电动垂直起降（eVTOL）飞行器作为低空经济的新兴载体，凭借其环保性、低噪声和点对点运输优势，已成为城市空中交通（UAM）的核心装备。

eVTOL运行环境高度复杂（城市低空、建筑密集），且结构轻量化要求高、无动力滑翔能力弱，导致适坠性（Crashworthiness）成为保障乘员安全的关键挑战。适坠性指飞行器在应急坠撞中通过结构变形、能量吸收和乘员约束系统减轻人员伤亡的能力。

随着全球eVTOL适航认证进程加速，适坠性设计从“可选”变为“必选”。本文基于最新研究进展，系统梳理eVTOL适坠性的核心问题、技术突破与未来方向。

Part 01

eVTOL适坠性的特殊挑战

传统飞行器已进行了大量适坠性的研究，但eVTOL存在诸多独特的适坠性设计难点，已成为其投入实际应用的障碍之一。

适航要求	固定翼飞机	直升机	eVTOL
无动力着陆能力	强	中	弱
结构轻量化要求	低	中	高
座舱底部空间	大	中	小
复合材料使用率	中	中	高

核心挑战包括：

• 构型多样：倾转旋翼、多旋翼等构型缺乏统一设计标准；

• 能量吸收受限：轻量化需求导致吸能空间不足，复合材料脆性破坏倾向显著；

• 离轴碰撞风险高：城市环境易引发带滚转/俯仰角的非垂直撞击；

• 电池安全威胁：锂离子电池受冲击后可能引发热失控、起火。

Part 02

适坠性设计关键技术

「结构吸能优化」

图1 eVTOL坠撞变形示意图

在eVTOL坠撞过程中，起落架先撞击地面，发生弯折和断裂，耗散一部分坠撞动能。然后机体下部结构与地面发生撞击，待机身地板下部结构变形破损后，乘员座椅系统进一步发生变形。根据NASA研究，eVTOL坠撞时起落架吸能占比达57%，机体下部结构占30%，座椅系统仅占少量，需系统性优化能量分配。

起落架设计：滑橇式起落架采用变厚度复合材料铺层。通过预设“渐进破坏区”，避免局部断裂导致的座舱直接撞击（图2）。

外部保护系统：飞行器外部的保护系统（如气囊或其他吸能结构组件）也是耗散坠撞动能的重要手段，典型的外部保护结构如图3所示。可展开能量吸收器（DEA）使乘员腰椎载荷降低67%；底部气囊可减缓12.2 m/s前向撞击的冲击力。

机体结构：地板下部集成模块化吸能组件（图4所示NASA十字形结构，使离轴载荷下吸能效率提升20%）；下单翼布局增设防撞梁，上单翼布局强化主框架抗弯性能（图5）。

图 2 两种不同的起落架破坏模式

图 4 eVTOL地板下部模块化吸能组件

图 3 典型飞行器外部保护结构

图 5 不同构型抗坠撞机身结构

「乘员约束系统」

座椅吸能：NASA设计的复合材料座椅(图6)在前腿嵌入吸能管，腰椎载荷峰值降低50%；

安全带约束：五点式安全带约束能力最强，但可能增加胸廓载荷；两点式对人体载荷小，但易导致头部碰撞。

图6 乘员及座椅仿真模型

图7 复合材料座椅冲击试验

「电池安全防护」

多尺度防护：从电芯模组到整包层级设计缓冲结构，蜂窝/泡沫金属填充使模组失效数减少50%（图8）；

布局优化：电池置于机翼内，可以有效降低火灾风险，同时还可避免客舱下方刚性结构阻碍吸能。如图9和图10所示的Joby Aviation，其设计的eVTOL便采用了将电池布置在机翼内部的方案。

图8 电池组有无填充的耐撞性对比

图 9 Joby机翼/前短舱中的电池组位置

图 10 Joby S4正在充电

Part 03

适航标准与运行安全

「国际适航标准体系」

1. EASA SC-VTOL-01框架

适用对象：最大起飞重量≤3175kg、座位数≤9的VTOL航空器

适坠性核心条款：

• CS 27.561/23.2270：要求机体结构在应急着陆时保持生存空间，乘员周围结构不得侵入；

• CS 27.562：座椅系统需承受15g纵向/5g侧向冲击载荷；

• CS 27.952：电池系统需防止坠撞后泄漏、起火或爆炸。

  
  

验证方法：需通过全机垂直坠撞试验（10m高度）或经局方批准的仿真分析。

2. CAAC中国民用航空局

CAAC基于CCAR-21-R4为具体型号制定专用条件，目前已形成两类典型范例：

（1）无人驾驶eVTOL

专用条件SC-21-002：

• PEU.C070：要求应急着陆时保护乘员免受致命伤害，行李舱、货舱和动力系统不得造成二次伤害；

• PEU.F010：灾难性失效概率需低于10⁻⁹，且不能由单点失效引起；

  
  

验证要求：完成15.2m电池包跌落试验、整机坠撞仿真及部分实物试验。

（2）有人驾驶eVTOL

专用条件VHS.2270：

• 要求机体在坠撞中保持生存空间，座椅系统限制乘员移动；

• 在应急着陆过程中及之后，机体结构（特别是乘员舱）必须保持足够的完整性；

• 通过座椅、安全带、能量吸收装置等约束系统，将传递到乘员身上的冲击载荷（特别是纵向和垂直方向）降低到人体耐受极限以下；

• 必须防止短路、破裂、泄漏、起火、爆炸或产生有毒气体；行李、设备等内部物体必须被妥善固定，防止其变成抛射物；坠撞后舱门应能正常开启或设有应急释放机制，且通道无障碍。

  
  

「离轴碰撞安全性」

eVTOL 的应用场景多为城市区域，其中高楼林立，有较多湍流、阵风，并且存在很多其他障碍物，如电线杆、广告牌等，因此需要考虑离轴碰撞下的适坠性。

座舱压溃风险：地面摩擦力与电池惯性力耦合导致剪切破坏；

腰椎载荷超标：前俯（低头）状态触地使腰椎受力减少，反之后仰（抬头）状态触地使腰椎受力增加。后仰10°撞击时载荷达20.78 kN。

关键结论：水平速度>12 m/s时需优先保障结构抗剪切能力。

图11 一定前进速度下eVTOL坠撞后座舱变形

「飞行剖面风险分区」

基于减缓措施有效性划分安全高度：

图12 不同飞行高度对应的风险性示意图

区域1（<15 m）：依赖抗坠撞结构；

区域2（15–80 m）：高风险“死亡区间”，无有效减缓措施；

区域3（>80 m）：整机降落伞可展开（充气时间需2–3秒）。

图13 整机降落伞展开过程

运营中需规避区域2，或通过状态监控减少滞留时间。

Part 04

挑战与展望

「现存挑战」

• 符合性验证标准缺失：离轴碰撞试验规范、生物力学损伤阈值未统一；

• 抗离轴碰撞能力不足：现有设计对倾覆工况防护薄弱；

• 电池-机体一体化难题：轻量化与安全性的权衡；

• “区域2”风险：15–80m高度缺乏有效减缓手段。

「未来方向」

• 智能设计：深度学习驱动吸能结构生成式设计；

• 多学科仿真：电池电化学-机械耦合模型、人体数字孪生技术；

• 适航框架完善：制定区域2（15～80m）运行限制条款，强制实时健康监测；

• 新型材料应用：负泊松比蜂窝结构（吸能效率提升49%）、碳/芳纶纤维混杂增强。有研究表明，引入负泊松比蜂窝结构可使eVTOL乘员腰椎载荷峰值降低49%。

图14 eVTOL腹部负泊松比蜂窝结构

eVTOL适坠性研究已形成“适航要求-设计优化-试验验证”的完整体系。

在结构吸能方面，变厚度起落架与模块化地板下组件能显著提升能量耗散效率；在乘员保护方面，吸能座椅与生物力学模型协同降低损伤风险；在电池安全方面，多尺度防护策略通过15.2m坠落试验验证。

未来需重点突破离轴碰撞防护、区域2（15～80m）风险规避及智能仿真技术，以支撑eVTOL安全商业化运营。适坠性不仅是技术问题，更需要适航当局、制造商、科研机构协同构建“设计-验证-运营”全链条安全生态。

参考文献：

[1]刘小川,惠旭龙,白春玉,等.eVTOL飞行器适坠性研究进展与展望[J].航空科学技术,2025,36(02):1-28.

[2]丁梦龙,李道春,周尧明,等.eVTOL适坠性分析及优化[J].航空学报,2025,46(11):189-203.

[3]王运盛,祁辛天,汪鹏辉.eVTOL飞机级安全性减缓措施和效果分析[J].民用飞机设计与研究,2024,(01):114-120.

[4]韩云,朱鹏飞,昌敏,等.带乘员模型的eVTOL飞行器适坠性数值分析[C].2023第三届无人系统高峰论坛论文集. 2023:16-20.

[5]Wadia, Kaizad & Buszek, Michael & Poliakov, Nikita & Castro, Saullo. (2022). Preliminary design and analysis of crashworthy structures for a long-range eVTOL aircraft. 10.2514/6.2022-1485.