城市智能飛行的新構(gòu)想

劉思靜

1909年，法國人路易·布萊里奧駕駛著自己制造的飛機(jī)成功飛越英吉利海峽時(shí)，也許不曾想到，110年后的今天，航空技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)徹底改變了人們的生活方式。從木質(zhì)低速小飛機(jī)到復(fù)合材料制成的大型客機(jī)，人類用自己的智慧讓無數(shù)的奇思妙想得以實(shí)現(xiàn)。

如今，當(dāng)站在第二個(gè)航空百年的起跑線時(shí)，城市智能飛行的概念成為飛機(jī)制造商們關(guān)注的焦點(diǎn)?；蛟S有一天，“空中出租車”將會(huì)成為人們出行的首選，盡管這個(gè)念頭現(xiàn)在看來仍有些天馬行空。

“空中出租車”的構(gòu)想最早可以追溯到2003年。當(dāng)時(shí)，由于美國民航業(yè)效益不佳，一些航空公司為了降低成本，減少甚至取消了通往小城鎮(zhèn)的航班服務(wù)，這其中就包括一些旅游資源十分豐富的城鎮(zhèn)。為了滿足旅游市場(chǎng)的需求，總部設(shè)在俄勒岡州的一家公司推出了“空中出租車”項(xiàng)目，旨在向游客提供不定期的飛行服務(wù)。

這一新穎的服務(wù)方式很快受到了市場(chǎng)的歡迎，美國其他地方的一些公司紛紛仿效。業(yè)界認(rèn)為，這種按需運(yùn)營的方式很可能成為美國民航業(yè)的新時(shí)尚。然而，這種運(yùn)營方式有一個(gè)問題——如果采用傳統(tǒng)的民航飛機(jī)，由于客流量較小，運(yùn)營商的成本將居高不下。為此，一些飛機(jī)制造商將思路轉(zhuǎn)向了垂直起降飛機(jī)。

2009年，美國特拉福嘉公司生產(chǎn)的全球首輛飛行汽車——“飛越”（Transition）成功首飛。在這一事件的影響下，全球掀起了研制垂直起降飛機(jī)的浪潮。

優(yōu)步的未來戰(zhàn)略

早在2016年，優(yōu)步公司就開始研發(fā)城市飛行器，先后與多家飛機(jī)制造商合作研制電動(dòng)垂直起降飛機(jī)。經(jīng)過對(duì)多個(gè)方案的篩選后，優(yōu)步最終選定了5家飛機(jī)制造商，并與其簽訂了合作協(xié)議。這5家公司分別是極光飛行科學(xué)公司、巴航工業(yè)、蝙蝠飛行公司、卡萊姆飛機(jī)公司和貝爾公司。根據(jù)優(yōu)步的規(guī)劃，這五家公司研制的電動(dòng)垂直起降飛機(jī)將從2020年開始試飛，2023年左右投入商業(yè)運(yùn)營。從已經(jīng)公開的信息中可以看到，優(yōu)步與這5家公司聯(lián)合研制的飛機(jī)，各有特點(diǎn)。

極光飛行科學(xué)公司正在研制的幾款垂直起降飛機(jī)基本都采用了4座設(shè)計(jì)，且全部都是全電動(dòng)概念飛機(jī)。飛機(jī)兩側(cè)機(jī)翼的撐桿上各有4個(gè)電動(dòng)旋翼用于提供垂直升力。飛機(jī)在爬升到15～30米后，再過渡到前向飛行階段。此時(shí)，電動(dòng)旋翼全部停止工作，飛機(jī)靠一個(gè)螺旋槳推進(jìn)器推動(dòng)其向前飛行。從目前掌握的信息來看，極光飛行科學(xué)公司所設(shè)計(jì)的幾款飛機(jī)都能以190～210公里/小時(shí)的速度飛行50～65公里，飛機(jī)在450米高度飛行時(shí)，幾乎不會(huì)產(chǎn)生噪音。

蝙蝠飛機(jī)公司已經(jīng)公開的一款垂直起降飛機(jī)從外形上看更類似于翼身融合體，沒有任何產(chǎn)生垂直升力的可見旋翼，這種設(shè)計(jì)與其他的垂直起降飛機(jī)相比有很大的差異。蝙蝠飛機(jī)公司表示，這款飛機(jī)實(shí)際上隱含了一套用于巡航和垂直起降的“完全集成”的專用推進(jìn)系統(tǒng)，這使得飛機(jī)的維護(hù)成本更低，一般情況下可搭載2～6名乘客。

卡萊姆飛機(jī)公司公布了一款名為“蝴蝶”的垂直起降飛機(jī)。這款5座的飛機(jī)使用了優(yōu)化轉(zhuǎn)速傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)，使得其旋翼數(shù)量比一般的飛機(jī)要少得多。此外，這款飛機(jī)還可以調(diào)節(jié)旋翼的轉(zhuǎn)速，從而降低懸停功率需求和噪音。

巴航工業(yè)通過旗下專注于拓展顛覆性新業(yè)務(wù)的機(jī)構(gòu)Embraer X發(fā)布了其首款電動(dòng)垂直起降飛機(jī)——“夢(mèng)想制造者”。這是一款4座的垂直起降飛機(jī)，兩個(gè)翼梢端各設(shè)有一個(gè)支桿，每個(gè)支桿上有4個(gè)旋翼，飛機(jī)垂直飛行的升力就由這8個(gè)旋翼提供，而向前飛行的推力則由機(jī)身尾部的大尺寸推進(jìn)螺旋槳提供。

除了飛機(jī)的研制之外，在優(yōu)步的設(shè)想中，要使城市空中交通計(jì)劃在經(jīng)濟(jì)上可行，必須盡快擴(kuò)大運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)。因此，優(yōu)步計(jì)劃未來在達(dá)拉斯、沃斯堡和洛杉磯三個(gè)城市進(jìn)行垂直起降飛機(jī)飛行試驗(yàn)，從而保證2023年全面開始商業(yè)運(yùn)營。

此外，在城市空中交通計(jì)劃中，優(yōu)步還提出了一個(gè)“未來空港”的概念。所謂的“未來空港”，簡(jiǎn)單來說，就是要在城市中建立多個(gè)空中起降機(jī)場(chǎng)終端。根據(jù)規(guī)劃，這種“空港”應(yīng)該能在1.2萬平方米的占地面積內(nèi)每小時(shí)處理1400次飛機(jī)的起降，每小時(shí)運(yùn)送超過4000名乘客，每架飛行器之間的起降間隔不超過15秒，同時(shí)還要滿足噪音和環(huán)境的要求。

是飛機(jī)，也是汽車

從20世紀(jì)90年代開始，折疊式機(jī)翼便成為飛行汽車創(chuàng)新的核心問題。從技術(shù)和實(shí)際使用的角度來看，飛行汽車將是介于汽車與通用航空器之間的新一代交通工具。由于起降場(chǎng)所、噪音等因素的制約，通用航空器難以大規(guī)模進(jìn)入城市，而汽車本身行駛速度較慢，在城市擁堵的環(huán)境下，效率更低。飛行汽車恰恰具備了兩者的優(yōu)勢(shì)，因此被認(rèn)為是未來解決城市交通擁堵的最佳方案。

在2012年紐約車展上，美國弗吉亞公司發(fā)布了一款陸空兩用車型——“變形者”。這款兩用車采用的是可折疊機(jī)翼結(jié)構(gòu)，平時(shí)機(jī)翼收起，陸地行駛時(shí)的最高速度達(dá)到180公里/小時(shí)。當(dāng)需要飛行時(shí)，按一個(gè)按鈕就可以展開機(jī)翼，在滑行500米后便可以起飛，空中飛行時(shí)的最高速度可達(dá)184公里/小時(shí)，最大飛行距離達(dá)到740公里。

受此啟發(fā)，空客公司也加入到研制飛行汽車的隊(duì)伍中。2015年，為了研制飛行汽車，空客投資1.5億美元在硅谷成立了一家名為A3的公司，著手進(jìn)行“空中出租車”的研發(fā)?？湛蜑檫@款飛機(jī)取名“Vahana”。這是一款單座、自動(dòng)駕駛、可垂直起降的小型飛行器，可用于城市短途運(yùn)輸。Vahana擁有兩組傾轉(zhuǎn)機(jī)翼，每組機(jī)翼上裝有4個(gè)電機(jī)，由電機(jī)帶動(dòng)槳葉提供升力或推力。2018年，這款飛機(jī)完成了首飛。

除了Vahana之外，空客還與一家意大利汽車設(shè)計(jì)公司（ItalDesign）共同推出了一款名為Pop.Up的全電動(dòng)自動(dòng)駕駛飛行汽車。Pop.Up由旋翼飛行模塊和地面四輪行駛模塊適配連接而成，可隨時(shí)在空中模式與地面模式之間切換。

Pop.Up的飛行模塊由8個(gè)電驅(qū)動(dòng)的螺旋槳組成，成對(duì)共軸安裝在頂部的四個(gè)涵道中。地面行駛模塊的座艙內(nèi)部設(shè)有兩個(gè)座椅，但艙內(nèi)并未配備方向盤或方向舵，僅配有一塊125cm2的顯示屏幕，乘客可以通過面部識(shí)別、眼睛跟蹤以及觸摸和語音等方式來控制Pop.Up的飛行或地面行駛。

知名汽車制造商德國奧迪公司也參與了這個(gè)項(xiàng)目。其為Pop.Up研制的新型電池和自主系統(tǒng)可用于“城市移動(dòng)模塊的共享服務(wù)”，該系統(tǒng)使Pop.Up搭載乘客抵達(dá)目的地之后，飛行模塊會(huì)迅速與地面模塊解鎖并開啟飛行狀態(tài)，地面模塊會(huì)立即自動(dòng)行駛至下一個(gè)客戶處或充電站，等待下一次使用。

此外，空客的另一個(gè)名為“City Airbus”的項(xiàng)目已經(jīng)處于試飛階段。這款全電動(dòng)飛機(jī)由8臺(tái)西門子SP100D電機(jī)提供動(dòng)力，每臺(tái)電機(jī)的功率為100kW，分別驅(qū)動(dòng)8個(gè)固定槳距螺旋槳，兩兩一組以對(duì)轉(zhuǎn)的方式安裝在飛機(jī)上部四個(gè)角落的環(huán)狀懸臂中。每個(gè)環(huán)狀懸臂中，一個(gè)螺旋槳的安裝位置位于碳纖維涵道內(nèi)，另一個(gè)則略微超出涵道。

空客表示，City Airbus目前還未達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)和冷卻系統(tǒng)在內(nèi)的許多機(jī)載系統(tǒng)的尺寸都過大，但即便如此，City Airbus已經(jīng)具備了200～250公斤的運(yùn)載能力。在噪音方面，由于其120～140米/秒的葉尖速度比一般直升機(jī)葉片200米/秒的速度要低得多，因此，City Airbus的噪音要低于其他在研項(xiàng)目。

與此同時(shí)，一些初創(chuàng)公司研制的飛行汽車也頗具特色?？偛课挥谟祭锼雇袪柕腣ertical Aerospace公司推出了英國首款飛行出租車。這款飛行汽車重750公斤，配有4個(gè)大功率涵道風(fēng)扇，可搭載2～4名乘客，飛行距離約為150公里，最高飛行速度達(dá)到80公里/小時(shí)。2018年6月，這款飛行汽車在英國完成了首飛，目前仍在進(jìn)行其他飛行測(cè)試。根據(jù)計(jì)劃，這款飛行汽車將在2022年投入市場(chǎng)。

2018年7月，谷歌聯(lián)合創(chuàng)始人拉里·佩奇投資的加拿大初創(chuàng)公司Opener正式對(duì)外展示了一款名為“Black Fly”的電動(dòng)飛行汽車。作為一款自動(dòng)駕駛電動(dòng)飛行汽車，Black Fly的飛行速度為40公里/小時(shí)，電池可以在25分鐘內(nèi)完成充電。

其他新穎的設(shè)計(jì)

除了上述提到的幾個(gè)項(xiàng)目之外，目前全球在研的30多款新型飛行器中，一些混合動(dòng)力的垂直起降飛機(jī)也十分值得關(guān)注。美國VerdeGo公司正在研制的PAT200雙座電動(dòng)垂直起降飛機(jī)就是其中的代表。

PAT200飛機(jī)的有效載荷為227公斤，飛行距離為32～64公里，速度超過242公里/小時(shí)。這款飛機(jī)前后兩個(gè)可傾轉(zhuǎn)機(jī)翼上安裝了鉸接旋翼以及采用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的混合動(dòng)力系統(tǒng)，這是PAT200飛機(jī)最顯著的特點(diǎn)。

目前，垂直起降飛機(jī)大多采用電池驅(qū)動(dòng)，而PAT200采用了內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電的混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。雖然電推進(jìn)系統(tǒng)是一種高效的推進(jìn)裝置，但是當(dāng)前的電池能量密度還遠(yuǎn)不能滿足電動(dòng)垂直起降飛機(jī)進(jìn)行商業(yè)飛行的需要。

當(dāng)然，考慮到技術(shù)的發(fā)展，尤其是高能量密度電池、先進(jìn)燃料電池和超級(jí)電容器等技術(shù)的發(fā)展，VerdeGo公司也在考慮未來將其他先進(jìn)的發(fā)電技術(shù)引入到傳動(dòng)系統(tǒng)中，從而達(dá)到既能提供足夠的能量又能盈利的目的。為此，公司在2018年進(jìn)行了多個(gè)不同縮比的原型機(jī)飛行試驗(yàn)，并初步規(guī)劃了一個(gè)為期6年的驗(yàn)證計(jì)劃。

有待解決的問題

從理論上來講，垂直起降飛機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是要想在城市上空大規(guī)模使用，仍有很多問題有待解決。

首先是空中交通管制的問題。目前，在民航運(yùn)輸系統(tǒng)中，一名空中交通管制員同時(shí)要監(jiān)控5～20架飛機(jī)。如果“空中出租車”大量使用的話，勢(shì)必會(huì)對(duì)空中管制員有巨大的需求。

其次，電池技術(shù)急需突破。目前已有的電池技術(shù)，其能量密度無法滿足長(zhǎng)距離飛行的要求，即便制造出一種能量密度超高的電池，在充電速度和電池壽命上可能會(huì)有很大的妥協(xié)，而這會(huì)大大提高跨界飛機(jī)的制造成本和使用成本。從制造工藝的角度看，和垂直起降飛機(jī)在功能上最接近的交通工具是直升機(jī)，但兩者之間有很大不同。大部分直升機(jī)采用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單旋翼，而垂直起降飛機(jī)則主要采用分布式電推進(jìn)系統(tǒng)，即在固定翼飛機(jī)上安裝多個(gè)電動(dòng)引擎。這對(duì)制造和適航來說，都是一個(gè)新課題。

最后一個(gè)十分現(xiàn)實(shí)的問題是垂直起降飛機(jī)的?？俊４怪逼鸾碉w機(jī)也好，空中出租車也好，其出現(xiàn)的目的是為了緩解地面交通的壓力，但這些飛機(jī)不可能一直停留在空中，這就需要一定的專業(yè)場(chǎng)地來服務(wù)這些飛機(jī)。從目前來看，除了已有的直升機(jī)起降點(diǎn)之外，幾乎沒有適合這一類航空器停放的區(qū)域。盡管最理想的狀態(tài)是這些新型飛行器可以與地面汽車共用停車場(chǎng)、道路、橋梁等，如此才能體現(xiàn)其優(yōu)越性，但要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)仍有很多障礙需要克服。