城市空中交通市場(chǎng)發(fā)展前景分析

■ 王翔宇/中國航發(fā)研究院

航空“第三時(shí)代”(Third Era)已經(jīng)拉開了帷幕，而城市空中交通概念的興起，既體現(xiàn)了長期以來人們對(duì)于快捷的城市空中出行的固有需求，也是航空業(yè)界迫切希望電動(dòng)飛行走進(jìn)現(xiàn)實(shí)、搶占市場(chǎng)的必然反映。

來自全球的7家航空制造商（空客、波音、達(dá)索、GE航空、羅羅、賽峰和UTC）的首席技術(shù)官于2019年6月18日在巴黎航展上發(fā)表聯(lián)合聲明，在不斷追求常規(guī)動(dòng)力燃油效率、支持可持續(xù)燃料的商業(yè)化使用的同時(shí)，將通過研發(fā)全新的飛機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)航空運(yùn)輸行動(dòng)集團(tuán)（ATAG）確立的減少二氧化碳排放的宏偉目標(biāo)，即到2020年限制二氧化碳凈排放量的增長，到2050年將二氧化碳排放量降低至2005年的一半。這是整個(gè)航空業(yè)界攜手關(guān)注氣候變化、保護(hù)地球生態(tài)的一步，更是從萊特兄弟時(shí)代的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)到當(dāng)今的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、再到方興未艾的電推進(jìn)系統(tǒng)歷史性變革的一步。

20世紀(jì)早期萊特兄弟首架飛機(jī)成功上天標(biāo)志著航空“第一時(shí)代”的到來。20世紀(jì)50年代噴氣式飛機(jī)的出現(xiàn)則開啟了航空“第二時(shí)代”。如今，以數(shù)字化和電氣化為典型特征的航空“第三時(shí)代”已經(jīng)拉開了帷幕，電動(dòng)飛行概念正席卷而來，更加清潔安靜、高效廉價(jià)的電氣化空中旅行作為未來航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，將深刻地改變?nèi)藗兊墓ぷ骱蜕罘绞健?/p>

城市空中交通應(yīng)運(yùn)而生

廣泛的行業(yè)研究表明，受制于當(dāng)前兆瓦級(jí)高功率密度電動(dòng)機(jī)、大能量密度儲(chǔ)能系統(tǒng)以及高效熱管理系統(tǒng)的發(fā)展，全電動(dòng)飛行的初始商業(yè)應(yīng)用似乎更可能在有效載荷、飛行速度和航程都較小的通用航空?qǐng)鼍跋侣氏葘?shí)現(xiàn)，將隨著電氣化技術(shù)的成熟再逐步進(jìn)入大型商業(yè)運(yùn)輸領(lǐng)域。如果不了解在這條“漸進(jìn)式”發(fā)展道路上孕育的全新商業(yè)模式和機(jī)會(huì)，既無法有效地對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行持續(xù)投資研究，更無法在瞬息萬變的航空市場(chǎng)搶占先機(jī)。在此情況下，城市空中交通（UAM）應(yīng)運(yùn)而生，成為當(dāng)下航空業(yè)界關(guān)注的核心熱點(diǎn)。

所謂的城市空中交通，就是用一種小型的全電動(dòng)或混合電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL）承載不超過1t的旅客和貨物，以比地面出行更快的巡航速度（200km/h左右）在城市空域飛行，到達(dá)15～100km以外的目的地。直觀上看，空中公交車（Air Metro）和空中出租車（Air Taxi）將是未來城市空中交通市場(chǎng)的主體組成部分。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前已有近百個(gè)處于不同開發(fā)階段的UAM項(xiàng)目瞄準(zhǔn)了未來城市空中交通市場(chǎng)，其中既有優(yōu)步（Uber）公司等飛行新勢(shì)力的積極滲透，也有傳統(tǒng)航空制造商未雨綢繆的產(chǎn)業(yè)再布局。無論是出于短期的商業(yè)利益考慮還是為未來開展大型航空運(yùn)輸業(yè)務(wù)做準(zhǔn)備，大多數(shù)市場(chǎng)參與者均認(rèn)為，10年內(nèi)可以迎來電氣化城市空中交通的首次商業(yè)運(yùn)營，而完整的城市空中交通生態(tài)體系的建立，則不僅需要合適的eVTOL產(chǎn)品投入市場(chǎng)，在空域管理、適航條例、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及社會(huì)認(rèn)知接受度等方面的完善與突破同樣至關(guān)重要。

城市空中交通飛行器競(jìng)相推出

早在2016年，優(yōu)步公司就發(fā)布了Uber Elevate白皮書，利用共享eVTOL飛行器為未來城市提供一鍵約飛機(jī)的空中交通服務(wù)，預(yù)計(jì)于2020年開展測(cè)試，自2023年起投入商業(yè)運(yùn)營。優(yōu)步公司將與極光飛行公司、貝爾公司、巴航工業(yè)、卡萊姆公司以及蝙蝠公司合作開展新型飛行器研制工作，每家公司都提出了自己的方案，其中極光公司的PAVX和貝爾公司的Nexus已完成首飛。Uber Elevate體系還納入了多個(gè)科研機(jī)構(gòu)和高?；锇閰f(xié)同推進(jìn)電動(dòng)飛行技術(shù)提升與城市空中交通環(huán)境建設(shè)，其中美國國家航空航天局（NASA）將參與開發(fā)無人駕駛交通管理（UTM）和無人機(jī)系統(tǒng)（UAS）；美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）將進(jìn)行同向旋轉(zhuǎn)螺旋槳的研發(fā)；Molicel公司將參與生產(chǎn)飛行器所需鋰離子電池組；佐治亞理工大學(xué)則負(fù)責(zé)系統(tǒng)安全分析和UAM市場(chǎng)研究。事實(shí)上除優(yōu)步公司以外，美國的Joby Aviation 、Kitty Hawk，德國的Volocopter、AutoFlightX和國內(nèi)的億航等眾多的航空初創(chuàng)公司均在針對(duì)城市空中交通需求開展相應(yīng)的eVTOL項(xiàng)目。

億航184（多旋翼，億航公司）

S2 eVOTL（傾轉(zhuǎn)旋翼，Joby Aviation公司）

eVTOL Multicopter（升力巡航，Aurora公司）

在這些飛行新勢(shì)力大舉進(jìn)軍城市空中交通市場(chǎng)的同時(shí)，傳統(tǒng)航空制造商也對(duì)這一領(lǐng)域表現(xiàn)出了極為濃厚的興趣。2018年空客公司成立了專門的城市空中交通部門，同年其單座eVTOL驗(yàn)證機(jī)Vahana進(jìn)行了50余次試飛，飛行速度為220km/h，航程接近100km。到2019年又啟動(dòng)了4座eVTOL飛行器City Airbus的研發(fā)計(jì)劃，設(shè)計(jì)巡航速度為120km/h，最大航程為50 km，8臺(tái)100kW電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的4組同軸反轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇為該飛行器提供動(dòng)力。此外，空客公司也與西門子公司合作研發(fā)了一款功率為60kW的小型雙座電動(dòng)飛機(jī)E-Fan，雖然其最初的目的是用于評(píng)估支線客機(jī)混合電推進(jìn)系統(tǒng)的可行性，但后續(xù)也可能投入到城市空中交通市場(chǎng)。

典型城市空中交通概念產(chǎn)品的最大起飛質(zhì)量與航程分布（R22和R44為羅賓遜公司生產(chǎn)的常規(guī)2座和4座輕型直升機(jī)）

除了為下一代E-FanX概念機(jī)提供2.5MW發(fā)電機(jī)和電力電子設(shè)備，羅羅公司基于M250混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)獨(dú)自開發(fā)了5座混合電動(dòng)飛行器，這也是羅羅公司第一次提出了飛機(jī)層面的設(shè)計(jì)概念。此款串聯(lián)式混合動(dòng)力飛機(jī)采用了螺旋槳和傾轉(zhuǎn)機(jī)翼設(shè)計(jì)，吸收了“鷂”式戰(zhàn)斗機(jī)的垂直/短距起降技術(shù)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。羅羅公司還與阿斯頓馬丁公司和克蘭菲爾德大學(xué)合作，開發(fā)一種用于城市空域飛行的3座混合動(dòng)力概念機(jī)Volante Vision，其總體設(shè)計(jì)方案更接近于飛行汽車，預(yù)計(jì)于2025年左右投放市場(chǎng)，屆時(shí)其巡航速度將達(dá)到300 km/h。

通過梳理這些項(xiàng)目不難發(fā)現(xiàn)，一方面UAM總體設(shè)計(jì)已經(jīng)突破了當(dāng)前常規(guī)飛機(jī)選型的條條框框，既有成本較低、適宜短距飛行的多旋翼飛行器（Multirotor），也有飛行速度更快、航程更遠(yuǎn)但結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的有翼飛行器，例如，傾轉(zhuǎn)旋翼（Tilt Rotor）、傾轉(zhuǎn)涵道（Tilt Duct）、傾轉(zhuǎn)機(jī)翼（Tilt Wing）以及升力巡航（Lift and Cruise）等多種設(shè)計(jì)方案競(jìng)相出現(xiàn)，未來必將根據(jù)細(xì)分市場(chǎng)的具體需求進(jìn)行有側(cè)重的發(fā)展。另一方面，關(guān)于這些eVTOL飛行器采用全電動(dòng)力還是混合電推進(jìn)的爭(zhēng)論則是從未停歇：以優(yōu)步公司為代表的城市共享運(yùn)輸企業(yè)普遍認(rèn)為在2025年前高能量密度電池的發(fā)展足以滿足小型城市空中交通飛行器的需求，除貝爾公司的Nexus概念機(jī)外，均采用了全電設(shè)計(jì)；而傳統(tǒng)航空制造商，特別是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商，則傾向于充分利用其海量燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展載重更大、航程更遠(yuǎn)的混合電推進(jìn)系統(tǒng)，這樣也為后續(xù)大型航空電動(dòng)運(yùn)輸做準(zhǔn)備。

進(jìn)一步來說，這些種類繁多、五花八門的eVTOL項(xiàng)目正是當(dāng)前整個(gè)城市空中交通市場(chǎng)野蠻生長的最好寫照。演示文稿上一個(gè)個(gè)外形炫酷超前、具體參數(shù)語焉不詳且研發(fā)進(jìn)度猶未可知的飛行器概念被眾多初創(chuàng)公司當(dāng)成了最關(guān)鍵的融資工具，很顯然，從技術(shù)突破到飛行試驗(yàn)、從適航取證到批量生產(chǎn)，每次動(dòng)輒上億美元的資金投入意味著其中只有極少數(shù)的公司能存活下來，而且傳統(tǒng)航空制造商對(duì)這一領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)力進(jìn)一步壓縮了初創(chuàng)公司的發(fā)展空間，要知道汽車行業(yè)這么多年來也只有特斯拉公司這一個(gè)真正破局者，這還在很大程度上得益于老牌汽車巨頭對(duì)電動(dòng)地面交通發(fā)展長期的心不在焉。但也要注意到，即使是傳統(tǒng)航空制造商給出的那些看起來更為清晰可行的方案構(gòu)想，與人們期待的勝任城市空中交通市場(chǎng)需求的產(chǎn)品相比仍有不小的差距。如果未來eVTOL飛行器連當(dāng)前常規(guī)動(dòng)力直升機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)都達(dá)不到，那么城市空中交通市場(chǎng)就徹底喪失了其后續(xù)發(fā)展的根本支撐點(diǎn)。

城市空中交通市場(chǎng)模式的艱難孕育

如果各種eVTOL飛行器在載重、航程、速度、安全性乃至低噪聲等方面均取得了前所未有的突破，演示文稿上宣傳的“爆點(diǎn)”一個(gè)接一個(gè)實(shí)現(xiàn)，是不是就意味著塵封的城市空中交通市場(chǎng)大門被徹底打開了？很遺憾，空中出租車走向市場(chǎng)的過程是不可能像在地面上用電動(dòng)出租車替換掉燃油出租車那么簡(jiǎn)單的，還有太多產(chǎn)品以外的因素同樣能夠左右未來城市空中交通市場(chǎng)的發(fā)展進(jìn)程，而打破這些外部因素的制約是無法在現(xiàn)有城市交通框架下完成的。至少目前來看，只有少得可憐的經(jīng)驗(yàn)可供未來的電氣化城市空中交通發(fā)展運(yùn)營所借鑒。Voom、Blade和Skyride這3家能夠提供類似城市空中交通服務(wù)的公司具有強(qiáng)烈的區(qū)域性，均不擁有或直接運(yùn)營任何eVTOL飛行器，只是通過App的方式將旅客和常規(guī)直升機(jī)所有者/飛行員連接起來，而這一切離創(chuàng)造適合城市空中交通走進(jìn)千家萬戶的生態(tài)環(huán)境還差得太遠(yuǎn)。

盡管電動(dòng)汽車的購置費(fèi)用不菲，其日常通行使用卻比燃油汽車劃算，畢竟電費(fèi)比油費(fèi)便宜多了（特別是在國內(nèi)），但是這一點(diǎn)并不適用于城市空中交通市場(chǎng)。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，eVTOL飛行器每千米單個(gè)旅客產(chǎn)生的費(fèi)用僅比搭乘常規(guī)直升機(jī)節(jié)省不到20%，其平均價(jià)格至少是地面出租車的3倍以上，基本與豪華專車花費(fèi)持平。除了燃油成本變成了電力成本，目前這些城市空中交通產(chǎn)品直接使用成本要素與常規(guī)動(dòng)力直升機(jī)相比并無根本差別，而即使是飛行耗電量最大的5座eVTOL飛行器，其電力成本也僅占總成本的2成左右。城市空中交通還是太貴了，不是誰都能玩得起的，有錢人會(huì)選擇私人飛行器出行，普通人更傾向于便宜的地面交通，至少短期內(nèi)海量資本的驅(qū)動(dòng)而非廣大民眾的迫切需求將是空中出租車或者空中公交車發(fā)展的決定性力量。

不同城市出行交通方式花費(fèi)比較（來源：NASA）

城市空中交通直接使用成本要素分解（來源：NASA）

城市空中交通直接使用成本要素說明

城市空中交通的典型外部制約因素

一個(gè)悲觀的事實(shí)就是，城市空中交通也很可能沒有想象中的那么方便快捷，制約其發(fā)展的外部因素不會(huì)因?yàn)槭怯胑VTOL飛行器還是常規(guī)動(dòng)力直升機(jī)就能發(fā)生巨大變化。NASA的研究報(bào)告認(rèn)為，在不考慮任何外部約束的理想情況下，2030年前美國城市空中交通市場(chǎng)的日均運(yùn)輸量超過千萬次，占交通運(yùn)輸總量的1/5，年化市場(chǎng)價(jià)值達(dá)到5000億美元，而對(duì)外部制約因素建模后得到的日均運(yùn)輸量僅為5萬多次，年化市場(chǎng)價(jià)值縮水到25億美元，在役eVTOL飛行器也只有4000架，幾乎與同期北美地區(qū)客機(jī)需求量持平。考慮到美國的通航產(chǎn)業(yè)高度發(fā)達(dá)、人均收入全球領(lǐng)先，同期更大地域范圍（特別對(duì)于發(fā)展中國家）的城市空中交通實(shí)際轉(zhuǎn)化率只會(huì)更低。甚至可以說，在現(xiàn)有條件下除非有國家意志在背后的強(qiáng)力推進(jìn)，否則電氣化城市空中交通的發(fā)展形勢(shì)可能并不會(huì)與常規(guī)直升機(jī)空運(yùn)有什么顯著不同。

結(jié)束語

電動(dòng)飛行越來越成為推動(dòng)航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主宰力量，而城市空中交通概念的興起，既體現(xiàn)了長期以來人們對(duì)于快捷空中出行的固有需求，也是航空業(yè)界迫切希望電動(dòng)飛行走進(jìn)現(xiàn)實(shí)、搶占市場(chǎng)的必然反映。從產(chǎn)品自身的因素來說，城市空中交通的eVTOL飛行器對(duì)于電氣化飛行技術(shù)的要求相對(duì)較低，短期內(nèi)研發(fā)成功的可能性更大，隨之而來相當(dāng)多的初創(chuàng)公司也瞄準(zhǔn)了這一領(lǐng)域，但在這百家爭(zhēng)鳴的背后，想要快速把一頁頁奪人眼球的演示文稿變成現(xiàn)實(shí)、真正拿出一款在性能上至少不輸給當(dāng)前常規(guī)動(dòng)力直升機(jī)的電氣化產(chǎn)品仍非朝夕之功；從產(chǎn)品以外的因素來說，這么多年來城市空中交通一直沒有建立一種完善可持續(xù)的市場(chǎng)運(yùn)營模式，制約其發(fā)展的太多問題不會(huì)因?yàn)椴捎昧薳VTOL飛行器就消失不見，而這些問題也不是單純依賴eVTOL飛行器制造商就能解決的。

特別值得一提的是，就在積極布局城市空中交通市場(chǎng)、研發(fā)全電eVTOL飛行器的同時(shí)，傳統(tǒng)航空動(dòng)力制造商也在瞄準(zhǔn)未來航空運(yùn)輸市場(chǎng)不遺余力地開展大功率高負(fù)載混合電推進(jìn)系統(tǒng)研究。雖然混合電推進(jìn)系統(tǒng)看起來在技術(shù)上更復(fù)雜，但也意味著高企的門檻隔絕了大多數(shù)飛行新勢(shì)力染指這一領(lǐng)域的可能，傳統(tǒng)航空動(dòng)力制造商幾十年來的深厚技術(shù)儲(chǔ)備也能夠充分發(fā)揮。更為關(guān)鍵的是，不論是客運(yùn)還是貨運(yùn)，不論是干線還是支線，納入混合電推進(jìn)飛機(jī)與納入常規(guī)動(dòng)力飛機(jī)對(duì)于高度成熟的航空運(yùn)輸市場(chǎng)來說需要做出的改變很小，機(jī)場(chǎng)還是那個(gè)機(jī)場(chǎng)，塔臺(tái)還是那個(gè)塔臺(tái)，甚至從外形上看飛機(jī)可能還是那個(gè)飛機(jī)。在不遠(yuǎn)的未來，基于混合電推進(jìn)系統(tǒng)的航空運(yùn)輸取代城市空中交通成為電動(dòng)飛行市場(chǎng)的領(lǐng)跑者也許并不會(huì)讓人感到吃驚，城市空中交通市場(chǎng)能否打破重重阻礙破繭而出仍需拭目以待。