優(yōu)步公司描繪未來無人駕駛空中出租車藍(lán)圖

文圖/優(yōu)步

無人駕駛載人飛行器也被大眾稱為無人駕駛空中出租車。優(yōu)步公司一直有一個夢想，將無人駕駛載人飛行變成現(xiàn)實(shí)。該公司不僅積極推進(jìn)戰(zhàn)略構(gòu)建，而且描繪了未來無人駕駛空中出租車藍(lán)圖。

無人駕駛載人飛行生態(tài)系統(tǒng)正處于蓬勃發(fā)展階段，多家公司已著手開發(fā)和試飛早期原型機(jī)。2016年，美國國家航空航天局航空研究任務(wù)委員會副署長賈旺·申最近在有關(guān)“無人機(jī)和航空業(yè)的未來”的白宮研討會上表示，美國國家航空航天局對無人駕駛載人飛行的前景持樂觀態(tài)度：“空中出租車將結(jié)合采用電力驅(qū)動系統(tǒng)、自主駕駛技術(shù)、垂直起降技術(shù)以及很多其他通信和導(dǎo)航功能。完全自主化的空中出租車運(yùn)營，尤其是在人口密集、交通擁堵問題嚴(yán)重的區(qū)域，想到這樣的可能性將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，真是令人無比激動。當(dāng)我們將所有這些功能融合到一起時，航空領(lǐng)域?qū)⒎_新的篇章，我們即將迎來一個新的航空時代?！?/p>

目前，雖然世界各國的制造商紛紛涉足，但是尚沒有一套明確的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。未來的無人駕駛載人飛行器到底是什么樣子？優(yōu)步公司給出了自己的答案。優(yōu)步公司認(rèn)為，未來的無人駕駛載人飛行器在拼機(jī)網(wǎng)絡(luò)中提供服務(wù)，必須克服下列四個主要障礙才具備商業(yè)可行性：安全、噪聲、排放和飛機(jī)性能。解決這些難題需要用到兩大重要的技術(shù)：分布式電力推進(jìn)系統(tǒng)和自主駕駛技術(shù)。

安全性高

要廣泛普及無人駕駛載人飛行這種拼機(jī)選擇，乘坐無人駕駛垂直起降飛行器一定要比乘坐汽車更加安全才行。為了使無人駕駛載人飛行被市場所接受，僅僅聲稱這種飛行器跟駕車一樣安全，尤其是考慮到大眾對自主駕駛車輛可能帶來安全改進(jìn)的積極反饋，幾乎可以肯定是不夠的。此外，大眾普遍認(rèn)為，商業(yè)航空比駕車要安全得多，這也在無形中加大了運(yùn)營商的服務(wù)安全壓力，尤其是面向日常使用的載人飛行服務(wù)，壓力只會更大。

安全目標(biāo)

按照《美國聯(lián)邦航空條例》(FAR)第 121 部規(guī)定，航班幾乎可以肯定是最安全的交通方式。優(yōu)步的初始目標(biāo)就是將每乘客里程的死亡人數(shù)降低到駕車的一半，即將安全水平提高到兩倍。目前，按照第135部運(yùn)營的直升機(jī)和固定翼飛機(jī)是最接近的代表性產(chǎn)品，空中出租車的安全水平僅為駕車的二分之一，這意味著優(yōu)步需要提高三倍(將每億乘客里程的死亡人數(shù)從1.2降至0.3) 才能達(dá)到安全目標(biāo)。在無人駕駛載人飛行器的制造、飛行和維護(hù)方面，優(yōu)步公司將會遵循比第135部更為嚴(yán)格的控制級別和美國聯(lián)邦航空局(FAA)的監(jiān)管要求。此外，至少在自主駕駛得到廣泛普及之前，運(yùn)營無人駕駛載人飛行器將需要比私人飛行員更加訓(xùn)練有素、經(jīng)驗(yàn)更豐富、飛行審核更嚴(yán)格且健康認(rèn)證要求更高的商業(yè)飛行員。即使在飛機(jī)故障率相等的情況下，嚴(yán)格按照第135部規(guī)定運(yùn)營無人駕駛載人飛行器的事故率至少可以控制在同樣低的水平上。

提高安全性

由于大部分地區(qū)都沒有雷達(dá)監(jiān)測，因此無法實(shí)時管制空中交通，而天氣預(yù)報也往往不準(zhǔn)確。規(guī)劃欠佳和錯誤判斷共同導(dǎo)致失控，飛行員的個人能力不足，加上惡劣的天氣狀況，勢必會造成飛行器脫離飛行員的控制而導(dǎo)致悲劇發(fā)生。這些事故本可以通過相對簡單的自主駕駛技術(shù)避免，此類自主駕駛技術(shù)不僅能夠更好地控制飛機(jī)，還能及時了解最新的導(dǎo)航和天氣信息。經(jīng)驗(yàn)證，自主防撞系統(tǒng)已成功幫助多名F-16飛行員幸免于難。阿拉斯加的空中相撞事故率已顯著減少，當(dāng)?shù)卣罅恳敫玫膶?dǎo)航傳感器和飛機(jī)到飛機(jī)的廣播式自主播報監(jiān)視(ADSB) 系統(tǒng)，到2020年，這些裝備將被普遍應(yīng)用到在密集城區(qū)飛行的所有飛機(jī)上。無人駕駛載人飛行器也必將利用數(shù)字電傳操縱系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中增加安全駕駛輔助系統(tǒng)將能夠大大減少因飛行員操作失誤而造成的飛機(jī)失控。安全駕駛輔助系統(tǒng)將最終發(fā)展為完全自主駕駛系統(tǒng)，這也會對飛行安全產(chǎn)生顯著的積極影響。

由于半數(shù)的飛行事故歸根結(jié)底是由天氣數(shù)據(jù)掌握不足、飛行員主觀臆斷所致，在城市區(qū)域飛行中實(shí)時掌握天氣情況并空中交通管理將使現(xiàn)有的第135部運(yùn)營的安全性與駕車的安全性不相上下。通過采用先進(jìn)的安全駕駛輔助系統(tǒng)和自主駕駛系統(tǒng)將安全性進(jìn)一步提高一倍，無人駕駛載人飛行器將朝著實(shí)現(xiàn)2倍于駕車安全性的最初目標(biāo)邁進(jìn)。

分布式電力推進(jìn)系統(tǒng)

為了使無人駕駛載人飛行器達(dá)到高于飛機(jī)的安全性，必須考慮控制多個推進(jìn)電機(jī)的復(fù)雜性。從本質(zhì)上而言，優(yōu)步公司認(rèn)為，無人駕駛載人飛行器可以進(jìn)入自主駕駛狀態(tài)，也就是說，除非有障礙物和其他飛機(jī)造成視覺障礙的情況下，否則，無人駕駛載人飛行器無須飛行員操控。飛行員無須實(shí)際操控發(fā)動機(jī)和操縱面，只需要設(shè)定一條航線，飛行器就會沿著設(shè)置的航線自主飛行。直接的機(jī)械控制工作大大減少，飛行員可以集中精力監(jiān)測各種狀況，而不必規(guī)劃和執(zhí)行飛機(jī)飛行狀態(tài)的具體操作，便可以按照設(shè)置的航線飛行。保守估計，從基于飛行狀態(tài)到基于航線的飛行，飛行員操縱能力將提高到2倍，預(yù)計總死亡率可至少降至地面駕車的一半。

除了不明狀況和失去控制，導(dǎo)致事故的第二大原因與發(fā)動機(jī)故障有關(guān)，發(fā)動機(jī)故障和燃料管理失誤所導(dǎo)致的事故一共占到了通用航空事故的18%。幸運(yùn)的是，這兩種原因都能通過實(shí)施分布式電力推進(jìn)技術(shù)來消除，而該技術(shù)是新型飛機(jī)概念的基礎(chǔ)。通過使用多個(一般而言為6個或更多) 電機(jī)、控制器和一個冗余總線結(jié)構(gòu)，利用完全的推進(jìn)系統(tǒng)冗余避免發(fā)生災(zāi)難性發(fā)動機(jī)故障。發(fā)動機(jī)故障可能導(dǎo)致減速或上升能力減弱，但仍能在飛機(jī)安全系數(shù)內(nèi)維持對飛行器進(jìn)行完全控制。在這方面改進(jìn)有望在前述目標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低事故率。

結(jié)合分布式電力推進(jìn)技術(shù)與自主駕駛技術(shù)將有機(jī)會實(shí)現(xiàn)全數(shù)控電傳操縱系統(tǒng)，在數(shù)字系統(tǒng)之間進(jìn)行交互，而且不需要復(fù)雜的模擬接口或機(jī)械接口。推進(jìn)系統(tǒng)中每個元件的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(從電池的充電電壓狀態(tài)到電機(jī)溫度) 均可通過冗余的主飛行控制器進(jìn)行管理，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能和運(yùn)行狀況。

分布式電力推進(jìn)技術(shù)不僅提供了冗余，而且還會增強(qiáng)飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中的控制穩(wěn)健性。因此，任何組件發(fā)生故障都可以從容應(yīng)對，飛機(jī)都可以安全著陸。穩(wěn)健的飛機(jī)控制確保能夠妥善處理飛機(jī)控制系統(tǒng)中的不確定性或干擾。此外，控制穩(wěn)健性還有助于應(yīng)對強(qiáng)風(fēng)和陣風(fēng)飛行條件，尤其是在局部氣流干擾頻發(fā)的城市中飛行時。

垂直飛行會增加操縱難度，這是以傳統(tǒng)方式起飛和著陸的飛機(jī)無須面臨的問題。分布式電力推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)解決了大多數(shù)難題；采用分布式電力推進(jìn)技術(shù)的垂直起降飛行器很可能具有更高的下洗氣流速度，從而可以更快速地降落；將其與多個螺槳旋翼結(jié)合使用有助于避免旋翼產(chǎn)生再循環(huán)氣流(例如陷入渦環(huán)狀態(tài)) 。下洗氣流速度是在推進(jìn)系統(tǒng)螺旋槳的作用下向下偏轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)垂直起降的誘導(dǎo)氣流速度。采用分布式電力推進(jìn)技術(shù)的無人駕駛載人飛行器配置通常使用每ft210～20lbf(1lbf(磅力)≈4.448N)的推力。

無人駕駛載人飛行器的推重比通常為1.15或以上，以便在上升時提供額外動力。該推重比通常在連續(xù)的額定功率下測得。相比而言，渦輪發(fā)動機(jī)和活塞發(fā)動機(jī)通常能夠提供短時緊急額定功率，將動力提升10%～20%，而電機(jī)一般能在1～2min內(nèi)將動力提升50% 以上，直到溫度過熱。最高定額功率不用于計算推重比，僅用于電機(jī)故障等緊急情況。

圖1 優(yōu)步公司預(yù)測，2025 年人類即將迎來拼機(jī)共享出行的新時代

圖2 全自主駕駛以及來自真實(shí)飛行的大量數(shù)據(jù)，在設(shè)計中的體現(xiàn)將推動無人駕駛載人飛行器達(dá)到航空公司的飛行安全水平

如果需要調(diào)整飛機(jī)大小以有效應(yīng)對單發(fā)動機(jī)(或電機(jī)) 故障的狀況，同時又要保證有足夠的動力完成飛行并安全著陸時，一架雙發(fā)動機(jī)直升機(jī)需要具有2.0以上的推重比，且最高額定功率可在單發(fā)動機(jī)緊急情況下提供1.1～1.2的有效推重比。對于采用分布式電力推進(jìn)技術(shù)、配備6個螺旋槳的無人駕駛載人飛行器而言，單發(fā)動機(jī)故障會導(dǎo)致推力降低約17%，在單發(fā)動機(jī)無效的緊急情況下，電機(jī)的最高額定功率提供的推力完全可以彌補(bǔ)之前降低的推力。

這種通過調(diào)整飛機(jī)大小來有效應(yīng)對發(fā)動機(jī)(電機(jī)) 故障的措施是分布式電力推進(jìn)技術(shù)的重要優(yōu)勢之一，可以彌補(bǔ)之前的垂直起降飛機(jī)的相關(guān)劣勢。直升機(jī)可以自主旋轉(zhuǎn)，并可在沒有動力的情況下緊急著陸，而采用分布式電力推進(jìn)技術(shù)的無人駕駛載人飛行器不太可能自主旋轉(zhuǎn)(取決于具體配置) 。無論如何，直升機(jī)在密集城區(qū)低空都不能很好地自主旋轉(zhuǎn)，因?yàn)橹鄙龣C(jī)的下滑角較大會導(dǎo)致著陸距離較短。

采用分布式電力推進(jìn)技術(shù)的無人駕駛載人飛行器通過結(jié)合更加先進(jìn)的自主駕駛系統(tǒng)，可以進(jìn)一步提高飛行安全性，實(shí)際上，自主駕駛系統(tǒng)可在第一時間防止無人駕駛載人飛行器陷入任何可能危險的境地。自主飛行控制可以優(yōu)化航線飛行剖面，同時通過優(yōu)化最優(yōu)速度、爬升角、迎角和推進(jìn)器/機(jī)翼傾角、懸停以及前飛的過渡速度范圍，最大限度地減少控制所需的額外動力。

讓乘客充分認(rèn)識到良好的安全性也十分重要，尤其是在初始使用階段。最近的通用航空飛機(jī)采用了一種緊急安全模式，這種模式的工作原理相當(dāng)于靠邊停車。通過避免使用大型旋翼，采用分布式電力推進(jìn)技術(shù)的飛機(jī)還可以利用彈道式回收系統(tǒng)(可以在緊急情況下展開的整機(jī)降落傘) 讓飛機(jī)安全著陸，此外，還可以利用其他不斷發(fā)展并在接受測試的安全技術(shù)。還有多家公司正在開發(fā)更加先進(jìn)的彈道式回收解決方案，幾乎能夠?yàn)樗羞\(yùn)營狀況下的飛機(jī)(即使是飛機(jī)緩慢飛行以及接近地面時) 實(shí)現(xiàn)更可靠的安全性。

雖然這些安全因素的獨(dú)立作用可能存在某些差異，但這些差異有可能相互抵消，最終實(shí)現(xiàn)甚至超越2倍于駕車安全性的最高安全目標(biāo)。當(dāng)然，在安全方面的創(chuàng)新工作在第一批無人駕駛載人飛行器投產(chǎn)后還會繼續(xù)進(jìn)行下去。

低噪聲水平

無人駕駛載人飛行器將在人口密集的城區(qū)上空低空飛行。因此，務(wù)必要確保無人駕駛載人飛行器不會影響社區(qū)生活，而無人駕駛載人飛行器開發(fā)人員也將減低噪聲這一目標(biāo)牢記于心，使其擁有較低的、可接受的噪聲水平。社區(qū)之所以能夠接受公共安全類飛機(jī)，是因?yàn)榇祟愶w機(jī)的使用頻率不高，并且具有明確的社會價值；不過，由于噪聲過大，人們一直以來反對將其用于其他目的。優(yōu)步公司將了解了針對無人駕駛載人飛行器的一組更加嚴(yán)格的噪聲定量和定性目標(biāo)，分析設(shè)計中產(chǎn)生噪聲的根本功能，并探索最有望實(shí)現(xiàn)噪聲目標(biāo)的技術(shù)進(jìn)步。

噪聲的量化目標(biāo)

美國聯(lián)邦航空局針對固定翼飛機(jī)對機(jī)場周邊社區(qū)的噪聲影響設(shè)置了相應(yīng)的閾值，也針對直升機(jī)和傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)確定了相應(yīng)閾值。不過，要實(shí)現(xiàn)廣泛的商業(yè)用途，無人駕駛載人飛行器必須滿足更嚴(yán)格的噪聲標(biāo)準(zhǔn)。

從定量方面而言，定義和有針對性地定制飛機(jī)及其配套的垂直起降場/站的飛行噪聲水平以及測量方法對有無人駕駛載人飛行器穿梭的新興社區(qū)也是有益的。要使社區(qū)能夠接受龐大規(guī)模的無人駕駛載人飛行器，飛機(jī)的噪聲必須融入到飛經(jīng)區(qū)域的背景噪聲中。

通過探索現(xiàn)有的空中及地面交通，認(rèn)識了如今的噪聲測量方法以及人們?nèi)绾胃兄肼暎缓蟾鶕?jù)這些知識來了解未來的無人駕駛載人飛行器經(jīng)營能夠在多大程度上超過法規(guī)要求，達(dá)到更為嚴(yán)格的噪聲目標(biāo)，才能為人們普遍接受。優(yōu)步確定了如下初步噪聲框架和目標(biāo)：

(1) 飛機(jī)的噪聲目標(biāo)

為了使載人飛行盡快實(shí)現(xiàn)普及，無人駕駛載人飛行器必須擁有較低的噪聲水平。通過垂直起降場/站飛行的無人駕駛載人飛行器最終的噪聲水平目標(biāo)是接近于卡車在居民區(qū)道路上行駛的噪聲水平(最鄰近住宅受到的噪聲影響，50 ft，75～80dB) 的一半：500ft高度的最大聲壓級約為62dB，約是目前市場上最小的四座直升機(jī)噪聲水平的四分之一。

一個無人駕駛載人飛行器網(wǎng)絡(luò)將要部署可能由數(shù)百架飛機(jī)組成的機(jī)隊。如此多的無人駕駛載人飛行器同時飛行，噪聲僅僅達(dá)到與卡車相當(dāng)?shù)乃娇赡苋詿o法為人們所接受。因此，優(yōu)步公司認(rèn)為，對于無人駕駛載人飛行器，達(dá)到中型卡車目前一半的噪聲水平才算合理的目標(biāo)，即250ft高度的地面噪聲水平為67dB，根據(jù)之前所做的分析，這個目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)的。這相當(dāng)于豐田瑞普斯汽車以35mile(1mile(英里)≈1.609km)的時速從距離聽者25ft的地方駛過。

(2) 長期干擾

當(dāng)無人駕駛載人飛行器開始運(yùn)營后，能夠確定具體著陸地點(diǎn)的環(huán)境噪聲特點(diǎn)而非使用任意目標(biāo)非常重要。這對運(yùn)營具有極大的好處，能夠使無人駕駛載人飛行器的運(yùn)營更加敏銳地適應(yīng)每個起飛和著陸地點(diǎn)的環(huán)境噪聲特點(diǎn)，將噪聲有效限制在不打擾周邊社區(qū)的水平以下。為了在垂直起降場(站)實(shí)現(xiàn)更具針對性和適應(yīng)性的噪聲水平，運(yùn)營商需要計算每個飛機(jī)在每個站點(diǎn)可以執(zhí)行的作業(yè)次數(shù)，同時將晝夜聲級的長期平均值保持在1dB的增長幅度之內(nèi)，這是人耳可以察覺的最小響度變化。

(3) 短期干擾

無人駕駛載人飛行器的飛行噪聲導(dǎo)致周邊社區(qū)居民夜間被吵醒的增長幅度不會超過5%。如果無人駕駛載人飛行器能夠在250ft的高度達(dá)到67dB噪聲目標(biāo)，那么降低飛行造成的夜間驚醒次數(shù)的增長幅度的可能性就更大。因?yàn)轫懚群腕@醒次數(shù)之間存在直接統(tǒng)計關(guān)系，將短期干擾的最大夜間驚醒次數(shù)的增長幅度10%降低到的一半(即5%) 應(yīng)該是可以實(shí)現(xiàn)的。

(4) 站點(diǎn)分析和定制

應(yīng)在各個站點(diǎn)持續(xù)監(jiān)測無人駕駛載人飛行器飛行情況，確定實(shí)際的日間-傍晚-夜間背景噪聲水平。實(shí)時監(jiān)控站點(diǎn)噪聲可以記錄不會超過的目標(biāo)噪聲水平，而且可以根據(jù)噪聲背景的變化進(jìn)行調(diào)整這一閾值。美國聯(lián)邦航空局要求所有接受噪聲排放認(rèn)證的飛機(jī)均使用統(tǒng)一航線。除了遵循面向直升機(jī)制定的標(biāo)準(zhǔn)化著陸、飛越上空和起飛程序外，運(yùn)營商應(yīng)該可以在進(jìn)近和出發(fā)安全區(qū)內(nèi)自行選擇任何航線，這將有助于獲得最低的噪聲劑量。優(yōu)步公司認(rèn)為，有效感知噪聲可以測量單臺飛機(jī)飛行的相對響度，經(jīng)過修改后可以實(shí)現(xiàn)如上所述的最優(yōu)航線，將是評價無人駕駛載人飛行器噪聲評價的最合適的指標(biāo)。

飛行器設(shè)計

無人駕駛載人飛行器的主要噪聲源有主旋翼、尾旋翼和發(fā)動機(jī)。通過使用多個小型旋翼代替一個大型旋翼，飛機(jī)設(shè)計師可以同時提供足夠的垂直起飛動力，還能保持較低的可感知噪聲水平。無人駕駛載人飛行器采用分布式電力推進(jìn)技術(shù)，結(jié)合不斷提高的自主化技術(shù)，使獨(dú)立控制多個電機(jī)來自適應(yīng)控制推力方向變得可行，而無需尾旋翼或復(fù)雜的機(jī)械聯(lián)動。假設(shè)一架飛機(jī)配備26個旋翼，每個旋翼的直徑為5ft，而另一架為配備一個直徑為25ft旋翼的小型直升機(jī)。兩種機(jī)型的總旋翼面積均約為500ft2。單旋翼直升機(jī)的轉(zhuǎn)速為530r/min，葉尖速度為672ft/s(約Ma0.6) ，而26個旋翼的轉(zhuǎn)速為1700r/min，葉尖速度為445ft/s約Ma0.4)。看似差別甚小，但噪聲實(shí)則以葉尖速度的5～6倍增長。在這種情況下，葉尖速度提高到1.5倍，噪聲量則會增加到8～12倍之多。由于26個旋翼以幾乎相同的速度旋轉(zhuǎn)，噪聲只是各個旋翼噪聲量的簡單相加，人們感知到的響度不會比各個分散噪聲元素疊加到一起更大。

發(fā)動機(jī)是另一個重大噪聲來源。發(fā)動機(jī)分為活塞式發(fā)動機(jī)和渦輪發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)帶動很多旋翼，機(jī)械結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，需要用到變速箱和橫軸，而這些裝置本身都會產(chǎn)生噪聲。分布式電力推進(jìn)技術(shù)可以解決這一問題。首先，去掉發(fā)動機(jī)，從而減少一個主要的噪聲來源。電機(jī)的噪聲比活塞式發(fā)動機(jī)或渦輪發(fā)動機(jī)小得多，因?yàn)榇祟惏l(fā)動機(jī)無需燃燒碳?xì)浠衔?，也就不需要吸入和排出大量空氣。其次，電動垂直起降飛行器可以發(fā)揮分布式電力推進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢，而且不改變尺寸。尺度不變的推進(jìn)技術(shù)意味著，設(shè)計師可以根據(jù)需要產(chǎn)生升力和推力。如果飛行器使用分布式電力推進(jìn)技術(shù)，則可以使用很多配備小型螺旋槳的電機(jī)，而不損失性能或增加重量。此外，通過使用分布式電力推進(jìn)技術(shù)，還可優(yōu)化設(shè)計以更輕松地實(shí)現(xiàn)低噪聲目標(biāo)，因?yàn)樵陔妱哟怪逼鸾碉w行器的整個范圍內(nèi)，設(shè)計師有諸多選擇來實(shí)現(xiàn)扭矩和轉(zhuǎn)速目標(biāo)，而無須添加變速箱。獨(dú)立的推進(jìn)系統(tǒng)可以提供完全的冗余。因此，螺旋槳或電機(jī)單方面出現(xiàn)故障對飛機(jī)的推力和控制力的影響甚微。

分布式電力推進(jìn)技術(shù)靈活性的另一個優(yōu)點(diǎn)是可以考慮設(shè)計可快速開啟或關(guān)閉且可傾斜的旋翼。此方法可用于避免前飛過程中的邊流，飛行時的葉尖速度可以為大約直升機(jī)葉尖速度的一半，且不會造成葉片失速，從而從根本上降低噪聲。

垂直起降飛行器產(chǎn)生的噪聲和下洗氣流總量由其起飛和降落所需推力的大小決定。要使噪聲盡可能降低，就需要限制垂直起降飛行器的載客量，讓噪聲和下洗氣流不會過大。這一容量非常符合潛在的按需城市空中交通服務(wù)，且在本質(zhì)上和汽車(通常僅載1～4人) 相似。下洗氣流隨飛機(jī)重量增加而提高，因?yàn)樗屯七M(jìn)系統(tǒng)加速所必需的空氣量直接相關(guān)。噪聲同樣也隨功率增加而增加，重量每增加一倍，噪聲提高約3dB，這在現(xiàn)有直升機(jī)噪聲規(guī)律中也可以反映出來。但地面上的人們不太可能會關(guān)心它是輕型還是重型直升機(jī)，他們只關(guān)心每次產(chǎn)生的噪聲大小或下洗風(fēng)力。

除主旋翼外，直升機(jī)還有幾個其他噪聲來源：尾槳、發(fā)動機(jī)以及旋翼和其尾跡之間的氣流相互作用。由于這些噪聲所處頻帶不同，因此產(chǎn)生的響度比較各自的響度疊加在一起時要高，而分布式電力推進(jìn)技術(shù)則不同。相對于接近的頻率，相差很大的頻率產(chǎn)生的生理響度明顯較高，而且頻寬較寬的聲音聽起來更響，因?yàn)槿硕鷮⒏鱾€頻帶作為獨(dú)立的噪聲源進(jìn)行處理。這種噪聲來源的組合使得人們難以想出辦法，將傳統(tǒng)直升機(jī)的噪聲水平降至與高速公路或其他城市地點(diǎn)相當(dāng)?shù)谋尘霸肼曀?。采用分布式電力推進(jìn)技術(shù)的垂直起降飛行器沒有配置燃油發(fā)動機(jī)，可以利用多個旋翼的轉(zhuǎn)矩變化而非尾槳來實(shí)現(xiàn)偏航控制。

低排放水平

任何新型的城市交通方式顯然應(yīng)該為環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展負(fù)責(zé)。全電動垂直起降飛行器的設(shè)計提供了具有吸引力的解決方案，原因是所需電力來源是風(fēng)能和太陽能等可再生能源，可以在飛行中的碳排放量為零，提供一種顯著降低碳排放的途徑。

要讓城市居民歡迎城市航空交通解決方案進(jìn)入其城市，需要盡量將整個服務(wù)過程中(從飛機(jī)到持續(xù)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營) 對當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)所造成的環(huán)境影響降低至零。電動垂直起降飛行器是這種解決方案中必不可少而且也是令人期待的一部分，因?yàn)樗鼈儾坏邆浣煌ǚ?wù)能力而且在當(dāng)?shù)氐呐欧艦榱悖瑫r有助于摒棄各種基于碳?xì)浠衔锏姆桨浮?/p>

圖3 采用多旋翼的無人駕駛載人飛行器不僅安全性高，而且擁有較低的噪聲水平

影響交通服務(wù)生命周期排放量的因素不僅包括能源的排放，還包括飛機(jī)本身所需的(每人每英里) 能量。由于電動發(fā)動機(jī)的效率大約是內(nèi)燃機(jī)或小型渦輪軸發(fā)動機(jī)效率的3～4倍，因此與現(xiàn)有小型飛機(jī)和直升機(jī)相比，電動飛機(jī)實(shí)際消耗的能源大幅減少。與直升機(jī)相比，電動發(fā)動機(jī)的集成自由度可使其他能源消耗減少約三分之一以上。

飛行性能

巡航與懸停效率

垂直起降飛行器的運(yùn)行包括起飛時以大滑翔道傾角迅速攀升，達(dá)到高達(dá)幾千英尺的巡航高度，然后在行程結(jié)束時減速垂直降落。懸停時間可能需要限制在1min之內(nèi)，大多數(shù)垂直起降過程在大約30s內(nèi)完成。

與之相對應(yīng)的是，直升機(jī)是專為軍事和多用途而設(shè)計的，需要持續(xù)懸停較長時間(搜尋和救援、電力線路檢修、在毫無準(zhǔn)備的位置起降等) 。因此，目前直升機(jī)的設(shè)計重在優(yōu)化懸停效率，而非巡航能力。垂直起降飛行器需要將更多的時間用于巡航，這就引出了一個問題：如何優(yōu)化這種直升機(jī)以在短時間懸停與長時間巡航之間合理分配能量。

飛機(jī)利用機(jī)翼和螺旋槳實(shí)現(xiàn)高效巡航飛行，而直升機(jī)即使在巡航時也是利用旋翼升力和效率很低的旋翼傾斜實(shí)現(xiàn)前飛。決定是否使用機(jī)翼或旋翼的設(shè)計權(quán)衡主要取決于速度、航程和懸停要求，以及在著陸區(qū)的設(shè)計限制。隨著分布式電力推進(jìn)技術(shù)的垂直載人飛行器設(shè)計逐漸成熟，可能會產(chǎn)生一系列方案，從固定式多旋翼設(shè)計到傾轉(zhuǎn)旋翼、再到各種吹氣襟翼飛機(jī)。

圖4 要讓城市居民歡迎城市航空交通解決方案進(jìn)入其城市，需要盡量將整個服務(wù)過程中(從飛機(jī)到持續(xù)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營) 對當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)所造成的環(huán)境影響降低至零

在優(yōu)步公司的示例通勤場景中，在15～20min巡航中，加速到利用機(jī)翼升力巡航飛行，大大降低了巡航功率，用以彌補(bǔ)1min起降需要的功率。直升機(jī)設(shè)計師可以考慮整體節(jié)能效果，對飛行的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生有利影響，而且有助于重新平衡從懸停到巡航效率在設(shè)計中的優(yōu)先級。未來的垂直起降飛行器可能重新調(diào)整設(shè)計以用于不同的基礎(chǔ)設(shè)施，以及可能需要更長懸停時間及更短平均行程距離的主要用例。

雖然在很多人的印象中，電動飛機(jī)的速度比較低，但對根據(jù)美國國家航空航天局的的研究表明，由分布式電力推進(jìn)技術(shù)提供動力的提升配置支持超過150mi/h的高速巡航解決方案。

目前的直升機(jī)設(shè)計表現(xiàn)為重視懸停效率的產(chǎn)品解決方案，因?yàn)槠淇蛻袅?xí)慣了這一功能。直升機(jī)所具備的高度操作靈活性對很多任務(wù)來說非常重要，但提高靈活性的巨大代價是噪聲提高，成本增加，而且尤為重要的是會降低巡航效率。

速度和航程

垂直起降飛行器的拼機(jī)網(wǎng)絡(luò)最終將需要各種類型的飛機(jī)，正如目前為客戶提供的拼車服務(wù)一樣。具有不同速度和運(yùn)營航程的垂直起降飛行器將應(yīng)運(yùn)而生。適合短程(50mile以內(nèi)) 的垂直起降飛行器的速度不需要與滿足長途通勤者需求的垂直起降飛行器的速度一樣。所謂長途通勤者是指如“美國超級通勤者普查”和“紐約大學(xué)超級通勤者研究”中規(guī)定的每天行程不少于100mile的人。美國的超級通勤者數(shù)量正快速增長，符合這一描述的通勤者人數(shù)有60多萬名。

圖5 實(shí)現(xiàn)大型電池組的快速充電是無人駕駛載人飛行器的重要性能

運(yùn)營商在考慮影響未來服務(wù)的參數(shù)時，很明顯，速度受到一般地面速度的制約，卻要憑借門到門的速度優(yōu)勢與其他交通方式展開競爭。這表明，需要確定一種有效的速度(決定了客戶往返垂直起降場時的地面交通時間) ，要至少達(dá)到兩倍的門到門速度優(yōu)勢。美國國家航空航天局和麻省理工學(xué)院的城市垂直起降研究表明，在高度擁擠的都市區(qū)域，垂直起降飛行器的速度可在高峰時段達(dá)到其他交通工具的3～4倍。由于很大程度上取決于當(dāng)?shù)亟煌顩r，因此很難確定具體的速度要求。研究表明，分布式電力推進(jìn)技術(shù)在速度為150～200mile/h時效率最高。

美國聯(lián)邦航空局規(guī)定高度在10000ft以下的飛行活動的速度上限是287mile/h。在某些敏感的地理位置，美國聯(lián)邦航空局將這一速度上限降至230mile/h(如華盛頓特區(qū)) 。一方面需要低速高效，一方面希望提高飛機(jī)利用率以將成本分?jǐn)偟礁嗬锍讨?，要在兩者之間進(jìn)行平衡，結(jié)果可能是一種折中，即垂直起降飛行器的速度在150～230mile/h之間會比較合理。很少有直升機(jī)的飛行速度可以達(dá)到這一水平，且無法在合理的效率下做到這一點(diǎn)。

目前的通勤情況表明，短期內(nèi)最小的有效垂直起降范圍是以最大速度完成兩次50mile的行程，并由足夠的能量可供兩次起降，同時還滿足美國聯(lián)邦航空局的儀表飛行規(guī)則30min的儲備能量規(guī)定。通過與美國聯(lián)邦航空局和國際保險經(jīng)理人協(xié)會合作，飛機(jī)制造商也許可以為制造航程更短儲能要求更低的電動飛機(jī)打下基礎(chǔ)，因?yàn)檫@樣的飛機(jī)有很多備選降落位置，而且在較短飛行時間內(nèi)應(yīng)對天氣變化的不確定性降低。要滿足這一航程要求，就需要電池至少需要保持20%的電量以確保較長的使用壽命。這種類型的任務(wù)與以最佳航程飛行速度執(zhí)行200mile單程行程的能源要求相似。

電池性能

優(yōu)步公司認(rèn)為，垂直起降飛行器設(shè)計可以實(shí)現(xiàn)升阻比大于10(理想范圍是12～17) 、電池的比能量為400W·h/kg的巡航空氣動力效率。電動垂直起降飛行器可能會使用大型電池組，4座的飛行器配備140k·Wh的電池組。使用大型電池組可確保很好地匹配電池比功率，以實(shí)現(xiàn)較高的比能量。要提高飛機(jī)利用率，就要求在執(zhí)行多個平均行程距離之后再充電，從而為使用大型電池組提供進(jìn)一步支持。從本質(zhì)上講，這與特斯拉比照其他汽車設(shè)計電動汽車的方式相似，采用更大的電池組并改進(jìn)比能量，因?yàn)榉烹娦适怯邢薜?。如果垂直起降飛行器的基礎(chǔ)設(shè)施支持在各次行程之間，抓緊乘客登機(jī)和下機(jī)的幾分鐘時間，使用高壓快速充電器完成再充電，則行程范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。

尤其令人興奮的是，美國能源部的“Battery 500”計劃將在未來5年內(nèi)投入5000萬美元，研發(fā)500W·h/kg的電池以及350kW大容量充電器。美國在鋰金屬電池領(lǐng)域的研究正在努力實(shí)現(xiàn)1000次循環(huán)壽命，同時將每千瓦時成本降低到100美元以內(nèi)。如果可以將成本控制在這一范圍內(nèi)，這樣的循環(huán)壽命是極易被接受的。同樣令人興奮的是，高能充電器將能夠在短短10min之內(nèi)完成再充電。

未來，脈沖充電器的研究已經(jīng)證明可以改善循環(huán)壽命，并且能隨著時間推移維持改進(jìn)后的最大充電容量。實(shí)現(xiàn)大型電池組的快速充電和實(shí)現(xiàn)高比能量電池同等重要，甚至更為重要。

有效載荷

有效載荷重量(或者說乘客的數(shù)量) 決定著飛機(jī)的整體大小。優(yōu)步公司預(yù)計，運(yùn)營初期還會需要飛行員，隨著時間推移，垂直起降飛行器很有可能會變?yōu)闊o人機(jī)。因此，最低標(biāo)準(zhǔn)是兩座垂直起降飛行器，也就是只能搭乘一名乘客。

更大的有效載荷將需要更大功率來進(jìn)行起降，同時也意味著噪聲更大。較大的飛機(jī)在結(jié)構(gòu)上更高效，且運(yùn)載的“乘客/飛行員比”更高，從而降低運(yùn)營成本。根據(jù)之前直升機(jī)噪聲敏感度與飛機(jī)大小的關(guān)系研究，最可能符合嚴(yán)格的社區(qū)噪聲限制的是可運(yùn)載少數(shù)乘客的小型垂直起降飛行器。

“美國旅游調(diào)查”跟蹤了與汽車運(yùn)輸利用率相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，針對一般的汽車類按需乘客出行工具的大小給出了合理指導(dǎo)建議。這些數(shù)據(jù)表明，對于100mile以內(nèi)的行程，超過70%的行程都是一個人，平均負(fù)載系數(shù)為1.3人。對于100mile以上的行程，超過59%的行程都是一個人，平均負(fù)載系數(shù)為 1.6人。

以前傳統(tǒng)的空中出租車的統(tǒng)計數(shù)據(jù)也非常相似。有關(guān)SATSAir和DayJet等公司負(fù)載系數(shù)的證據(jù)表明，4座和5座飛機(jī)的平均載客量達(dá)到了1.3～1.7。綜合以上各種因素，最適合作為城市無人駕駛載人飛行器的有效載荷容量是2～4座。

自主駕駛

自主駕駛的垂直起降飛行器將提高運(yùn)營的安全性，就像自主駕駛汽車有潛力減少汽車事故一樣。自主駕駛的垂直起降飛行器可能會在一段時間之后變成現(xiàn)實(shí)，因?yàn)橛脩艉捅O(jiān)管機(jī)構(gòu)會逐漸適應(yīng)這一技術(shù)，并看到證明自主駕駛比人類飛行員駕駛的安全性更高的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。和其他改進(jìn)一樣，要表明安全性相同或更高，直接的做法就是證明在部件發(fā)生故障(或操作錯誤) 時依舊能安全運(yùn)行。

為快速達(dá)到垂直起降飛行器可能的最安全操作狀態(tài)，垂直起降飛行器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商將努力尋找盡快實(shí)現(xiàn)完全自主駕駛的途徑。和地面交通工具相比，垂直起降飛行器的飛行環(huán)境更加開放、有序，只有在起降時會接近地面、建筑物和人員。雖然可能會有空域限制并且需要注意其他垂直起降飛行器，但和自主駕駛汽車(需要注意從建筑物到路上障礙物等方方面面，并且只有很短的反應(yīng)距離) 相比，垂直起降飛行器的自主化所面臨的挑戰(zhàn)似乎沒有那么令人畏懼。

自主駕駛的長期解決方案可能是將飛行員從機(jī)上轉(zhuǎn)移到地面上，優(yōu)步公司預(yù)計在技術(shù)成熟時，地面上的飛行員將能夠同時監(jiān)控和管理數(shù)架垂直起降飛行器。

在地面上設(shè)置自主化的備用傳感器也提供了一個盡早普及自主駕駛的途徑。由于垂直起降飛行器可組合使用各種備用方案，以確保運(yùn)營安全(遠(yuǎn)程飛行員和自主化垂直起降場的飛機(jī)飛行確認(rèn)) ，自主駕駛的垂直起降飛行器可能會快速發(fā)展，甚至可能超過汽車或不依賴高度結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化的垂直起降場和垂直起降站基礎(chǔ)設(shè)施的飛機(jī)的發(fā)展速度。

認(rèn)證

無論在哪一個國家/地區(qū)運(yùn)營，無人駕駛載人飛行器都必須先符合主管航空安全的航空管理機(jī)構(gòu)的規(guī)定，并獲得認(rèn)證。這些規(guī)定為飛行器設(shè)計、生產(chǎn)、駕駛執(zhí)照發(fā)放，以及維護(hù)和運(yùn)營要求確立了標(biāo)準(zhǔn)。

制定認(rèn)證路徑包括幾個步驟。首先，監(jiān)管機(jī)構(gòu)和制造商必須就認(rèn)證依據(jù)達(dá)成一致。認(rèn)證依據(jù)是指適用于特定飛機(jī)的一套規(guī)則。其次，監(jiān)管機(jī)構(gòu)和制造商必須就如何根據(jù)認(rèn)證依據(jù)判斷飛機(jī)的合規(guī)性達(dá)成一致。再次，制造商證明飛行器符合監(jiān)管機(jī)構(gòu)所接受的標(biāo)準(zhǔn)以獲得型號認(rèn)證，這是一個反復(fù)進(jìn)行的過程。完成型號認(rèn)證之后，制造商便可以開始制造，與此同時，制造商要取得生產(chǎn)證書以證明其具備大量生產(chǎn)符合同一標(biāo)準(zhǔn)的飛機(jī)的能力。

商業(yè)銷售或使用的飛機(jī)在生產(chǎn)之前都要求獲得研發(fā)實(shí)驗(yàn)類別的特殊適航證書。這在有人駕駛飛機(jī)的開發(fā)過程中是很短的一段時間，期間還要協(xié)商運(yùn)營限制以使飛行測試遠(yuǎn)離人口密集地區(qū)。

圖6 最適合作為城市無人駕駛載人飛行器的有效載荷容量是2 ～4座。

圖7 地面上的飛行員將能夠同時監(jiān)控和管理數(shù)架自主駕駛的垂直起降飛行器

加快認(rèn)證速度

一直以來，對于簡單的端到端認(rèn)證過程(型號和生產(chǎn)認(rèn)證) ，例如，新型常規(guī)通用航空飛機(jī)的認(rèn)證，獲得型號證書大約需要2～3年的時間，另外還需一年時間獲得新的生產(chǎn)證書。但是，新型飛機(jī)的推出需要新的認(rèn)證，可以與型號證書認(rèn)證同時進(jìn)行，這會將端到端認(rèn)證過程延長至 4 ～ 8年。

優(yōu)步公司認(rèn)為，發(fā)現(xiàn)加快無人駕駛載人飛行器認(rèn)證，可以更快加速按需城市空中交通服務(wù)的上市時間。首先，拼機(jī)服務(wù)是一種非常具體的用例。優(yōu)步公司非常了解客戶的需求，優(yōu)步公司在全球坐擁龐大的客戶群，大部分客戶非常希望這一愿景能在今天就成為現(xiàn)實(shí)。其次，對于無人駕駛載人飛行器的認(rèn)證，美國聯(lián)邦航空局和歐洲航空安全局(EASA)將很快采用ASTM 44規(guī)范，取代第23部(針對小型固定翼飛機(jī)的規(guī)定) 。一旦該規(guī)范得到普及，就將打開在此美國聯(lián)邦航空局框架下為無人駕駛載人飛行器制定標(biāo)準(zhǔn)的大門。第三，飛機(jī)制造商可以向美國聯(lián)邦航空局申請在確定型號認(rèn)證依據(jù)之前，為其飛機(jī)頒發(fā)試驗(yàn)適航證書。這樣的審批過程非常簡便，可以讓飛機(jī)在受限情況下飛行，例如，僅搭載機(jī)組人員、不從事營利性運(yùn)營。隨著飛行時間的積累，可以放寬一些限制以實(shí)現(xiàn)示范飛行。驗(yàn)證飛行可以證明一些影響運(yùn)營認(rèn)證的功能和特性，而且對于公眾了解并接受這些飛機(jī)產(chǎn)生的極低噪聲是至關(guān)重要的。第四，一直以來，美國聯(lián)邦航空局和EASA在等效安全水平這一概念方面的表現(xiàn)都很積極，允許不直接遵守標(biāo)準(zhǔn)要求，而是通過提供證據(jù)證明可以通過其他方式實(shí)現(xiàn)同等安全水平。例如，這種方法非常適用于飛行器的全自主駕駛。飛行員駕駛通過認(rèn)證之后，便可以推出自主駕駛系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集，證明自主駕駛飛行至少與飛行員駕駛一樣安全的統(tǒng)計學(xué)意義。這樣做可以避免非常漫長的自主駕駛標(biāo)準(zhǔn)制定過程，同時向美國聯(lián)邦航空局提供統(tǒng)計學(xué)方面的安全證據(jù)，讓美國聯(lián)邦航空局有信心向前推進(jìn)。

運(yùn)營商認(rèn)證

美國的商用空中出租車服務(wù)在第135部的監(jiān)管范圍內(nèi)，這部法規(guī)允許定期的通勤航班以及非定期(按需) 的空中出租車航班。優(yōu)步公司預(yù)計，飛機(jī)在可以按照型號證書生產(chǎn)后，這些規(guī)則將無需針對無人駕駛載人飛行器進(jìn)行大的改動。個人可以以單人飛行員經(jīng)營者的身份獲得簡化的證書，或者允許擁有多名在職飛行員、主管運(yùn)營和維護(hù)的主管以及首席飛行員的公司按照第135部法規(guī)開展運(yùn)營。

飛行員培訓(xùn)

目前，美國按照第135部運(yùn)營要求，持有商業(yè)機(jī)長在目視飛行規(guī)則操縱下機(jī)長飛行時間不少于500h，儀表飛行規(guī)則下的機(jī)長飛行時間不少于1200h。無人駕駛載人飛行器的飛行員可以是擁有固定翼飛機(jī)或者直升機(jī)飛行經(jīng)驗(yàn)的飛行員，機(jī)長總飛行時間要求可以包括駕駛?cè)我环N飛機(jī)的時間。

具有自主駕駛功能的無人駕駛載人飛行器將顯著改變飛行員的技能要求。目前，飛行員必須比照目標(biāo)航線監(jiān)控飛機(jī)軌跡，調(diào)整很多飛機(jī)狀態(tài)參數(shù)以使軌跡和目標(biāo)航線保持一致。自主駕駛是指飛行器能夠自主做出這些調(diào)整，飛行員的指令僅限于控制所需軌跡。

優(yōu)步公司認(rèn)為，早期成功運(yùn)營之后，由于飛行員的操作任務(wù)負(fù)擔(dān)減輕，任務(wù)范圍縮減，對飛行員在傳統(tǒng)飛行操作方面的經(jīng)驗(yàn)要求會有所降低。

在飛行員培訓(xùn)中，飛行員要獲得認(rèn)證，需要證明具備處置故障模式、在惡劣狀況下繼續(xù)安全飛行的能力。一般的私人飛行員花8～10h學(xué)習(xí)基本的操作動作，其余時間則學(xué)習(xí)處置失速、跑道條件差、側(cè)風(fēng)操作、發(fā)動機(jī)故障等非正常的飛行情況。商業(yè)飛行員和儀表飛行員也是如此，他們駕駛的飛機(jī)復(fù)雜程度更高，精確度更好。