城市空運的發(fā)展現(xiàn)狀與前景

劉正 吳昊

為了更好地緩解城市交通擁堵、提高出行效率、實現(xiàn)節(jié)能減排，全球很多國家都加入“城市空運”計劃，很多企業(yè)也紛紛開始設(shè)計制造形態(tài)各異的垂直起降飛機。然而成功實現(xiàn)“城市空運”計劃還要面臨適航認證、空管、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、電池和社會認可度等方面的挑戰(zhàn)，因此當下我們的首要任務(wù)便是破解這些難題，實現(xiàn)城市內(nèi)或城市之間迅速而可靠的交通。

大型城市的交通擁堵已成為一個全球性的現(xiàn)象。根據(jù)創(chuàng)立于1994年的德國保時捷管理咨詢有限公司研究的數(shù)據(jù)，洛杉磯每位居民平均每年都會因交通堵塞而浪費大約102h的時間，莫斯科和紐約緊隨其后（91h），緊接著便是圣保羅（86h）。盡管地面交通堵塞問題日益嚴重，但城市的吸引力卻并未因此而降低。據(jù)聯(lián)合國估計，到2050年將有70%～80%的世界人口被城市化，這無疑將為如何制定更高效、更可持續(xù)的交通運輸解決方案帶來全新的挑戰(zhàn)和機會。其中一些方案就包括避開地面交通堵塞，轉(zhuǎn)而采用垂直交通運輸?shù)姆绞?，即“城市空運”（Urban AirMobility），一種由垂直起降、靜音、安全、高效飛機構(gòu)成的運行網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)保時捷管理咨詢有限公司對2035年城市垂直交通運輸市場規(guī)模的預測，面向巡檢、貨運和客運無人機（無人駕駛飛機）以及支持服務(wù)的整體市場將在2035年達到大約740億美元的規(guī)模。其中巡檢無人機將占據(jù)340億美元的市場，客運無人機將占據(jù)320億美元（城市內(nèi)部和城市之間的市場分別為210億美元和110億美元）、貨運無人機將占據(jù)40億美元以及支持服務(wù)將占據(jù)40億美元的市場。對于城市客運無人機，其市場將從2025年（10億美元、500架VTOL飛行器）開始起步，以350的年復合增長率快速發(fā)展，2030年達到40億美元和2000架，2035年達到210億美元和1.5萬架。

發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，技術(shù)的發(fā)展使研制城市空運飛行器變得切實可行。除空客、巴航工業(yè)、貝爾等傳統(tǒng)航空企業(yè)紛紛研發(fā)垂直起降（VTOL）飛行器外，隨著大量風險投資的涌入，該領(lǐng)域還出現(xiàn)了一大批新興創(chuàng)業(yè)企業(yè)，其中包括像互聯(lián)網(wǎng)大佬谷歌聯(lián)合創(chuàng)始人拉里·佩奇投資成立的企業(yè)（Kitty Hawk和Zee.Aero）以及汽車共享服務(wù)巨頭優(yōu)步的“提升（Elevate）”計劃。優(yōu)步的“提升”計劃將在大型城市利用數(shù)以百架的電動垂直起降（eVTOL）空中出租車沿著預定航線通過預設(shè)起降場的方式將數(shù)以萬計乘客運往各地，并與其地面車輛網(wǎng)絡(luò)接駁。該計劃的目標和發(fā)展速度令人震驚。優(yōu)步將在2020年開始城市飛行演示（目前悉尼、墨爾本、里約熱內(nèi)盧、圣保羅、巴黎、班加羅爾、孟買、新德里、大阪和東京10個城市已進入優(yōu)步提升計劃首批運營國際城市名單，其中獲選城市將于6個月內(nèi)被宣布），2023年提供經(jīng)認證的飛機，2025年在FAA的批準下開始市場運營（2028年奧運會前在洛杉磯運營）。優(yōu)步從2017年開始已連續(xù)兩年召開了“提升”計劃峰會，與飛機制造商、監(jiān)管機構(gòu)、城市和國家政府及其他社區(qū)利益相關(guān)者共同探討打造城市空運網(wǎng)絡(luò)的所有問題。

總體研發(fā)情況

法國著名航空航天孵化機構(gòu)“星光加速器”（StarburstAccelerator，2012年由前空中客車電氣工程師兼航空航天戰(zhàn)略顧問弗朗索瓦·肖邦在巴黎創(chuàng)辦）2017年發(fā)布的城市空運研究報告指出：城市空運正在全球范圍內(nèi)萌芽。該報告統(tǒng)計了包括折疊機翼飛行汽車、多旋翼載人飛行器、垂直起降飛行器、噴氣背包、飛行傘車、個人懸浮車等在內(nèi)的幾乎所有類型的城市空運飛行器研發(fā)項目（共47項），其中歐洲、北美、亞洲分別為23個、20個和4個。47個項目的飛行器中，可作為城市空運主力平臺的折疊機翼飛行汽車、多旋翼載人飛行器和垂直起降飛行器有29個。相比之下，主要用于個人娛樂飛行的飛行背包、飛行傘車和個人懸浮車等則占比較小。下圖給出了47個項目所處的研發(fā)階段、最大航程及所采用的能源類型。

從所處的研發(fā)階段看，超過80%的項目目前處于設(shè)計、原型機和試飛階段，只有2個飛行汽車、5個飛行傘車、1個飛行三輪摩托進入了商業(yè)化階段;

從最大航程看，絕大多數(shù)飛行器都在1000km以內(nèi)，主要用于滿足短距離運輸;

從能源類型看，50%、35%、15%的飛行器分別采用燃油、電力和混合動力，已經(jīng)商業(yè)化的項目中沒有采用純電動的（這也說明目前電推進技術(shù)還不夠成熟）;

從投資規(guī)模來看，根據(jù)星光加速器發(fā)布的報告，截至2017年6月底，城市空運領(lǐng)域已獲風險投資2.07億美元。2017年8月，汽車制造商戴姆勒集團向德國多旋翼私人飛行器制造商Volocopter投資3000萬美元;2017年9月，德國百合航空（ Lilium）在騰訊領(lǐng)投的B輪融資中獲得9000萬美元，總?cè)谫Y規(guī)模達1億美元;2018年2月，美國廉價航空捷藍航空、日本豐田集團、美國英特爾集團的風險投資部門，以及EDBI（一家投資移動性、機器人和人工智能的新加坡公司）等共同向美國喬比（ Joby）航空投資1億美元，這是目前為止空中出租車領(lǐng)域獲得的最大一筆融資，這筆資金使得喬比航空的總?cè)谫Y規(guī)模達到1.3億美元。綜上，全球城市空運領(lǐng)域目前獲得的投資至少在4億美元以上。

主要飛行器介紹

由于當前城市空運沒有進入商業(yè)運營階段，還沒有形成統(tǒng)一的全球性市場，故而各家公司的技術(shù)及運營方案仍沒有統(tǒng)一或典型的模式可以遵循。下面就目前幾家主要企業(yè)推出的城市空運飛行器做簡要介紹。

優(yōu)步的城市空運飛行器

當前優(yōu)步公司對城市空運市場的理解和布局在深度和廣度上都遠遠超出其他競爭對手。優(yōu)步認為城市空運業(yè)務(wù)所需飛行器的主流技術(shù)路線是電動垂直起降飛機。優(yōu)步提出的技術(shù)要求包括：能夠在早晚各3h的交通高峰期內(nèi)連續(xù)運營，其中每次飛行10min，充電5min，并且剩余電量不得低于FAA要求的保持20min儲備飛行時間所必須的300電量，而在此之后才需要進行更長時間、更深度的充電。優(yōu)步計劃2023年量產(chǎn)的4座eVTOL飛機巡航高度為305m，巡航速度為280km/h，航程為160km，可載360kg載荷，安全性指標要達到地面車輛的兩倍，比直升機和固定翼飛機執(zhí)行的空中出租服務(wù)的安全性高4倍。噪聲指標為居民區(qū)道路上行駛的中型卡車噪聲的一半，比與其相同重量的直升機安靜4倍。

目前已有7家飛行器制造商加入優(yōu)步“提升”計劃，分別是巴航工業(yè)、美國貝爾、極光飛行科學、AirspaceX、穆尼/卡特、卡雷姆（2018年加入）以及斯洛文尼亞蝙蝠公司。

空客的城市空運飛行器

作為傳統(tǒng)干線飛機巨無霸企業(yè)的空客近年來逐漸表現(xiàn)出對城市空運的興趣。201 8年5月底，空客組建了一個城市空運業(yè)務(wù)部門（UAM），整合其所有的城市空運活動，具體包括：由美國硅谷A3分部開發(fā)的單座eVOTL“Vahana”，由位于德國多瑙沃爾特的空客直升機開發(fā)的4座eVTOL“CityAirbus”以及直升機預定按需服務(wù)項目Voom。

Vahana是一款單座、自動駕駛、可垂直起降的電動小型飛行器，該機擁有兩組傾轉(zhuǎn)機翼，每組機翼上裝有4個45kW的電機，配裝3槳葉的螺旋槳。Vahana于2018年1月31日成功完成首次懸停飛行測試，9月將開展懸停一巡航轉(zhuǎn)換飛行試驗。

CityAirbus是一款4座電動垂直起降4旋翼飛行器，設(shè)計航程60km，巡航速度120km/h，由8臺100kW的西門子SP200D電動機驅(qū)動，最大的總輸出功率是其懸停需用功率的2倍?？湛陀?017年底開展了該機推進系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)地面試驗臺測試，并計劃在2018年底開始驗證機飛行試驗。

Voom最初是A3分部啟動的一項空中直升機預定按需服務(wù)研究項目，現(xiàn)已成為空客直升機公司的子公司。Voom已經(jīng)在圣保羅和墨西哥城推出了直升機預訂服務(wù)。其中Voom在圣保羅的運營已超過一年，積累了豐富的城市空運經(jīng)驗，為空客未來建立eVTOL城市空運網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。

喬比航空5座eVTOL

喬比航空公司成立于2009年，總部位于加利福尼亞州圣克魯茲。目前公司已秘密地對其全尺寸eVTOL進行了1年左右的試飛。據(jù)悉，喬比航空最初在2015年推出的兩座級S2飛機采用了12傾轉(zhuǎn)/折疊旋翼提供升力（部分旋翼在巡航階段可以折疊以降低阻力），并在機翼和尾翼梢部增加了4個推進槳提供推力。而新推出的5座級S4采用了6傾轉(zhuǎn)旋翼。據(jù)較早向喬比投資的品趣志聯(lián)合創(chuàng)始人保羅·斯埃拉介紹，S4的飛行速度比直升機快，能夠單次充電飛行240km。

百合航空的百合噴氣飛機

德國創(chuàng)業(yè)公司百合航空設(shè)計的百合噴氣個人電動飛行器于2016年10月獲得了歐洲“Hello Tomorrow”挑戰(zhàn)賽大獎。該機使用36個小型傾轉(zhuǎn)涵道電動風扇（主翼24個，鴨翼12個）作為推進系統(tǒng)，商載200kg，巡航速度300km/h，航程300km。百合噴氣的兩座版本于2017年4月首飛。隨后，公司的工作重心轉(zhuǎn)移至加大版5座電動飛機的設(shè)計和生產(chǎn)。公司計劃2025年將5座型電動飛機投入商業(yè)運營。

Zee.Aero和Kitty Hawk的城市空運飛行器

谷歌聯(lián)合創(chuàng)始人拉里·佩奇投資了兩家公司開發(fā)飛行汽車，分別是Zee.Aero和Kitty Hawk。Kitty Hawk當前已發(fā)布了Flyer單座水上飛行器和兩座的Cora空中出租飛機兩款飛行器。

Flyer于2018年6月初發(fā)布，采用多旋翼布局，在4個3.96m長的支撐臂上共安裝了10個旋翼，中機身采用賽車構(gòu)型，可容納一名駕駛員，機身兩側(cè)有幫助在水上起降的船體機構(gòu)。該機采用鋰聚合物電池，可以在32km/h時速下飛行12～20min。Cora于2018年3月發(fā)布，該機采用12旋翼復合推進構(gòu)型，最大速度約為1 80km/h，航程約100km，飛行高度為150～910m之間。Cora首架測試機已于2017年10月運往新西蘭并進行了初步測試。目前該公司已經(jīng)在新西蘭和美國取得了Cora的‘實驗類適航證”。

Zee.Aero公司的機型尚未發(fā)布，僅有在試飛階段被拍攝到的照片流出。驗證機采用了上單翼布局，有12個旋翼提供升力，分布在沿翼展方向、位于機翼下方的6個支桿上，每個支桿前后各一個旋翼。尾部還安裝有一個提供前飛推力的推進式螺旋槳。

其他公司的多旋翼類空中出租車

目前面向城市空運市場提供多旋翼機型較活躍的公司包括德國Volocopter、中國深圳億航和美國Workhorse等。

德國Volocop十er公司于2016年在德國首次推出具有18個旋翼的雙座VC200空中出租車原型機。該機最大飛行速度為100km/h，試飛時在空中200m的高度可停留大約5min。2017年，該公司又在VC200的基礎(chǔ)上推出了Volocopter2X，后者可攜帶160kg載荷，以50km/h飛行時，續(xù)航時間為27min。公司目前正在進行Volocopter 2X的認證。

中國深圳億航在2016年消費電子展上展示了其研發(fā)的億航184多旋翼機，該機最大起飛重量為363kg，可載客]名進行自主飛行。該機在4個懸臂端安裝有4對旋翼，巡航速度為100km/h，巡航高度914m，續(xù)航時間30min。據(jù)悉億航已經(jīng)生產(chǎn)了30～40架億航184用于測試，而且其雙座16旋翼億航216已完成1000架次飛行試驗。

美國Workhorse集團開發(fā)了世界首架電動混合直升機SureFly，該機采用類似無人機的4旋翼設(shè)計，可載2人，有效載荷1800kg，航程約為112km。SureFly在2018消費電子展上成功首飛，目前正在開展美國聯(lián)邦航空局（FAA）取證工作。

挑戰(zhàn)和發(fā)展前景

近年來，美國國家航空航天局（NASA）和FAA舉辦了一系列城市空運研討會，將VTOL生態(tài)系統(tǒng)（VTOL飛機制造商、聯(lián)邦機構(gòu)、私人投資者、專業(yè)學會、大學和國際航空組織）聚在一起，共同找出推行城市空運服務(wù)的壁壘（見下圖）。圖中第一行給出了衡量市場壁壘的參數(shù)目標，第二行給出了業(yè)界需要研究的目標，第三行則是可能滿足目標的新興技術(shù)。

總的來看，為了使城市空運成為現(xiàn)實，這一系統(tǒng)將面臨4個方面的挑戰(zhàn)。

首先，需要研制出滿足安全、經(jīng)濟、環(huán)保指標要求的城市空運平臺。業(yè)界普遍認為分布式電推進垂直起降飛行器（DEP VTOL）將是未來的主流發(fā)展方向。DEP VTOL飛機將采用分布式電力驅(qū)動系統(tǒng)，具有飛行零排放、低噪聲、高安全、高飛行效率等優(yōu)勢。然而，研制該飛行器并非易事，需要總體氣動布局設(shè)計、儲能技術(shù)、電機技術(shù)、充電技術(shù)、自動駕駛技術(shù)等均有所突破。具體來說，城市空運飛行器要短時間懸停和長時間巡航，且對旋翼載荷較高，因此對氣動布局設(shè)計和動力提出了更高的要求;現(xiàn)有的鋰電池在能量密度（最大為200W ·h/kg）、循環(huán)次數(shù)（最多為幾百次）、成本（至少為400美元/W·h）等方面都不滿足要求，高功率密度電機、大容量快速充電等技術(shù)也有差距。

其次，通過適航當局的認證，掃除市場運營的法規(guī)障礙。無論在哪個國家運營，城市空運飛行器都必須首先符合航空安全管理機構(gòu)的規(guī)定，其中美國FAA和歐洲EASA分別管理著500和300的世界航空活動，因此需要獲得這兩個機構(gòu)的認證。從認證角度來說，城市空運飛行器是全新的概念，盡管認證流程正不斷改變，能夠大幅提高速度，但就以往來看，全新飛機概念的認證流程都十分緩慢。

再次，在涉及到噪聲、安防以及用戶和城市居民的安全時，還存在社會認可度這一關(guān)鍵問題。城市空中交通的興起還必須得到社會的認可，主要涉及噪聲、安全和安保、隱私以及視覺污染等方面。具體來說：噪聲方面，必須確定為了享受到城市空運帶來的利益，社區(qū)可以接受其噪聲水平，這需要在飛機設(shè)計、著陸點和航線之間進行規(guī)劃和密切協(xié)調(diào)，并動態(tài)調(diào)度每次飛行;安全和安保方面，除了運營商需要表明飛行器設(shè)計中固有的保障措施來建立所需的信任水平，當?shù)厣鐓^(qū)也會關(guān)注飛機的安全性，包括它們易受劫持和黑客攻擊的弱點;隱私方面，運營商需要動態(tài)且精確地將每個航班路線設(shè)置在較不敏感的區(qū)域，確保始終在私人領(lǐng)地之上留有適當?shù)木嚯x;視覺污染方面，城市空運飛行器將對城市天際和自然美景帶來巨大的影響。

最后，如何構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。城市空運需要包含多個起降點的網(wǎng)絡(luò)以及空中交通管理、充電和停放飛機的資源，因此基礎(chǔ)設(shè)施是非常重要的要素。在城市中部署空運機隊的最大運營障礙是缺少安置起落場的充足場地。即使城市空運飛行器現(xiàn)在獲得批準，城市里也沒有足夠的起飛和降落站點供其以機隊規(guī)模運行。少數(shù)城市已建立多個直升飛機場，可能有足夠的空間提供有限的初始空運服務(wù)，前提是這些機場位置合適，容易從街道進出，并有可用空間增設(shè)充電站。但是，如果想要發(fā)揮全部潛力，則需要增加基礎(chǔ)設(shè)施。此外，城市空運的潛在需求很可能需要同時大幅提高大都市地區(qū)運營的飛機效率和空域密度，管理空域的運營復雜程度因此將呈指數(shù)級增長，遠超現(xiàn)今的運營活動。

盡管城市空運面臨上述挑戰(zhàn)，但目前的良好發(fā)展勢頭仍然令人們信心百倍。

從投資和技術(shù)方面來看，優(yōu)步于2018年5月底在法國巴黎建立了一個先進技術(shù)研究中心（ATCP），未來5年將投入2000萬歐元聚焦城市空運的使能技術(shù)研究，包括空域管理、自動化、實時通信網(wǎng)絡(luò)、能量存儲和充電系統(tǒng)等，該中心還將同歐洲城市規(guī)劃師和監(jiān)管者一道建立電氣化交通運輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)施需求模型。除了優(yōu)步，針對核心的儲能技術(shù)，全球多家機構(gòu)和企業(yè)都在開展相關(guān)研究。2016年美國能源部啟動了“Battery 500”計劃，將在未來5年內(nèi)投入5000萬美元，研發(fā)能量密度達到500W·h/kg的電池以及350kW大容量充電器。索尼公司的目標是到2020年，將能量密度為400W ·h/kg的鋰硫電池組商業(yè)化。另外，有關(guān)研究已經(jīng)證明脈沖充電器可以改善循環(huán)壽命。

從適航認證方面來看，2017年8月生效的FAR23部64號修正案允許工業(yè)界開發(fā)相關(guān)標準，對電推進系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、先進飛控和其他城市空運關(guān)鍵技術(shù)進行認證。

從基礎(chǔ)設(shè)施布局方面來看，已經(jīng)有人提出將停車場的房頂、現(xiàn)有的直升機停機坪甚至包括立交橋周邊未利用的土地善加利用，便可為建設(shè)廣泛的分布式“垂直起落場”（有多個起飛和著陸平臺以及充電設(shè)施）或單機“垂直起落站”（單個起落平臺，幾乎不用建設(shè)其他設(shè)施）網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。

從空管方面來看，優(yōu)步已與NASA達成了空域行為協(xié)議，計劃使用NASA為低空無人機運營開發(fā)的空管系統(tǒng)（UTM）為其電動垂直起降飛機運營提供服務(wù)。

綜上，城市空運前景廣闊，盡管面臨著多方面的挑戰(zhàn)，但在飛機開發(fā)商、監(jiān)管機構(gòu)、城市和國家政府以及社區(qū)利益相關(guān)者的合作努力下，相信它終將會融人人們的生活。