優(yōu)步持續(xù)推進(jìn)城市空中交通穩(wěn)步進(jìn)展

李韻

如果說(shuō)2017年的Uber日evate峰會(huì)的主題是電動(dòng)垂直起降飛行器，2018年的Uber EIevate峰會(huì)的主題是數(shù)以千計(jì)的空中出租車在城市上空飛行的愿景，那么2019年的Uber日evate峰會(huì)的主題則是研發(fā)這些飛行器去實(shí)現(xiàn)這一愿景的可行性。

2019年的Uber Elevate峰會(huì)于6月在華盛頓舉行，重點(diǎn)介紹了業(yè)界自2016年優(yōu)步首次發(fā)布Uber Elevate白皮書至今取得的進(jìn)展，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)了要實(shí)現(xiàn)城市空中交通愿景需要應(yīng)對(duì)的各項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

在本次峰會(huì)上，業(yè)界合作伙伴展示了各自的原型機(jī)，介紹了研發(fā)進(jìn)展;監(jiān)管部門代表帶來(lái)了監(jiān)管認(rèn)證方面令人振奮的消息，再次回應(yīng)了外界對(duì)優(yōu)步的宏偉目標(biāo)是否可行的質(zhì)疑;優(yōu)步也詳細(xì)介紹了自身的各項(xiàng)工作，包括電池測(cè)試和致力于降低噪聲的模擬網(wǎng)絡(luò)。

相關(guān)工作正取得的進(jìn)展是毋庸置疑的，多個(gè)電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL）原型機(jī)已進(jìn)行了試飛，此次峰會(huì)閉幕后僅一個(gè)月，歐洲航空安全局（EASA）就發(fā)布了首個(gè)適用于電動(dòng)垂直起降飛行器的正式認(rèn)證規(guī)則，即垂直起降飛行器特別條款（SC-VTOL）。

優(yōu)步也部署了Uber EIevate計(jì)劃的首批兩個(gè)項(xiàng)目：紐約的Uber Copter網(wǎng)約直升機(jī)服務(wù)和加州圣迭戈的無(wú)人機(jī)快遞服務(wù)。在出發(fā)和到達(dá)兩端與優(yōu)步現(xiàn)有的地面交通服務(wù)無(wú)縫銜接后，曼哈頓核心區(qū)和約翰肯尼迪國(guó)際機(jī)場(chǎng)之間的UberCopter航線將幫助證明Uber Elevate計(jì)劃背后的多模復(fù)合交通理念。

但當(dāng)前優(yōu)步仍然面臨不少困難和阻礙。大多數(shù)電動(dòng)垂直起降飛行器廠商建造原型機(jī)還需要募集資金。垂直起降場(chǎng)和空管基礎(chǔ)設(shè)施必須部署到位，飛行器必須通過(guò)監(jiān)管部門的適航性認(rèn)證，運(yùn)營(yíng)規(guī)則也必須建立起來(lái)。

雖然仍面臨諸多挑戰(zhàn)。但優(yōu)步仍將按計(jì)劃在2020年在達(dá)拉斯、洛杉磯和墨爾本開始驗(yàn)證飛行，隨后將于2023年開始在這幾個(gè)城市投入少量經(jīng)過(guò)適航性認(rèn)證的飛行器，開展小規(guī)模的試運(yùn)營(yíng)。

優(yōu)步并非城市空中交通領(lǐng)域唯一的重量級(jí)選手，但目前是規(guī)模最大的?？湛驼趯?duì)其研發(fā)的電動(dòng)垂直起降原型機(jī)進(jìn)行測(cè)試，并與多個(gè)城市合作提升公眾對(duì)城市空中交通的接受度。德國(guó)初創(chuàng)企業(yè)Volocopter和Lilium公司正在推動(dòng)他們自有品牌的空中出租車服務(wù)，Lilium的5座電動(dòng)垂直起降原型機(jī)Lilium Jet在2019年5月進(jìn)行了試飛，兩座的Volocopter 2X計(jì)劃于今年年底在新加坡開始空中出租車運(yùn)行試驗(yàn)。

在本次峰會(huì)上，我們可以看出為什么優(yōu)步相信能夠在2023年開始商業(yè)試運(yùn)營(yíng)。首先和最重要的是電池。優(yōu)步對(duì)業(yè)界最先進(jìn)的電池產(chǎn)品進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試，結(jié)果表明當(dāng)前可通過(guò)適航性認(rèn)證的電池技術(shù)在2023年之前能夠提供滿足需求的產(chǎn)品。

優(yōu)步設(shè)定的初步性能要求包括：巡航速度240km/h，搭載4名乘客和1名飛行員，滿電條件下能完成多趟40km的飛行。優(yōu)步城市空中交通事業(yè)部飛行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)總監(jiān)馬克·摩爾說(shuō)：“關(guān)鍵不在于最大航程，而在于平均每次任務(wù)的飛行距離，以及連續(xù)不停地進(jìn)行這種飛行的生產(chǎn)力，同時(shí)在于單趟飛行距離在40km內(nèi)，上下客間隙只需5～7min即可補(bǔ)充能量的快充能力?！?/p>

當(dāng)前的動(dòng)力鋰電池產(chǎn)品的能量密度約為230～250Wh/kg，但這只是電芯能量密度，不是屆時(shí)優(yōu)步的飛行器將使用的技術(shù)水平。電池組的熱管理等附加功能意味著電芯組成電池組后重量會(huì)增加約25%，因此電池組能量密度將只有180～200Wh/kq。

此外，飛行器必須圍繞電池組壽命末期（EOL）的性能指標(biāo)而不是新電池組的性能指標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)。在6個(gè)月的服役壽命期內(nèi)，電池的內(nèi)阻會(huì)增大，功率密度會(huì)降低。優(yōu)步計(jì)劃在電池組容量衰減至85%時(shí)將其退役，以2018年的電芯技術(shù)來(lái)算，此時(shí)電池組的能量密度僅為160Wh/kg。

通過(guò)與鋰電池廠商的合作，優(yōu)步相信鋰電池的能量密度將以每年4%的水平增長(zhǎng)，馬克·摩爾說(shuō)：“我們知道這些技術(shù)可以量產(chǎn)，我們近期的飛行器在設(shè)計(jì)上就是以此為準(zhǔn)。”在留出2年時(shí)間用于認(rèn)證的情況下，電池組壽命末期能量密度180Wh/kg的產(chǎn)品能夠在2023年開始商業(yè)試運(yùn)營(yíng)之前投入使用，并在2025年提高到195Wh/kg。

馬克·摩爾說(shuō)，嚴(yán)重的能量限制和整機(jī)都需要圍繞電池性能進(jìn)行設(shè)計(jì)導(dǎo)致飛行器最大起飛重量不宜超過(guò)3.17t。優(yōu)步計(jì)劃在2030年將機(jī)隊(duì)規(guī)模擴(kuò)展至上萬(wàn)架，并寄希望于屆時(shí)鋰金屬電池能夠用于第二代飛行器，將擁有更輕、使用廉價(jià)的熱塑性塑料機(jī)身。

電池的使用也是降低使用成本的一個(gè)關(guān)鍵因素。初期的業(yè)務(wù)會(huì)和現(xiàn)有的直升機(jī)服務(wù)差不多，以機(jī)場(chǎng)到商業(yè)核心區(qū)的航線為主，但優(yōu)步希望純電動(dòng)飛行器能降低成本和價(jià)格，從而擴(kuò)大服務(wù)范圍。

曼哈頓到約翰肯尼迪國(guó)際機(jī)場(chǎng)之間的優(yōu)步直升機(jī)服務(wù)的價(jià)格約為200～225美元。優(yōu)步城市空中交通事業(yè)部主管埃里克·阿里森說(shuō)“直升機(jī)仍只有富裕階層才消費(fèi)得起，開始商業(yè)運(yùn)營(yíng)后，電動(dòng)垂直起降飛行器的服務(wù)價(jià)格能降到這一水平的三分之一?！?/p>

優(yōu)步的目標(biāo)是達(dá)到每飛行小時(shí)700美元的成本，馬克·摩爾說(shuō)，載客量相當(dāng)?shù)呢悹?07GXi直升機(jī)的使用成本約為每小時(shí)1250美元。單發(fā)渦軸直升機(jī)的使用成本主要在于燃料和維修成本，而電動(dòng)垂直起降飛行器的這兩項(xiàng)成本極低，我們很有信心達(dá)到預(yù)定的成本目標(biāo)。

幾乎所有預(yù)計(jì)的成本削減都來(lái)自燃料和維修。電動(dòng)垂直起降飛行器的能量成本有兩部分。最小的部分是電力成本，優(yōu)步預(yù)計(jì)每小時(shí)的電力成本僅為21美元，而貝爾407GXi直升機(jī)的燃料成本是每小時(shí)270美元。最大的成本是電池衰減折舊成本，因?yàn)殇囯姵氐姆蹓勖€是比較短的。

“鋰電池是很貴的，”馬克·摩爾說(shuō)?！拔覀兌贾榔囯姵氐某杀竞芨?，但航空級(jí)電池產(chǎn)品的價(jià)格，我們認(rèn)為至少還要高4倍，在600～700美元每千瓦·時(shí)左右。按照電池壽命1300個(gè)循環(huán)，在額定容量衰減A85%時(shí)退役，淘汰電池拆解電芯賣給儲(chǔ)能市場(chǎng)售價(jià)按50美元每千瓦·時(shí)來(lái)算，優(yōu)步預(yù)計(jì)電池折舊成本可以做到每小時(shí)75～90美元的水平?！?/p>

在維修方面，優(yōu)步相信電動(dòng)垂直起降飛行器的維修成本將介于雙發(fā)渦軸直升機(jī)和固定翼通航飛機(jī)之間，比單發(fā)渦軸直升機(jī)低很多。馬克·摩爾說(shuō)，貝爾407GXi直升機(jī)的使用成本是每小時(shí)477美元，預(yù)計(jì)優(yōu)步的電動(dòng)垂直起降飛行器的使用成本是每小時(shí)112美元。貝爾407GXi的發(fā)動(dòng)機(jī)每飛行小時(shí)的成本是100美元，而電動(dòng)垂直起降飛行器的電機(jī)每飛行小時(shí)的成本只有5美元。

在以上的計(jì)算對(duì)比中，優(yōu)步并未計(jì)入其它方面的成本節(jié)省，至少目前是這樣的，包括最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛時(shí)將節(jié)約的飛行員人工成本。至少在投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的前10年里，電動(dòng)垂直起降飛行器都將由飛行員駕駛，雖然馬克·摩爾預(yù)計(jì)，隨著時(shí)間的推移和先進(jìn)飛行控制技術(shù)的進(jìn)步，飛行器的駕駛問(wèn)題將得到極大簡(jiǎn)化，從而使飛行員人選不再局限于數(shù)量有限的商照飛行員。但最終，自動(dòng)駕駛技術(shù)將完全成熟，預(yù)計(jì)到2030年，在積累了5000萬(wàn)～7500萬(wàn)架次的飛行后，采用自動(dòng)駕駛技術(shù)的電動(dòng)垂直起降飛行器將具備尋求商業(yè)運(yùn)營(yíng)許可的基礎(chǔ)。

在采購(gòu)成本方面，優(yōu)步預(yù)計(jì)初期的采購(gòu)成本將和直升機(jī)差不多?！爸鄙龣C(jī)非常貴，以商用飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看直升機(jī)的價(jià)格是非常貴的，因?yàn)楫a(chǎn)量有限，需要嚴(yán)格檢查和經(jīng)常更換的關(guān)鍵零件的數(shù)量又多，”馬克·摩爾說(shuō)，“從近期來(lái)看，電動(dòng)垂直起降飛行器的采購(gòu)價(jià)會(huì)和輕型直升機(jī)相當(dāng)。雖然電動(dòng)垂直起降飛行器不需要使用直升機(jī)上最昂貴的組件一渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，但小批量生產(chǎn)的價(jià)格平攤了研發(fā)成本后還是很高的?！?/p>

如果優(yōu)步按計(jì)劃擴(kuò)展業(yè)務(wù)規(guī)模，大批量生產(chǎn)將能夠降低采購(gòu)單價(jià)。屆時(shí)最大的問(wèn)題將是噪聲問(wèn)題，這對(duì)于公眾接受程度至關(guān)重要。優(yōu)步的目標(biāo)是比輕型直升機(jī)的3級(jí)噪聲限制低15dB。這并非隨意選定的數(shù)值，聯(lián)邦航空局對(duì)市區(qū)晝夜平均噪聲標(biāo)準(zhǔn)（DNL）的指導(dǎo)意見是65dB?！敖档惋w行器的噪聲水平意味著在同樣的晝夜平均噪聲標(biāo)準(zhǔn)下，可以飛行更多架次，”優(yōu)步城市空中交通事業(yè)部飛行器設(shè)計(jì)總監(jiān)羅博·麥克唐納表示。

“起飛重量23t、噪聲等級(jí)3級(jí)的直升機(jī)在晝夜平均噪聲標(biāo)準(zhǔn)限制65dB的環(huán)境下每天只能飛行40架次。這對(duì)于直升機(jī)的飛行頻率并不構(gòu)成影響，”羅博·麥克唐納說(shuō)“相比之下，1個(gè)中型垂直起降機(jī)場(chǎng)的起降容量是每天500架次。更大的垂直起降場(chǎng)可達(dá)每天1200架次。要滿足晝夜平均噪聲標(biāo)準(zhǔn)限制，電動(dòng)垂直起降飛行器的噪聲需要比同級(jí)別直升機(jī)降低15dB。這也是我們給飛行器設(shè)定的目標(biāo)?！眱?yōu)步已經(jīng)有至少1架原型機(jī)的噪聲水平達(dá)到了降低15dB的標(biāo)準(zhǔn)。

“這個(gè)降噪目標(biāo)能夠達(dá)到嗎？目前看來(lái)還要很多困難要克服，”羅博·麥克唐納說(shuō)。分布式電推進(jìn)設(shè)計(jì)可以從多方面降低飛行器噪聲，包括：螺旋槳直徑、槳尖線速度和槳葉剛性、槳葉展弦比、槳葉后掠和槳葉數(shù)量、電機(jī)驅(qū)動(dòng)相位控制和飛行軌跡優(yōu)化?！斑@些措施可能不能全部用到單一型號(hào)的電動(dòng)垂直起降飛行器上，但我認(rèn)為這些措施能夠極大降低飛行器的噪聲，”羅博·麥克唐納說(shuō)，“在巡航階段極大降低噪聲是可能的，我們預(yù)計(jì)未來(lái)還將設(shè)定更激進(jìn)的降噪目標(biāo)?！?/p>

除降低飛行器噪聲外，優(yōu)步也在研究對(duì)飛行活動(dòng)進(jìn)行管理，幫助將飛行器噪聲融入城市背景噪聲以最大限度減小對(duì)居民的影響?！拔覀?cè)O(shè)定了一個(gè)社會(huì)接受度可行性實(shí)施路徑，包括飛行器設(shè)計(jì)、垂直起降場(chǎng)選址和設(shè)計(jì)、以及路徑和運(yùn)營(yíng)規(guī)劃，”優(yōu)步城市空中交通事業(yè)部運(yùn)營(yíng)規(guī)劃助理羅希特·戈亞爾說(shuō)。

優(yōu)步已經(jīng)啟動(dòng)了一個(gè)名為“交響樂(lè)計(jì)劃”的項(xiàng)目，內(nèi)容是對(duì)城市噪聲背景進(jìn)行研究，在達(dá)拉斯和圣迭戈兩個(gè)城市進(jìn)行大規(guī)模的背景噪聲統(tǒng)計(jì)分析。采集的數(shù)據(jù)將通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)生成一個(gè)運(yùn)營(yíng)規(guī)劃工具，該工具能預(yù)測(cè)任意地點(diǎn)在任何時(shí)間的背景噪聲分貝值，進(jìn)而分析飛行器經(jīng)過(guò)該地點(diǎn)產(chǎn)生的影響。

“我們會(huì)用這個(gè)工具去優(yōu)化運(yùn)營(yíng)決策，當(dāng)背景噪聲分貝值高的時(shí)候，飛行活動(dòng)可以更頻繁。在相對(duì)安靜的時(shí)間段，我們可以改變飛行路徑從背景哚聲相對(duì)高的地方經(jīng)過(guò)，實(shí)現(xiàn)盡可能減輕噪聲擾民問(wèn)題和盡量不影響運(yùn)營(yíng)的目標(biāo)。”

降低成本和噪聲非常重要，而安全性無(wú)疑是重中之重?！拔覀兊碾妱?dòng)垂直起降飛行器必須是由電池提供能量、必須相對(duì)安靜，最重要的是必須非常安全，這是我們每一項(xiàng)工作的核心和前提，”埃里克·阿里森說(shuō)。優(yōu)步已經(jīng)開發(fā)了一套安全管理系統(tǒng)，這是一套組織層面的正式風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)，已經(jīng)開始用于Ube rCopter和Uber Eats業(yè)務(wù)。

在安全方面，當(dāng)前最緊迫的是監(jiān)管認(rèn)證問(wèn)題。以下是這方面的一些最新進(jìn)展：Lilium、Volocopter和其它一些歐洲企業(yè)會(huì)按照歐洲航空安全局（EASA）新制定的適用于電動(dòng)垂直起降飛行器的首個(gè)正式認(rèn)證規(guī)則，即垂直起降飛行器特別條款去進(jìn)行適航性認(rèn)證。在美國(guó)方面，聯(lián)邦航空局截至目前的做法是按照聯(lián)邦航空局監(jiān)管條例（FAR）Part 21.17b中的特殊適航性認(rèn)證規(guī)則，對(duì)提交的申請(qǐng)進(jìn)行定制化審批。取決于飛行器的配置，申請(qǐng)人在認(rèn)證過(guò)程中遵照的規(guī)則包括Part 23中的常規(guī)類通航飛機(jī)認(rèn)證規(guī)則、Part 27中的輕型直升機(jī)認(rèn)證規(guī)則以及特別條款。

聯(lián)邦航空局正在為電動(dòng)垂直起降飛行器制定新的認(rèn)證規(guī)則，使相關(guān)認(rèn)證工作標(biāo)準(zhǔn)化。相關(guān)內(nèi)容尚未公開，但預(yù)計(jì)會(huì)和歐洲航空安全局的垂直起降飛行器特別條款類似。“只有一處明顯不同，”通用航空制造商協(xié)會(huì)（GAMA）歐洲法規(guī)事務(wù)主管凱利·馬丁說(shuō)。

“歐洲航空安全局的硬件認(rèn)證規(guī)則中包括了運(yùn)營(yíng)規(guī)則，聯(lián)邦航空局預(yù)計(jì)將首先制定飛行器硬件的認(rèn)證規(guī)則，隨后再增加單獨(dú)的運(yùn)營(yíng)認(rèn)證規(guī)則。但最終產(chǎn)物還是會(huì)非常相似，”凱利·馬丁說(shuō)。

預(yù)計(jì)美國(guó)的認(rèn)證規(guī)則都將大量借鑒聯(lián)邦航空局監(jiān)管條例Part 23中的內(nèi)容，正如歐洲航空安全局制定的垂直起降飛行器特別條款大量借鑒了CS-23中的內(nèi)容。這意味著業(yè)界能使用業(yè)界公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適航性認(rèn)證，其中大多數(shù)都是ASTMInternational的F44T作組制定的。通用航空制造商協(xié)會(huì)的電推進(jìn)和創(chuàng)新委員會(huì)（EPIC）的審核結(jié)論是“F44標(biāo)準(zhǔn)中有70%的內(nèi)容適用于電動(dòng)垂直起降飛行器?！?/p>

在歐洲，商用電動(dòng)垂直起降飛行器將根據(jù)垂直起降飛行器特別條款中的商用級(jí)（Enhanced）分類進(jìn)行適航性認(rèn)證，其中對(duì)每飛行小時(shí)的功能性災(zāi)難性故障率的規(guī)定為10^-9。與民用飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)。聯(lián)邦航空局尚未發(fā)布任何具體規(guī)定，但預(yù)計(jì)將和聯(lián)邦航空局監(jiān)管條例Part 23中根據(jù)載客量分級(jí)的做法類似，將優(yōu)步這一級(jí)別的電動(dòng)垂直起降飛行器的功能性災(zāi)難性故障率規(guī)定為10^-8，相當(dāng)于Pilatus PC-12這一級(jí)別的通航飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。優(yōu)步認(rèn)同聯(lián)邦航空局的指導(dǎo)意見，但優(yōu)步的飛行器研發(fā)伙伴企業(yè)表示他們會(huì)按照歐洲航空安全局制定的標(biāo)準(zhǔn)去研發(fā)飛行器。

飛行器認(rèn)證只是第一步。“并不是說(shuō)通過(guò)適航性認(rèn)證就結(jié)束了。還有飛行員訓(xùn)練、空中交通管理、運(yùn)營(yíng)商和垂直起降場(chǎng)認(rèn)證等?！眲P利·馬丁說(shuō)。由于電動(dòng)垂直起降飛行器和現(xiàn)有的固定翼和直升機(jī)都不一樣，飛行員訓(xùn)練和認(rèn)證，以及聯(lián)邦航空局監(jiān)管條例Part 135中關(guān)于空中出租車的運(yùn)營(yíng)規(guī)則都需要進(jìn)行適配?！斑@一過(guò)程所需的時(shí)間通常比制定適航性認(rèn)證規(guī)則更長(zhǎng)，因?yàn)檫@一過(guò)程涉及的當(dāng)事方又不一樣，包括政客，”他說(shuō)。新的運(yùn)營(yíng)規(guī)則的制定預(yù)計(jì)將用時(shí)5～7年。屆時(shí)可能導(dǎo)致電動(dòng)垂直起降飛行器商業(yè)運(yùn)營(yíng)推遲到20年代中期。

通用航空制造商協(xié)會(huì)的電推進(jìn)和創(chuàng)新委員會(huì)新的飛行員訓(xùn)練認(rèn)證委員會(huì)的乘員于2019年8月首次開會(huì)研究針對(duì)電動(dòng)垂直起降飛行器的飛行員認(rèn)證規(guī)則。目標(biāo)是在今年年底初步拿出一份關(guān)于如何針對(duì)城市空中交通去適配相關(guān)訓(xùn)練和認(rèn)證規(guī)則的報(bào)告。歐洲航空安全局已成立了一個(gè)新的工作組開始研究制定電動(dòng)垂直起降飛行器運(yùn)營(yíng)規(guī)則，乘員包括Llilium和Volocopter公司?！拔覀兿Ｍ麄兡芗涌煲?guī)則制定過(guò)程，”凱利·馬丁說(shuō)。

“聯(lián)邦航空局監(jiān)管條例Pa rt 23和Part 135是最適合的，”優(yōu)步城市空中交通事業(yè)部航空政策總監(jiān)凱特·弗雷澤說(shuō)?！癙art 23中基于業(yè)界共識(shí)的認(rèn)證原則是最佳的適航性認(rèn)證方式，Part 135中關(guān)于空中出租車的規(guī)則也是最適合我們的運(yùn)營(yíng)模式的。我們正在與監(jiān)管部門和業(yè)界伙伴共同努力解決飛行員要求方面的核心問(wèn)題。不解決這些問(wèn)題商業(yè)運(yùn)營(yíng)就無(wú)從談起，”她說(shuō)，“我們要做的任何事都會(huì)遇到限制。但這是有明確原因的。那就是確保人們的安全?！?/p>