無人駕駛城市空中交通理想與現(xiàn)實(shí)之間的幾道坎

李悅霖

航空工業(yè)成都飛機(jī)設(shè)計(jì)所，四川 成都 610091

盡管無人駕駛城市空中交通備受資本和大眾的青睞，但是獲得認(rèn)證的飛機(jī)能否在2023年投入商業(yè)服務(wù)的確定性較低，城市空中交通行業(yè)能否在2025年啟動(dòng)大規(guī)模生產(chǎn)也存在很大的不確定性。電池技術(shù)的發(fā)展或許足以保證試驗(yàn)型飛行器在城市上空飛行，可以評(píng)估噪聲和衡量公眾的接受程度，但電力推進(jìn)技術(shù)尚未得到認(rèn)證，而能滿足高速商業(yè)運(yùn)營(yíng)所需的安全性、容量、充電率和壽命周期的儲(chǔ)能系統(tǒng)尚未問世。

有人和無人駕駛城市空中交通已經(jīng)成為航空領(lǐng)域最熱門的創(chuàng)新領(lǐng)域，但這一新興領(lǐng)域?qū)⒆呦虺墒焓袌?chǎng)還是最終走向失敗，取決于制造商、運(yùn)營(yíng)商和監(jiān)管機(jī)構(gòu)能否成功應(yīng)對(duì)在技術(shù)、運(yùn)營(yíng)和社會(huì)學(xué)方面的各種挑戰(zhàn)。

噪聲問題：能達(dá)到足夠安靜嗎？

公眾的接受度可以說是無人城市空中交通(城市空中模塊)的關(guān)鍵問題：電力推進(jìn)垂直起降飛行器是否安全到人們可以乘坐其飛行？它們是否足夠安靜以免制造噪聲麻煩？這兩個(gè)問題阻礙了直升機(jī)在城市的使用。電動(dòng)馬達(dá)本質(zhì)上是安靜的。分布式推進(jìn)降低了旋翼葉尖速度，屏蔽了涵道噪聲，不過推進(jìn)與機(jī)身的相互作用會(huì)產(chǎn)生噪聲。

優(yōu)步公司的發(fā)展目標(biāo)是研制至少比同等直升機(jī)安靜四倍的電力推進(jìn)垂直起降飛行器，降噪途徑第一是融入垂直停機(jī)坪的背景噪聲中，在巡航中聽不到，第二是分布式電力推進(jìn)降低源噪聲，改變其特性。而復(fù)雜的“虛擬噪聲”因素很重要，很難測(cè)量。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)商西門子（Siemens）公司表示，通過比較內(nèi)燃機(jī)型和電動(dòng)型的330 多架特技飛行飛機(jī)的飛越噪聲，可以看出噪聲水平和質(zhì)量有了顯著改善。

僅次于安全性和公共適航性，噪聲和公眾接受度是城市空中運(yùn)輸面臨的第二大挑戰(zhàn)。公眾對(duì)噪聲的反對(duì)限制了城市的直升機(jī)服務(wù)，在許多情況下甚至取消了。除非電力推進(jìn)垂直起降飛行器的噪聲顯著降低，否則不可能實(shí)現(xiàn)無處不在的按需城市航空服務(wù)。

ESAero設(shè)計(jì)公司總裁安迪·吉布森表示：“我以為最難的地方是電池問題，現(xiàn)在我認(rèn)為是噪聲問題。如果沒有社區(qū)的認(rèn)可，Uber Elevate也就無法生存”。ESAero是NASA X-57 Maxwell電力推進(jìn)驗(yàn)證機(jī)的主承包商。喬治亞理工學(xué)院副教授布賴恩·德爾曼表示：“噪聲問題存在巨大的不確定性，我們甚至沒有一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)來獲悉人們是怎么想的”。

與四座電力推進(jìn)垂直起降飛行器同重量級(jí)別的直升機(jī)的噪聲限值是85dB。優(yōu)步公司設(shè)定的目標(biāo)是，到2025年開始商業(yè)運(yùn)營(yíng)，噪聲不超過70dB，是住宅道路上中型卡車的一半，比同等直升機(jī)安靜四倍。通過這種方式，優(yōu)步公司希望重新開放許多因噪聲投訴而閑置的城市直升機(jī)停機(jī)坪。

優(yōu)步公司航空工程總監(jiān)馬克·摩爾表示：“分布式電力推進(jìn)汽車的噪聲水平，將與城市地區(qū)的背景噪聲相匹配?！钡虑椴]有那么簡(jiǎn)單。問題不僅在于噪聲水平，還包括公眾對(duì)飛機(jī)安全和乘客特權(quán)的負(fù)面看法所引發(fā)的噪聲性質(zhì)和復(fù)雜的“虛擬噪聲”因素。

噪聲專業(yè)顧問大衛(wèi)·約瑟夫森說，雖然人們可以容忍空中救護(hù)車和執(zhí)法直升機(jī)的噪聲，但不是每個(gè)人都必須要乘坐優(yōu)步公司電力推進(jìn)垂直起降飛行器的。如果社區(qū)認(rèn)為電力推進(jìn)垂直起降飛行器不夠安靜，電力推進(jìn)垂直起降飛行器就無法生存。但同時(shí)，城市空中運(yùn)輸提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)，可以專門設(shè)計(jì)出一種被認(rèn)為是安靜的飛機(jī)。這是一個(gè)新的設(shè)計(jì)理念，減噪是首要目標(biāo)，而不是事后再來考慮。

大衛(wèi)·約瑟夫森說，“一般是用指標(biāo)來比較飛行器和計(jì)劃運(yùn)行情況，但是現(xiàn)在用這種方法來測(cè)量距機(jī)場(chǎng)某處的平均噪聲將不起作用，因?yàn)榇怪蓖C(jī)坪在社區(qū)內(nèi)，而個(gè)人活動(dòng)將很重要。噪聲設(shè)計(jì)目標(biāo)是完全不被注意到，這很困難，但我認(rèn)為我們可以做到。固有的靜音電機(jī)和低轉(zhuǎn)速推進(jìn)器將有幫助。他說，測(cè)量垂直停機(jī)坪和屋頂周圍環(huán)境噪聲的水平、頻譜和時(shí)間行為，對(duì)于預(yù)測(cè)和控制噪聲以便限制聲音的長(zhǎng)期暴露水平和避免短期峰值至關(guān)重要。由于虛擬噪聲是一種主觀反應(yīng)，因此它更為復(fù)雜。人們聽到飛機(jī)的聲音說它很吵，但真的如此嗎？噪聲還引發(fā)了其他什么反應(yīng)？”

飛行時(shí)的轉(zhuǎn)子脈沖噪聲、低空飛行時(shí)的驚嚇、對(duì)墜機(jī)的恐懼，甚至只因直升機(jī)不需遵循既定的飛行路線而認(rèn)為直升機(jī)“無法控制”，這些都是能激發(fā)虛擬噪聲的原因。煩惱甚至可以由視覺觸發(fā)。聲學(xué)專業(yè)顧問約翰·列夫頓說：“有些人會(huì)抱怨他們聽不到飛機(jī)的聲音?！彼a(bǔ)充道：“非聲學(xué)意義上的虛擬噪聲與實(shí)際噪聲水平同等重要，甚至更為重要。”

約翰·列夫頓說，研究表明，在相同的噪聲水平下，飛機(jī)噪聲比公路或鐵路噪聲更煩人，而直升機(jī)的噪聲甚至更令人討厭。他說，煩惱與聲級(jí)沒有直接關(guān)系，可以在很遠(yuǎn)的地方被噪聲的特性觸發(fā)。因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子和尾槳噪聲源的組合上不同，分布式推進(jìn)的電力推進(jìn)垂直起降飛行器的噪聲和直升機(jī)有所區(qū)別，但作為“大眾陪審團(tuán)”的居民仍然在煩惱電力推進(jìn)垂直起降飛行器的噪聲到底是什么樣的。

電池技術(shù)準(zhǔn)備好了嗎？

在推進(jìn)技術(shù)上，目前分為兩個(gè)陣營(yíng)：以優(yōu)步公司為代表的公司希望研發(fā)全電動(dòng)城市空中模塊，認(rèn)為到2023年電池技術(shù)即有能力為短途飛行的小型電力推進(jìn)垂直起降飛行器提供動(dòng)力，而其他公司認(rèn)為在最近幾年混合動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)才是更好的選擇，且能跨越城際短途飛行實(shí)現(xiàn)更大的操作范圍。這些分歧在很大程度上取決于新化學(xué)物質(zhì)的高能量密度電池能否按預(yù)期問世，盡管問世初期可能成本高、壽命短。

電池的化學(xué)性質(zhì)決定了能量密度的高低。一般地，特斯拉電池、松下鋰離子電池的能量密度為250～320Wh/kg，先進(jìn)的鋰聚合物固體電解質(zhì)的能量密度＞350Wh/ kg，鎂離子電池的能量密度為360Wh/kg ，帶陽極保護(hù)的鋰金屬等固體能源的能量密度＞420Wh/kg。

由于汽車工業(yè)的進(jìn)步，電池技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了小型、短程飛機(jī)可以使用的程度?，F(xiàn)在的電池已經(jīng)足夠用于原型電力推進(jìn)垂直起降飛行器，但如果要在本世紀(jì)20年代初開始商業(yè)運(yùn)營(yíng)，還需要取得更多進(jìn)展。

優(yōu)步公司航空工程總監(jiān)馬克·摩爾表示：“我們正處在攻克電池技術(shù)的邊緣。有了一些概念，電池可能已經(jīng)出現(xiàn)了”。但是，為了實(shí)現(xiàn)快速的空中出租車運(yùn)營(yíng)，需要在廣泛領(lǐng)域進(jìn)行改進(jìn)。

能量密度是關(guān)鍵參數(shù)，因?yàn)樗鼪Q定了汽車能在空中停留多長(zhǎng)時(shí)間，但充電時(shí)間、循環(huán)壽命、安全性和電池成本是關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，并以復(fù)雜的方式相互關(guān)聯(lián)。快速周轉(zhuǎn)、高功率的垂直起降操作需要快速的充放電速度，這不僅會(huì)降低電池壽命，還會(huì)產(chǎn)生高溫，必須經(jīng)安全管理，以避免熱失控。

喬治亞理工學(xué)院副教授布賴恩·德爾曼表示：“電池驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)與燃油驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)是個(gè)物種。電池與燃料的方式不同，你獲得的能量取決于你索取能量的速度。要求的越快，得到的就越少。電池不會(huì)隨著能量消耗而變輕，所以飛機(jī)垂直降落時(shí)和起飛時(shí)一樣重。

圖2 鋰金屬被認(rèn)為有潛力改善電池的發(fā)展速度，前提是克服了不穩(wěn)定性。

優(yōu)步公司已經(jīng)為2023年投產(chǎn)的四座電力推進(jìn)垂直起降飛行器設(shè)定了目標(biāo)。包括：電池級(jí)的能量密度為350Wh/kg，電池組級(jí)的能量密度為300Wh/kg, 15min內(nèi)可從30%充電至90%，使用壽命為500次，成本為400美元/千瓦時(shí)。優(yōu)步公司還設(shè)定了長(zhǎng)期目標(biāo)，包括到2028年前達(dá)到使用壽命1000次，2032年達(dá)到2000次，2030年成本達(dá)到200美元/千瓦時(shí)。

能量密度是至關(guān)重要的，因?yàn)樗鼪Q定著飛行器的尺寸。波音技術(shù)研究員馬蒂·布拉德利說，400Wh/kg的目標(biāo)經(jīng)常被引用，“400Wh/kg的水平將使許多飛機(jī)馬上進(jìn)入設(shè)計(jì)階段”，但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前的技術(shù)水平。先進(jìn)電池開發(fā)商鎂離子技術(shù)公司（Pellion Technologies）首席執(zhí)行官大衛(wèi)·伊格爾沙姆說：“據(jù)我所知，還沒有哪家公司將電池功率超過250Wh/kg的電池用于垂直起降?！?/p>

特斯拉電動(dòng)汽車的鋰離子電池設(shè)定了這一基準(zhǔn)，約為250Wh/kg，成本低于200/kWh，且其最新電池的級(jí)別高于300Wh/kg?？罩锌蛙嚬驹诠韫鹊腁3創(chuàng)新中心正在其“瓦哈娜”（Vahana）電力推進(jìn)垂直起降飛行器上使用鋰聚合物電池，該飛機(jī)將于2017年晚些時(shí)候起飛。這些電池組的能量密度低于200Wh/kg，包括電池管理系統(tǒng)。

鋰離子電池的進(jìn)步使電動(dòng)汽車成為可能，但它們的性能每年只提高5%左右。更高的能量密度需要新的化學(xué)物質(zhì)。鋰硫電池和鋰金屬電池是主要的候選電池，在原型研制階段，多家公司的電池功率超過300Wh/kg。

三星支持的Seeo正在開發(fā)先進(jìn)的鋰聚合物電池，該電池使用固體、不易燃的電解質(zhì)以確保安全。該公司正在測(cè)試350Wh/kg的電池，目標(biāo)是400Wh/kg。大衛(wèi)·伊格爾沙姆說，鎂離子技術(shù)公司于2016年開始在無人機(jī)上飛行鎂離子電池，電池級(jí)別為360Wh/kg，并有信心支持2018年開展的電力推進(jìn)垂直起降飛行器演示。美國(guó)鋰電池新星公司SolidEnergy首席執(zhí)行官胡啟朝表示，公司已經(jīng)展示了電池級(jí)426Wh/kg的鋰金屬電池，并將在2017年底達(dá)到優(yōu)步公司的目標(biāo)。Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室能源存儲(chǔ)科學(xué)中心主任文卡特·斯里尼瓦桑說，“可充電鋰金屬電池曾有工作不穩(wěn)定的歷史，但過去五年取得了巨大的成果。鋰金屬是下一個(gè)前沿領(lǐng)域，我們將拭目以待?！?/p>

羅爾斯·羅伊斯自由工場(chǎng)視覺系統(tǒng)主管邁克爾·阿姆斯特朗表示：“大多數(shù)電力推進(jìn)垂直起降飛行器制造商都在關(guān)注鋰金屬電池，并相信它們能夠在優(yōu)步公司希望的時(shí)間框架內(nèi)實(shí)現(xiàn)能源密度目標(biāo)?！?/p>

圖3 A3 的單座傾斜翼“瓦哈娜”電力推進(jìn)垂直起降飛行器有兩個(gè)200Wh/kg 的鋰聚合物電池組，每次飛行后更換。

大多數(shù)先進(jìn)電池都面臨充電速度和使用壽命方面的挑戰(zhàn)，這是優(yōu)步公司高利用率模式的兩大關(guān)鍵。摩爾說，大量的經(jīng)濟(jì)性分析表明，即使電池必須每500次使用后更換一次，相當(dāng)于運(yùn)行3～4個(gè)月，這項(xiàng)服務(wù)也是可行的。而壽命和成本是可以計(jì)算的，“一次壽命周期可使用500次、成本300美元/kWh，兩次壽命周期的使用次數(shù)翻倍、成本也就翻倍。”

快速充電至關(guān)重要，優(yōu)步公司正在與ChargePoint公司合作，為垂直停機(jī)坪開發(fā)400kW的電動(dòng)汽車充電站。將自動(dòng)連接到電力推進(jìn)垂直起降飛行器，以高流速通過蓄電池，循環(huán)冷卻液，使溫度保持在安全水平。在5min的周轉(zhuǎn)過程中，冷卻液至少加滿了25%。在垂直起降操作中需要高的放電速率，預(yù)冷卻電池也能提供更高的電能。

足夠安全嗎？

你會(huì)讓你的家人也參加嗎？這是任何有關(guān)城市航空運(yùn)輸?shù)挠懻撝卸紵o法回避的問題。答案對(duì)這個(gè)新的商業(yè)航空市場(chǎng)的未來至關(guān)重要。城市空中交通是商業(yè)航空運(yùn)輸，但通用航空（固定翼或旋轉(zhuǎn)翼）的安全水平不足以滿足每天在城市上空進(jìn)行數(shù)千次低空飛行，需要擁有客機(jī)級(jí)的安全性。有些電力推進(jìn)垂直起降飛行器不能像直升機(jī)那樣自動(dòng)駕駛，也不能像飛機(jī)那樣在停電時(shí)滑翔。雖然這些風(fēng)險(xiǎn)可以通過增加電推進(jìn)系統(tǒng)的冗余度或在極低高度和速度下部署彈道降落傘來降低，但安全性將是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)因素。

安全性是第一個(gè)提出的議題，而且在技術(shù)取得的進(jìn)展比當(dāng)下即時(shí)顯現(xiàn)的問題更多。業(yè)內(nèi)人士表示，監(jiān)管機(jī)構(gòu)正積極推進(jìn)，為電力推進(jìn)和確保自主等創(chuàng)新提供認(rèn)證，因?yàn)檫@些創(chuàng)新有能力提供更安全的設(shè)計(jì)。

公眾接受度是非常關(guān)鍵的，優(yōu)步公司的目標(biāo)是比私家車安全兩倍，比直升機(jī)和固定翼空中出租車安全四倍。分布式電力推進(jìn)提供的冗余度和飛行員通過部分自主動(dòng)作提供的加持被視為關(guān)鍵因素。

一個(gè)重要的變化是，從原先直升機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的電力傳動(dòng)系統(tǒng)，原先的系統(tǒng)是幾個(gè)點(diǎn)中單一故障就可能導(dǎo)致飛機(jī)的損失，而在電力傳動(dòng)系統(tǒng)中，從電源、傳輸總線、功率電子設(shè)備到轉(zhuǎn)子和推進(jìn)器都預(yù)留了冗余度。

傾斜機(jī)翼或傾斜旋翼那樣的過渡性電力推進(jìn)垂直起降飛行器，不能像直升機(jī)一樣自動(dòng)實(shí)現(xiàn)安全著陸，但大多數(shù)設(shè)計(jì)都配置了至少6個(gè)支柱，使飛機(jī)能夠承受推進(jìn)器的損失，安全著陸。優(yōu)步公司航空工程總監(jiān)馬克·摩爾說：“我們可以設(shè)計(jì)出對(duì)單次故障冗余度高的飛行器?！?/p>

這些飛行器也足夠輕，可以攜帶彈道降落傘，在完全斷電的情況下安全回收飛機(jī)及乘員。目前，設(shè)計(jì)的機(jī)身降落傘存在一個(gè)最小的展開高度，但制造商正在努力降低這一高度。

圖4 在很短的停場(chǎng)過程中，電池的自動(dòng)充電能力和液體冷卻能力將是安全操作的關(guān)鍵之一。

認(rèn)證問題

很多電力推進(jìn)垂直起降飛行器都有一些還未經(jīng)認(rèn)證的功能，部分電力推進(jìn)垂直起降飛行器甚至更多。這些功能包括分布式電力推進(jìn)和自動(dòng)飛行控制。計(jì)劃使用仍處于制定中的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來認(rèn)證這些空中汽車。歐洲航空安全局于2018年10月發(fā)布了電力推進(jìn)垂直起降飛行器適航標(biāo)準(zhǔn)草案，以征求意見。美國(guó)聯(lián)邦航空局計(jì)劃為這些飛行器頒發(fā)特殊的認(rèn)證條件，為它們爭(zhēng)取一個(gè)新的適航類別。

空中出租車開發(fā)商面臨的最大挑戰(zhàn)是安全，因此需要認(rèn)證。早期的開發(fā)者可以證明他們的飛機(jī)符合第21.17(b)部規(guī)定，該法規(guī)適用于未制定適航標(biāo)準(zhǔn)的非常規(guī)飛機(jī)的特殊等級(jí)。但更多業(yè)界開發(fā)者希望能夠根據(jù)2017年8月生效的重新編寫的第23部64號(hào)修訂版對(duì)電力推進(jìn)垂直起降飛行器進(jìn)行認(rèn)證。

第23部64號(hào)修訂版允許將工業(yè)開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)作為符合性的判斷方式，而電力推進(jìn)單元、能源存儲(chǔ)系統(tǒng)、先進(jìn)的飛行控制系統(tǒng)和城市空中模塊的其他關(guān)鍵技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)正在開發(fā)中。該法規(guī)涵蓋了上限19座、重16000 lb的固定翼飛機(jī)，但美國(guó)聯(lián)邦航空局表示，將使用64號(hào)修訂版作為有翼電力推進(jìn)垂直起降飛行器L的認(rèn)證基礎(chǔ)。

重新編寫后，第23部的80%適用于電力推進(jìn)垂直起降飛行器, 10%不適用。對(duì)此，Terrafugia的聯(lián)合創(chuàng)始人、電力推進(jìn)垂直起降飛行器/城市空中模塊政策專家安娜·梅拉切克·迪特里希說：“那10%可以用槌子硬塞進(jìn)去”，她說還需要更多的工作，但“適合這些飛行器認(rèn)證的法規(guī)絕對(duì)是第23部”。美國(guó)聯(lián)邦航空局的意圖是使用第23部，為飛行器獨(dú)特的功能預(yù)留特殊條件，同時(shí)還在修改另一項(xiàng)修訂版案，使電力推進(jìn)垂直起降飛行器完全符合法規(guī)。

圖5 空中客車公司A3創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研制的無人駕駛載人航空器

安娜·梅拉切克·迪特里希說：“如果符合度不能靈活地解釋規(guī)則，我相信可能不會(huì)發(fā)生這種情況，那我們有另一種方法利用現(xiàn)有的文件來使用特殊條件。我們可以圍繞這些產(chǎn)品的外觀進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并就此達(dá)成行業(yè)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)的協(xié)議。我們可以在制定適當(dāng)?shù)臐撛?5修訂版的過程中繼續(xù)前進(jìn)，而不必等待下一個(gè)10年的法則制定周期?！?/p>

這些特殊條件仍然是電力推進(jìn)垂直起降飛行器開發(fā)人員必須克服的一個(gè)尚未確定的障礙，以證明他們的飛機(jī)。2018年7月，美國(guó)聯(lián)邦航空局通知業(yè)界，正在積極為“新型垂直起降飛行器提供政策和指導(dǎo)草案，它們是第23部法規(guī)的新成員。在我們的要求中，目前還沒有考慮到許多問題，包括新的飛行員-飛行器接口、能量和推力管理的新型顯示器以及操縱品質(zhì)和獨(dú)特的故障場(chǎng)景?！泵绹?guó)聯(lián)邦航空局發(fā)布了關(guān)于電力、分布式電力和混合電推進(jìn)系統(tǒng)和高增穩(wěn)電傳航跡飛控系統(tǒng)的類似通知，這些都是城市空中模塊的關(guān)鍵。

非傳統(tǒng)電池驅(qū)動(dòng)的分布式推進(jìn)垂直起降飛行器如何獲得認(rèn)證？這是一個(gè)共同關(guān)注的問題，行業(yè)相信答案已經(jīng)有了，但還未付諸實(shí)踐。這個(gè)答案就是，要對(duì)美國(guó)聯(lián)邦航空局第23部認(rèn)證法規(guī)以及等效的歐洲航空安全局CS-23標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行根本性重寫，使行業(yè)所開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)得到應(yīng)用。優(yōu)步公司航空工程總監(jiān)馬克·摩爾表示：“多年來，我們一直以美國(guó)聯(lián)邦航空局和歐洲航空安全局在阻礙我們前進(jìn)為借口，認(rèn)為監(jiān)管負(fù)擔(dān)遠(yuǎn)大于汽車業(yè)或其他行業(yè)。這在過去可能如此，但你不能用這個(gè)借口來解釋這個(gè)市場(chǎng)，因?yàn)槊绹?guó)聯(lián)邦航空局和歐洲航空安全局已經(jīng)走在了我們前面，他們完全改寫了這些小型飛機(jī)的認(rèn)證基礎(chǔ)。從文件上看，電力推進(jìn)垂直起降飛行器的美國(guó)聯(lián)邦航空局認(rèn)證選項(xiàng)包括旋翼飛機(jī)的第27部、飛機(jī)的第23部或“特殊等級(jí)”飛機(jī)的第21.17b部。通用航空制造商協(xié)會(huì)（General Aviation Manufacturers Association）負(fù)責(zé)全球創(chuàng)新和政策的副總裁格雷格·鮑爾斯表示：“沒有人會(huì)走第21.17b部的路線。這不是未來的最佳途徑，因?yàn)槊恳淮握J(rèn)證都是獨(dú)一無二的、一次性案例。”

圖6 億航研制的“億航”184

圖7 小鷹航空的“科拉”

相反，大多數(shù)電力推進(jìn)垂直起降飛行器制造商正在轉(zhuǎn)向第23/CS-23部。格雷格·鮑爾斯說：“美國(guó)聯(lián)邦航空局和歐洲航空安全局稱，如果機(jī)翼或機(jī)體升降是飛行的重要組成部分，他們將允許根據(jù)第23/CS-23部進(jìn)行認(rèn)證，這更適用于全球。”新規(guī)沒有規(guī)定如何監(jiān)管，而是設(shè)定了最高安全目標(biāo)，并允許企業(yè)通過滿足行業(yè)開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)來顯示合規(guī)。歐洲航空安全局第CS-23部法規(guī)的修訂版允許將飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳視為一個(gè)整體進(jìn)行認(rèn)證，這對(duì)于推進(jìn)力和空氣動(dòng)力學(xué)緊密結(jié)合的電力推進(jìn)垂直起降飛行器來說非常重要。格雷格·鮑爾斯說，“美國(guó)聯(lián)邦航空局正在考慮這一點(diǎn)，第23部法規(guī)是電力推進(jìn)垂直起降飛行器的一個(gè)巨大機(jī)會(huì)。”

另外，自主化標(biāo)準(zhǔn)也急需出臺(tái)，對(duì)飛行器的自主行為作出限制以確保安全。韋斯·瑞安承認(rèn)，在對(duì)先進(jìn)飛行路徑控制和自動(dòng)化系統(tǒng)的認(rèn)證方面面臨挑戰(zhàn)，而自主化系統(tǒng)可以增強(qiáng)飛行員的能力或者取代飛行員，其關(guān)鍵之處是建立一種方法，讓駕駛功能可隨時(shí)間轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)中。但是，馬克·摩爾強(qiáng)調(diào)：“無論需要花多長(zhǎng)時(shí)間來證明軟件是安全的，我們都還是會(huì)有一名商業(yè)飛行員駕駛這些飛行器。”

美國(guó)聯(lián)邦航空局小型飛機(jī)管理局項(xiàng)目和流程經(jīng)理韋斯·瑞安表示：“希望這些標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展速度快于政府監(jiān)管，并跟上技術(shù)發(fā)展的步伐。

圖8 空中客車公司A3創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研制的無人駕駛載人航空器

構(gòu)型

目前，城市空中交通還沒有一種能占主導(dǎo)地位的配置，電力推進(jìn)垂直起降飛行器分為兩大類：有翼和無翼。無翼電力推進(jìn)垂直起降飛行器本質(zhì)上是放大版的多旋翼無人機(jī)，它們?cè)谘埠綍r(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)效率不高，最適合低速短途飛行。有翼電力推進(jìn)垂直起降飛行器從旋翼垂直飛行過渡到翼載水平飛行，效率更高，速度更快，航程更遠(yuǎn)，但也更復(fù)雜，需要升力和巡航發(fā)動(dòng)機(jī)或傾斜機(jī)翼、轉(zhuǎn)子或涵道。

空域

如果對(duì)城市空中交通最樂觀的預(yù)測(cè)成真，那么在現(xiàn)有空中交通管理系統(tǒng)之外的空域內(nèi)，每天在一個(gè)城市上空飛行的航班數(shù)量可能會(huì)超過整個(gè)美國(guó)。未來目標(biāo)將是擴(kuò)大無人交通管理的建設(shè)，以管理低空無人機(jī)操作，利用商業(yè)實(shí)體提供的空域服務(wù)實(shí)現(xiàn)城市空中交通。

雖然飛行器認(rèn)證是實(shí)現(xiàn)大膽愿景的重要一步，但優(yōu)步公司面臨許多挑戰(zhàn)。其中之一就是空域準(zhǔn)入。優(yōu)步公司的設(shè)想是，在幾十條專用空中車道上，空中出租車在各個(gè)機(jī)場(chǎng)之間穿梭，間隔僅15s，但航空界并不認(rèn)為空域隔離是長(zhǎng)期解決方案。另一個(gè)是自主性。優(yōu)步公司的空中出租車在數(shù)年內(nèi)仍將是有人駕駛，而在后臺(tái)運(yùn)行自主權(quán)，建立對(duì)算法的信任。但優(yōu)步公司希望盡快轉(zhuǎn)向簡(jiǎn)化、高增穩(wěn)的駕駛艙操作，以減輕培訓(xùn)負(fù)擔(dān)，并推動(dòng)使商用飛行員數(shù)量不斷減少。行業(yè)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)正朝著這一方向發(fā)展，但步伐緩慢了些。

制造能力和水平

為了實(shí)現(xiàn)高密度城市運(yùn)營(yíng)的愿景，電力推進(jìn)垂直起降飛行器必須以高產(chǎn)量和低成本建造，達(dá)到每年5000～10000架飛機(jī)，而航空業(yè)沒有這方面的經(jīng)驗(yàn)，如今的飛機(jī)制造量只有100～500架。制造商們正在將目光投向汽車行業(yè)和像寶馬i3這樣的碳纖維汽車的高速自動(dòng)化裝配技術(shù)，但所要求的性能和由此帶來的復(fù)雜性將給飛機(jī)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化制造帶來挑戰(zhàn)。

圖9 Volocopter研制的無人駕駛載人航空器

圖10 優(yōu)步公司設(shè)想的“空中之塔”

圖11 Terrafugia公司研制的無人駕駛載人航空器

圖12 Lilium公司研制的無人駕駛載人航空器

基礎(chǔ)設(shè)施

城市空中出租車服務(wù)將啟動(dòng)使用現(xiàn)成的直升機(jī)停機(jī)坪，但更高密度的運(yùn)營(yíng)則需要新的基礎(chǔ)設(shè)施。在發(fā)展初期，可以重新啟用閑置的屋頂直升機(jī)停機(jī)坪，或重新調(diào)整停車場(chǎng)上層建筑的用途，但最終需要專用的高吞吐量中轉(zhuǎn)站，要能解決乘客上車、為飛行器充電并接駁到其他運(yùn)輸方式。

資金

現(xiàn)有的電力推進(jìn)垂直起降飛行器項(xiàng)目有100多個(gè)，其中大多數(shù)由初創(chuàng)企業(yè)研發(fā)，但將來只有少數(shù)能存活下來。2017年，Lilium公司獲得了9000萬美元，Volocopter公司獲得了3000萬美元，資金來自戴姆勒公司和英特爾公司。2018年，Joby Aviation從豐田公司、捷藍(lán)航空（JetBlue Airways）和英特爾公司融資1億美元。谷歌聯(lián)合創(chuàng)始人拉里·佩奇也為“小鷹號(hào)”（Kitty Hawk）的“飛行者”（Flyer）和“科拉”(Cora)電力推進(jìn)垂直起降飛行器提供資金支持。目前，資本正在流入新興行業(yè)，但要從飛行模型轉(zhuǎn)向生產(chǎn)型空中出租車，還需要大量資金的投入。■

“小鷹號(hào)”（Kitty Hawk）的“飛行者”（Flyer）