能够搭载7人甚至更多，优于众多eVTOL飞行器。
*安全裕度更大。HyperDrive的设计具有极强的鲁棒性。当传统的分布式电推进结构出现了螺旋桨故障，飞机不得不主动关闭另一个螺旋桨，来维持扭矩平衡。然而，HyperDrive的逆变器等电子器件分布在圆周上，即使有几个相互并行的逆变器出现问题停止工作，也不会对转子产生任何影响。
从更宏观的视野来看，HyperDrive研发之所以具有可行性，是众多领域研究的发展共同促进的结果，如高保真度多物理场仿真、高能磁铁与电池技术、高可靠低时延通信技术、复合材料、增材制造、人工智能等。若放在5年前，相关领域的技术水平并不足以支撑这项研究。
因此，可以说HyperDrive是在现有技术水平下相当先进的磁悬浮电推进系统，其研发具有重要意义。
其一，将验证新概念磁悬浮eVTOL的可行性。
HyperDrive的磁悬浮轴承是全新的概念设计，尽管国内外曾对磁悬浮轴承有过一些研究，但该推进系统是磁悬浮在eVTOL上的首次应用，有望成功验证其可行性。由此，HyperDrive推进系统可能会引发新的研究潮流与热点，使eVTOL加速向高效、静音的方向发展，突破技术限制，助力城市空运的发展。
其二，改变UAM市场竞争格局。
2021年5月，金融服务公司摩根斯坦利（Morgan Stanley）更新了其对未来eVTOL/UAM潜在市场的预测，认为2040年全球UAM潜在市场约价值1万亿美元，其中交通运输和共享出行领域共占98%。HyperDrive这一降噪效果优异的eVTOL飞行器可能深入到每一个居民区和工作区，到每一个乘客身边。届时，HyperDrive或将成为UAM市场竞争中强有力的一极。
MagLev Aero公司充分发挥自己在设计方面的创新能力，并联合GE等公司的制造技术基础，有望成功打造安静、高效、安全的城市空运飞行器，在UAM市场占得先机。
其三，促进多样化的电动航空发展。
HyperDrive本质上是一个推进系统，可以灵活适应于不同的安装平台，能够促进不同形式飞行器的发展与应用，如无固定翼的小型涵道旋翼机、有固定翼的俯仰式涵道旋翼机、有固定翼的大型倾转旋翼机等。不同飞行器具有客运与物流等多重用途，因此多样的组合能够满足城市游览、应急救援等不同场合下航空应用的需要。
当然，eVTOL飞行器的发展还存在很高壁垒，不仅仅是技术，还有法规、基础设施、商业运营和文化等多重要素，需要业内的公司、研究人员和政府机构共同突破。
（除特别注明外，本文图片均来自MagLev Aero公司）
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