步入現(xiàn)實(shí)的未來(lái)空中交通

邱宸宇

科幻電影中，穿梭于未來(lái)城市樓宇間的三維交通往往令人印象深刻。近年來(lái)，隨著電氣化、自動(dòng)化、垂直起降等新技術(shù)的不斷發(fā)展，新型飛行器正在從設(shè)計(jì)師的腦海走向現(xiàn)實(shí)。

新型飛行器能夠以垂直方式起降，可以以100km/h的速度在城市內(nèi)穿梭，以300km/h的速度在城市間運(yùn)行。設(shè)想一下，如果你需要從上海陸家嘴到浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)，兩地間的直線距離為30km，乘坐地鐵需要1小時(shí)，駕車(chē)需要50分鐘，而使用空中交通則僅需20分鐘。如果此時(shí)你需要從上海陸家嘴到杭州市上城區(qū)，直線距離170公里，駕車(chē)或者公共交通均需約2.5小時(shí)，而使用空中交通則僅需45分鐘。新型飛行器一樣可以應(yīng)用于貨物運(yùn)輸，例如在不同醫(yī)院、不同城市之間調(diào)配關(guān)鍵儀器、緊急藥品等，能夠大幅減少運(yùn)輸時(shí)間。并且，新型飛行器的起降較少受場(chǎng)地約束，這使得農(nóng)村、偏遠(yuǎn)地區(qū)的快速運(yùn)輸成為可能。

這些基于新型飛行器的應(yīng)用統(tǒng)稱(chēng)為“未來(lái)空中交通”（Advanced Air Mobility， AAM）。未來(lái)空中交通不僅包括上述應(yīng)用場(chǎng)景，根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的定義，未來(lái)空中交通包括客貨運(yùn)及其他航空作業(yè)任務(wù)，例如航空巡視、航空搜救，也包括半徑在50km范圍內(nèi)的城市內(nèi)或農(nóng)村內(nèi)航空作業(yè)任務(wù)，遠(yuǎn)至幾百公里的不同城市之間、不同農(nóng)村之間，或城市與農(nóng)村之間的航空作業(yè)任務(wù)。新型飛行器可以由鋰電池、氫氧燃料電池或油電混動(dòng)提供動(dòng)力，采用垂直、短距或常規(guī)方式進(jìn)行起降。新型飛行器擁有多旋翼、固定翼+傾轉(zhuǎn)旋翼、固定翼+多旋翼+推進(jìn)螺旋槳等多種構(gòu)型，能采用有人或無(wú)人的駕駛方式。

新型飛行器技術(shù)特點(diǎn)

電氣化是新型飛行器的重要技術(shù)特點(diǎn)。與使用傳統(tǒng)能源（例如航空煤油、航空汽油）的飛行器相比，使用鋰電池的新型飛行器在運(yùn)行過(guò)程中將產(chǎn)生更少的溫室氣體。例如噴氣客機(jī)每客公里產(chǎn)生二氧化碳189g，傳統(tǒng)能源汽車(chē)產(chǎn)生142g，新能源汽車(chē)產(chǎn)生31g，而Lilium的電動(dòng)垂直起降飛行器只產(chǎn)生13g。電能的使用還使飛行器運(yùn)行成本大幅下降。例如Lilium的電動(dòng)垂直起降飛行器的運(yùn)行成本僅為傳統(tǒng)飛行器的一半。

分布式電推進(jìn)技術(shù)是新型飛行器的另一重要技術(shù)特點(diǎn)。使用分布式電推進(jìn)的原因是電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)功率有限，單臺(tái)電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法提供與傳統(tǒng)燃油航空發(fā)動(dòng)機(jī)一樣的輸出功率，所以新型飛行器需要使用多臺(tái)電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。每臺(tái)電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳工作，分布式電推進(jìn)由此產(chǎn)生。

飛行器運(yùn)行過(guò)程中的噪聲主要來(lái)自螺旋槳，一般而言，螺旋槳直徑越大，槳葉葉尖速度越高，噪聲越大。與傳統(tǒng)直升機(jī)相比，新型飛行器擁有更多的螺旋槳，每個(gè)螺旋槳直徑較小，即使螺旋槳轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，槳葉葉尖速度依然較低，因而噪聲較小。例如Joby Aviation S4樣機(jī)擁有6個(gè)螺旋槳，每個(gè)槳葉直徑約為2.9米，而傳統(tǒng)直升機(jī)R44主螺旋槳直徑達(dá)到了約10米;Joby Aviation S4起飛時(shí)100米處的噪聲為65分貝，巡航在100米上方時(shí)噪聲為40分貝。相比之下，人們?nèi)粘?duì)話時(shí)的聲音約為50分貝，交通密集的公路上的噪聲約為70分貝，傳統(tǒng)直升機(jī)在100米上方運(yùn)行時(shí)的噪聲高達(dá)93分貝。也就是說(shuō)，當(dāng)新型飛行器飛過(guò)頭頂時(shí)，人們基本聽(tīng)不到它的噪聲。此外，擁有更多的發(fā)動(dòng)機(jī)使得飛行更加安全。新型飛行器擁有6至36個(gè)電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，而傳統(tǒng)直升機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)只有1至2個(gè)，因此單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)故障時(shí)對(duì)新型飛行器的飛行安全影響更小。

未來(lái)空中交通生態(tài)體系

單一的新型飛行器不足以使未來(lái)空中交通走進(jìn)現(xiàn)實(shí)，只有當(dāng)未來(lái)空中交通的整個(gè)生態(tài)體系都完善以后，新型飛行器才可能投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。未來(lái)空中交通的生態(tài)體系可以分為以下四部分：飛行器制造商、飛行器運(yùn)營(yíng)商、空中交通管理部門(mén)和垂直起降機(jī)場(chǎng)。

對(duì)于飛行器制造商而言，雖然新技術(shù)正日益成熟，但依舊有很多技術(shù)難點(diǎn)需要解決。其中之一是提升電池能量密度?，F(xiàn)階段航空用鋰電池的能量密度只有約0.33kWh/Kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于航空燃油的11kWh/Kg，這就決定了目前純電新型飛行器航程有限，一般不超過(guò)400千米。使用分布式電推進(jìn)技術(shù)也需要開(kāi)發(fā)新的飛行控制程序。此外，確保飛行器的安全性也將是一個(gè)很大的考驗(yàn)。政府的航空主管部門(mén)對(duì)新型飛行器的安全性提出了嚴(yán)格的要求，例如歐洲航空安全局（EASA）提出新型飛行器需要達(dá)到與大型商用客機(jī)相同的安全性。

對(duì)于飛行器運(yùn)營(yíng)商而言，雖然新型飛行器運(yùn)行成本低，但其初始購(gòu)置費(fèi)用昂貴，一架新型飛行器的目錄價(jià)格可能超過(guò)200萬(wàn)美元。初始階段的人員培訓(xùn)、市場(chǎng)推廣等費(fèi)用，以及市場(chǎng)的不確定因素等都需要由飛行器運(yùn)營(yíng)商承擔(dān)。

新型飛行器對(duì)空中交通管理部門(mén)將會(huì)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。將來(lái)，人們可以像打的一樣使用未來(lái)空中交通，這就使得未來(lái)空中交通的航線與傳統(tǒng)的航線大不相同。對(duì)于通用航空而言，傳統(tǒng)的航線計(jì)劃一般需要提前一天申報(bào)，而未來(lái)空中交通的航線計(jì)劃可能是臨時(shí)產(chǎn)生，且會(huì)在飛行途中變更。無(wú)人自動(dòng)駕駛飛行器也是未來(lái)空中交通的重要組成部分，因此空中交通管理部門(mén)需要考慮地面-無(wú)人自動(dòng)駕駛飛行器、有人-無(wú)人自動(dòng)駕駛飛行器、無(wú)人-無(wú)人自動(dòng)駕駛飛行器之間的空中交通管理問(wèn)題。

機(jī)場(chǎng)是未來(lái)空中交通生態(tài)體系中重要的因素之一。垂直起降機(jī)場(chǎng)的建造是一筆巨大的投資，因而不僅需要考慮機(jī)場(chǎng)服務(wù)于未來(lái)空中交通生態(tài)體系的功能，還需要考慮其自身的商業(yè)效益。與此同時(shí)，垂直起降機(jī)場(chǎng)的起降航線需要詳細(xì)規(guī)劃，在市中心的垂直起降機(jī)場(chǎng)的起降航線需要避開(kāi)高樓及密集人群，在大型機(jī)場(chǎng)周邊的垂直起降機(jī)場(chǎng)則需要考慮其起降航線對(duì)現(xiàn)有商業(yè)運(yùn)輸航線的影響。

國(guó)內(nèi)外行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，未來(lái)空中交通在全球迅速發(fā)展。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）、歐洲航空安全局、中國(guó)民航局都為新型飛行器補(bǔ)充了專(zhuān)用的適航審定文件。韓國(guó)、日本則制定了國(guó)家層面的未來(lái)空中交通產(chǎn)業(yè)政策。

空客、波音和巴航工業(yè)等傳統(tǒng)航空巨頭正在使用自有資金參與此領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)，而此領(lǐng)域的初創(chuàng)企業(yè)已超過(guò)40家。排名前10的電動(dòng)垂直起降飛行器制造商，包括Joby Aviation、Lilium、Bell和Volocopter，已獲得超過(guò)50億美元的投資，并公布了要在2024年之前完成飛行器適航審定的進(jìn)度表。國(guó)內(nèi)方面，億航、小鵬匯天、峰飛科技均推出了全尺寸樣機(jī)，并且中國(guó)民航局已經(jīng)開(kāi)始受理億航和峰飛科技的適航審定申請(qǐng)。

飛行器運(yùn)營(yíng)商同樣在準(zhǔn)備進(jìn)入此領(lǐng)域。美國(guó)航空宣布訂購(gòu)至多250架電動(dòng)垂直起降飛行器，該訂單交易額可達(dá)10億美元。美國(guó)貨運(yùn)巨頭UPS正在訂購(gòu)貨運(yùn)型號(hào)的電動(dòng)垂直起降飛行器。國(guó)內(nèi)貨運(yùn)巨頭順豐與Pipistrel公司合作研發(fā)無(wú)人混動(dòng)垂直起降飛行器，順豐預(yù)計(jì)在未來(lái)10年內(nèi)將運(yùn)營(yíng)超過(guò)1000架無(wú)人垂直起降飛行器。

相信在不久的將來(lái)，未來(lái)空中交通定會(huì)走進(jìn)我們的生活。（本文圖片由作者提供）