论文部分内容阅读
1924年7月，著名飞行员、赛车手和汽车设计师里肯巴克在《大众科学》上發表了一篇名为《未来20年的飞行汽车》的署名文章，首次向世人描述了飞行汽车的设想。从那时起，几代读者都在等待着这一新鲜事物的横空出世。
时隔近一个世纪后，尽管飞行汽车还没出现在城市上空，但不可否认，它已经离我们渐行渐近了。在2017年的巴黎航展上，著名航空航天孵化企业“星光加速器”（该企业由空客电气工程师兼航空航天战略顾问弗朗索瓦·肖邦在巴黎创办）发布了一份39页的城市空运发展研究报告，报告指出，一场城市空中运输革命将席卷全球。就像共享单车、自动驾驶汽车等正在重新定义地面交通运输一样，城市空中运输在未来5年将会被大量的小型飞行器所占据。大量的小型城市飞行器正在从原型机阶段走向飞行测试，并努力在不久的将来实现商业化运营。
城市空中机动系统
如今，绿色航空已经成为了行业的风向标。在此背景下，为了解决城市交通拥堵问题，开发第三维空间市场已经成功吸引了飞机制造商们的关注。传统的干线、支线飞机制造商，如空客和巴航工业等都已经高调进入小型通用飞机领域，并且他们都为自己制定了力争在2025年前生产出城市空中机动（UAM）系统一系列产品的目标。尤为值得关注的是，与传统大型飞机在相关关键技术成熟度达到一定等级后才启动研制项目的方法不同，飞机制造商们对这种高度创新的产品采取了更加激进的研发方式，这也体现出传统飞机制造商对于这一领域的看好。
其中，空客公司认为，垂直起降技术可以大大缓解城市交通拥堵的问题。在空客的产品设想中，这类飞行器与里肯巴克的设想基本一致，它既能够在地面上像汽车一样行驶，又可以像旋翼无人机一样在空中飞行，通过利用空中交通智能化和立体化解决平面交通拥挤问题。目前，空客共有3个垂直起降飞机项目在同时推进，分别是Pop.Up，Vahana和City Airbus。
Pop.Up是由空客和Italy design汽车设计公司合作研制的陆空两用车，在今年的日内瓦车展上进行了首次公开展示。Pop.Up由三个部分构成，上面部分是一个5米×4.4米的空中运输模块，由8个反向旋转的旋翼推动；中间部分是可供两人乘坐的客舱；底部则是自动驾驶汽车底盘。Pop.Up由碳纤维材料制成，完全由电力驱动，一次充电只需要15分钟，充满电后续航里程可达到130公里。用户在使用Pop.Up时，可以通过应用程序选择目的地并确定最佳路线，当遇上交通拥堵时，顶部的飞行模块将携带客舱离开地面快速飞往目的地，最高时速可以达到100公里/小时。此次在日内瓦车展上推出的还只是一款概念车，空客预计最终投入运营还需要5～10年。
Vahana是空客提出的“空中出租车”项目，由空客在硅谷的创新中心A3进行研发。该项目2016年初正式启动，根据计划将在2017年底前进行全尺寸原型机飞行试验，2020年前推出量产原型机。Vahana与现在的商用飞机一样，将大面积采用复合材料，并采用前后可倾转的机翼气动布局，每个机翼上分别安装4个螺旋桨和分布式电动推进系统，既能垂直起降，也能水平飞行。座舱罩向上打开，可以容纳一名乘客或携带最多800kg的货物。飞机全程按预编航线自动驾驶，并且能够自动探测和回避障碍物以避免与其他飞行器相撞。
City Airbus项目由空客首席技术官保罗·埃雷蒙特直接领导，空客直升机公司负责具体的研发工作。该项目是一款4座、涵道风扇、有人驾驶的电推动垂直起降验证机，项目的主要目标是聚焦电推进系统能量密度的提高。这款验证机将采用特斯拉公司的自动驾驶模式，同时空客还在开发相应的辅助驾驶系统。
如果仔细对比空客开发的几款交通工具就会发现，空客的这3个项目关注的重点各不相同。Pop.Up和传统直升机相比，在构型上既有一些差异也有一些优势。直升机的一个大发动机在效率方面当然好于4个小型发动机。但是，Pop.Up可以通过调整4个不同风扇的推力，降低控制系统的复杂性和重量。City Airbus没有升力面只有风扇，因此它非常适合超短程直升直降。而Vahana有机翼且为斜翼，因此前进效率更高、速度更快，非常符合“城市出租车”的定位，更适用于城市通勤飞行。
另一个支线飞机制造商巴航工业公司则选择与优步合作，共同研发一款可以垂直起降的“飞行车”。目前，巴航工业还没有公开这款飞机的设计方案，公司表示现阶段的首要工作是开发一个包括登机抵达平台、空中飞行路线、空中管制和相应软件的“空中生态系统”。在完成这一系统的构建之后，巴航工业计划在今年正式开始研制工作。如果进展顺利，这款飞机有望在2020年迪拜世博会期间正式投入商业运营。
新的商业运营模式
在这场城市空运革命中，除了需要研发全新的飞机产品之外，商业运营模式的创新也是决定成败的关键。在这点上，美国知名的打车软件优步已经先行了一步。
2010年，优步公司成立时，公司的一个核心理念就是让用户能够实现“一键即乘”。尽管优步在中国市场有些“水土不服”，但是其在全球还是有着非常不错的表现。截至2017年5月，使用优步出行的乘客超过50亿人次，其分布于全球450个城市的客户每个月总使用数量超过6000万次。因此，优步希望能够将从专车、共享汽车这个新行业中学习到的经验应用到城市空中交通运输行业中。但同时，优步也意识到，城市空中运输市场与现在的直升机应需服务不同，以垂直起降飞机为代表的小型通用飞机规模将达到数百架，每天这些飞机在城市上空要飞行数以千次，这就要求飞机运营模式和城市空中交通管理模式都需要发生巨大的改变。
对此，优步公司制定了一个“三步走”的发展规划。第一步，在初期低密度运营期间，借鉴现有的直升机飞行路线和管理方法。第二步，是过渡的中等密度运营期。这个阶段需要借助探测和规避技术，帮助无人驾驶的小型飞机使用“接近目视飞行规则”进行运营的安全水平达到现在使用“仪表飞行规则”的程度。第三步，则是高密度运营阶段，在这个阶段将要求飞机具有基于空域管控的完全自主的行程安排和规划能力，同时满足飞机防撞协调、意外事故管控等要求。飞行的最初/最后50英尺要求飞机自主起飞和降落能力，同时能保证在垂直起降机场多架飞机同时、安全地运营。 但优步的这一战略规划能否得以实现的关键是空域管理的问题。目前，优步规划的城市空中运输将涉及B类空域的飞行。在美国，这类空域属于终端管制区（terminal control area），是为加强主要繁忙机场终端区范围内的交通管制，减小空中相撞的危险划设的空域。目前在美国B类空域在30个城市都包含了主要机场的周边区域，而在这样的环境中飞行需要空中交通控制（ATC）的许可。优步企图在无人交通管理系统（UTM）上建立运营网络，而NASA、FAA及其他机构开发UTM的初衷就是为了使第三方企业的商业飞行不给ATC增加负担。UTM将自动识别并授权对B类空域的使用，同时提供基于云技术的行程安排、监视和防撞服务。但是，UTM是為管理飞行高度低于400英尺的小型无人机而开发的——包括城市物流无人机，垂直起降类飞机并不在该系统的管控之内。
空客公司在商业模式的创新上，没有选择与第三方进行合作，而是自己开始了尝试。它们希望自己能够像滴滴和优步一样，未来在城市空中运输系统中拥有更强的话语权。
如今，空客已经在巴西圣保罗推出了用于直升机服务的即时预定平台——Voom。之所以选择圣保罗作为试验城市是因为，该地区目前是南美洲最大的城市之一，地面交通拥堵的问题十分严重。在当地，直升机已经成为了一种非常重要的出行方式。目前，该地区进行商业运营的直升机超过700架，拥有200多个可供直升机起降的停机坪和完善的直升机空中管理系统。
空客公司Voom平台一个非常重要的作用就是让乘客使用直升机变得更加方便和快捷。过去，租用一架直升机的手续非常繁琐，准入门槛很高，但有了Voom平台之后，乘客只需要提前半个小时打开这一软件，输入出发地和目的地，随后便会有专车将乘客接到最近的直升机停机坪准备出发，在抵达目的地停机坪后，也会有汽车将乘客送往最终的目的地。如今，在圣保罗空客Voom已经获得了约80%的直升机运营商的独家使用许可，这些运营商都拥有空中运输资格。Voom已成为圣保罗最经济的直升机服务平台，与传统的直升机运输服务相比价格降低了约80%，与租车服务的价格相当。
技术与文化的挑战
尽管城市空中运输的畅想在未来可以让人们的出行变得更加便利，但是这场头脑风暴真正变为现实还需要攻克很多难关，这其中不仅有技术上的难题，还有大众对这一新型航空器的接受程度。
首先是这类飞机的安全性问题。目前从制造商的角度来看，在电垂直起降飞机的动力传动系统中，无论是能源、传输总线、电子器件、电机等的设计都冗余设计。其中分布式电推进带来的冗余设计以及部分自主飞行带来的飞行员辅助功能更是被视为关键的安全保障。从监管来看，这类飞机也都必须通过FAA23部和EASA CS-23部，甚至更严苛的审查之后才能投入市场。
其次是电池技术的问题。目前的电池技术已经可以为电动垂直起降飞机的原型机提供足够动力，但离真正的商业化应用还有较大的差距。电池的能量密度决定了飞机能在空中飞行多长时间。但是充电次数、安全寿命、成本等也是十分关键的指标，并且这些指标会互相影响，错综复杂。目前空客在Vahana飞机上使用的电池达到了300瓦时/千克，但业界专家表示，400瓦时/千克的电池才能满足大部分飞机的需求。然而目前，供应商在电池性能的提升方面，每年只能以5%左右的速度进步，因此电池技术的发展还有很长的路要走。
第三则是噪音问题。在美国，由于发动机、主桨和尾桨发出的噪音，使得很多直升机的运营被限制，甚至取消。未来，垂直起降飞机如果不能解决好噪音问题，势必将成为这类飞行器在城市飞行的巨大障碍。目前，一些制造商希望能够在2025年前，将垂直起降飞机的噪音控制在70分贝左右，即中型卡车在居民区所产生的噪音分贝。但最终这个目标是否能够实现，未来还有待观察。
时隔近一个世纪后，尽管飞行汽车还没出现在城市上空，但不可否认，它已经离我们渐行渐近了。在2017年的巴黎航展上，著名航空航天孵化企业“星光加速器”（该企业由空客电气工程师兼航空航天战略顾问弗朗索瓦·肖邦在巴黎创办）发布了一份39页的城市空运发展研究报告，报告指出，一场城市空中运输革命将席卷全球。就像共享单车、自动驾驶汽车等正在重新定义地面交通运输一样，城市空中运输在未来5年将会被大量的小型飞行器所占据。大量的小型城市飞行器正在从原型机阶段走向飞行测试，并努力在不久的将来实现商业化运营。
城市空中机动系统
如今，绿色航空已经成为了行业的风向标。在此背景下，为了解决城市交通拥堵问题，开发第三维空间市场已经成功吸引了飞机制造商们的关注。传统的干线、支线飞机制造商，如空客和巴航工业等都已经高调进入小型通用飞机领域，并且他们都为自己制定了力争在2025年前生产出城市空中机动（UAM）系统一系列产品的目标。尤为值得关注的是，与传统大型飞机在相关关键技术成熟度达到一定等级后才启动研制项目的方法不同，飞机制造商们对这种高度创新的产品采取了更加激进的研发方式，这也体现出传统飞机制造商对于这一领域的看好。
其中，空客公司认为，垂直起降技术可以大大缓解城市交通拥堵的问题。在空客的产品设想中，这类飞行器与里肯巴克的设想基本一致，它既能够在地面上像汽车一样行驶，又可以像旋翼无人机一样在空中飞行，通过利用空中交通智能化和立体化解决平面交通拥挤问题。目前，空客共有3个垂直起降飞机项目在同时推进，分别是Pop.Up，Vahana和City Airbus。
Pop.Up是由空客和Italy design汽车设计公司合作研制的陆空两用车，在今年的日内瓦车展上进行了首次公开展示。Pop.Up由三个部分构成，上面部分是一个5米×4.4米的空中运输模块，由8个反向旋转的旋翼推动；中间部分是可供两人乘坐的客舱；底部则是自动驾驶汽车底盘。Pop.Up由碳纤维材料制成，完全由电力驱动，一次充电只需要15分钟，充满电后续航里程可达到130公里。用户在使用Pop.Up时，可以通过应用程序选择目的地并确定最佳路线，当遇上交通拥堵时，顶部的飞行模块将携带客舱离开地面快速飞往目的地，最高时速可以达到100公里/小时。此次在日内瓦车展上推出的还只是一款概念车，空客预计最终投入运营还需要5～10年。
Vahana是空客提出的“空中出租车”项目，由空客在硅谷的创新中心A3进行研发。该项目2016年初正式启动，根据计划将在2017年底前进行全尺寸原型机飞行试验，2020年前推出量产原型机。Vahana与现在的商用飞机一样，将大面积采用复合材料，并采用前后可倾转的机翼气动布局，每个机翼上分别安装4个螺旋桨和分布式电动推进系统，既能垂直起降，也能水平飞行。座舱罩向上打开，可以容纳一名乘客或携带最多800kg的货物。飞机全程按预编航线自动驾驶，并且能够自动探测和回避障碍物以避免与其他飞行器相撞。
City Airbus项目由空客首席技术官保罗·埃雷蒙特直接领导，空客直升机公司负责具体的研发工作。该项目是一款4座、涵道风扇、有人驾驶的电推动垂直起降验证机，项目的主要目标是聚焦电推进系统能量密度的提高。这款验证机将采用特斯拉公司的自动驾驶模式，同时空客还在开发相应的辅助驾驶系统。
如果仔细对比空客开发的几款交通工具就会发现，空客的这3个项目关注的重点各不相同。Pop.Up和传统直升机相比，在构型上既有一些差异也有一些优势。直升机的一个大发动机在效率方面当然好于4个小型发动机。但是，Pop.Up可以通过调整4个不同风扇的推力，降低控制系统的复杂性和重量。City Airbus没有升力面只有风扇，因此它非常适合超短程直升直降。而Vahana有机翼且为斜翼，因此前进效率更高、速度更快，非常符合“城市出租车”的定位，更适用于城市通勤飞行。
另一个支线飞机制造商巴航工业公司则选择与优步合作，共同研发一款可以垂直起降的“飞行车”。目前，巴航工业还没有公开这款飞机的设计方案，公司表示现阶段的首要工作是开发一个包括登机抵达平台、空中飞行路线、空中管制和相应软件的“空中生态系统”。在完成这一系统的构建之后，巴航工业计划在今年正式开始研制工作。如果进展顺利，这款飞机有望在2020年迪拜世博会期间正式投入商业运营。
新的商业运营模式
在这场城市空运革命中，除了需要研发全新的飞机产品之外，商业运营模式的创新也是决定成败的关键。在这点上，美国知名的打车软件优步已经先行了一步。
2010年，优步公司成立时，公司的一个核心理念就是让用户能够实现“一键即乘”。尽管优步在中国市场有些“水土不服”，但是其在全球还是有着非常不错的表现。截至2017年5月，使用优步出行的乘客超过50亿人次，其分布于全球450个城市的客户每个月总使用数量超过6000万次。因此，优步希望能够将从专车、共享汽车这个新行业中学习到的经验应用到城市空中交通运输行业中。但同时，优步也意识到，城市空中运输市场与现在的直升机应需服务不同，以垂直起降飞机为代表的小型通用飞机规模将达到数百架，每天这些飞机在城市上空要飞行数以千次，这就要求飞机运营模式和城市空中交通管理模式都需要发生巨大的改变。
对此，优步公司制定了一个“三步走”的发展规划。第一步，在初期低密度运营期间，借鉴现有的直升机飞行路线和管理方法。第二步，是过渡的中等密度运营期。这个阶段需要借助探测和规避技术，帮助无人驾驶的小型飞机使用“接近目视飞行规则”进行运营的安全水平达到现在使用“仪表飞行规则”的程度。第三步，则是高密度运营阶段，在这个阶段将要求飞机具有基于空域管控的完全自主的行程安排和规划能力，同时满足飞机防撞协调、意外事故管控等要求。飞行的最初/最后50英尺要求飞机自主起飞和降落能力，同时能保证在垂直起降机场多架飞机同时、安全地运营。 但优步的这一战略规划能否得以实现的关键是空域管理的问题。目前，优步规划的城市空中运输将涉及B类空域的飞行。在美国，这类空域属于终端管制区（terminal control area），是为加强主要繁忙机场终端区范围内的交通管制，减小空中相撞的危险划设的空域。目前在美国B类空域在30个城市都包含了主要机场的周边区域，而在这样的环境中飞行需要空中交通控制（ATC）的许可。优步企图在无人交通管理系统（UTM）上建立运营网络，而NASA、FAA及其他机构开发UTM的初衷就是为了使第三方企业的商业飞行不给ATC增加负担。UTM将自动识别并授权对B类空域的使用，同时提供基于云技术的行程安排、监视和防撞服务。但是，UTM是為管理飞行高度低于400英尺的小型无人机而开发的——包括城市物流无人机，垂直起降类飞机并不在该系统的管控之内。
空客公司在商业模式的创新上，没有选择与第三方进行合作，而是自己开始了尝试。它们希望自己能够像滴滴和优步一样，未来在城市空中运输系统中拥有更强的话语权。
如今，空客已经在巴西圣保罗推出了用于直升机服务的即时预定平台——Voom。之所以选择圣保罗作为试验城市是因为，该地区目前是南美洲最大的城市之一，地面交通拥堵的问题十分严重。在当地，直升机已经成为了一种非常重要的出行方式。目前，该地区进行商业运营的直升机超过700架，拥有200多个可供直升机起降的停机坪和完善的直升机空中管理系统。
空客公司Voom平台一个非常重要的作用就是让乘客使用直升机变得更加方便和快捷。过去，租用一架直升机的手续非常繁琐，准入门槛很高，但有了Voom平台之后，乘客只需要提前半个小时打开这一软件，输入出发地和目的地，随后便会有专车将乘客接到最近的直升机停机坪准备出发，在抵达目的地停机坪后，也会有汽车将乘客送往最终的目的地。如今，在圣保罗空客Voom已经获得了约80%的直升机运营商的独家使用许可，这些运营商都拥有空中运输资格。Voom已成为圣保罗最经济的直升机服务平台，与传统的直升机运输服务相比价格降低了约80%，与租车服务的价格相当。
技术与文化的挑战
尽管城市空中运输的畅想在未来可以让人们的出行变得更加便利，但是这场头脑风暴真正变为现实还需要攻克很多难关，这其中不仅有技术上的难题，还有大众对这一新型航空器的接受程度。
首先是这类飞机的安全性问题。目前从制造商的角度来看，在电垂直起降飞机的动力传动系统中，无论是能源、传输总线、电子器件、电机等的设计都冗余设计。其中分布式电推进带来的冗余设计以及部分自主飞行带来的飞行员辅助功能更是被视为关键的安全保障。从监管来看，这类飞机也都必须通过FAA23部和EASA CS-23部，甚至更严苛的审查之后才能投入市场。
其次是电池技术的问题。目前的电池技术已经可以为电动垂直起降飞机的原型机提供足够动力，但离真正的商业化应用还有较大的差距。电池的能量密度决定了飞机能在空中飞行多长时间。但是充电次数、安全寿命、成本等也是十分关键的指标，并且这些指标会互相影响，错综复杂。目前空客在Vahana飞机上使用的电池达到了300瓦时/千克，但业界专家表示，400瓦时/千克的电池才能满足大部分飞机的需求。然而目前，供应商在电池性能的提升方面，每年只能以5%左右的速度进步，因此电池技术的发展还有很长的路要走。
第三则是噪音问题。在美国，由于发动机、主桨和尾桨发出的噪音，使得很多直升机的运营被限制，甚至取消。未来，垂直起降飞机如果不能解决好噪音问题，势必将成为这类飞行器在城市飞行的巨大障碍。目前，一些制造商希望能够在2025年前，将垂直起降飞机的噪音控制在70分贝左右，即中型卡车在居民区所产生的噪音分贝。但最终这个目标是否能够实现，未来还有待观察。