2019年似乎是“空中的士”嶄露頭角的一年，人們開始重新討論起關(guān)于“飛行汽車”話題，越來越多的傳統(tǒng)飛機制造商和初創(chuàng)公司都開始加入研發(fā)“飛行汽車”的行列，大量資本的注入也讓這個原本平靜的市場暗流涌動，隨著各種概念圖和原型機的發(fā)布，我們不禁猜想，全民“打飛的”時代真的要到來了么？

　　城市的道路建設(shè)似乎永遠趕不上城市的發(fā)展，生活在如紐約，舊金山，東京和北京這樣人口稠密的大城市，人們被迫每天忍受著上下班高峰期擁堵的道路。數(shù)據(jù)顯示， 2018年僅在舊金山地區(qū)因為交通堵塞，全年人均損失近116個小時；而在巴黎，這個數(shù)字更是來到了237個小時。[1]

擁堵的城市道路　　公共軌道交通是一種有效解決城市擁堵的方法，然而軌道交通的發(fā)展受制于城市規(guī)劃、地質(zhì)條件，以及歷史文化等諸多因素影響，而且高昂的建造和維護成本也在一定程度上阻礙了軌道交通的發(fā)展。于是人們的目光開始由陸地轉(zhuǎn)移到了空中——

　　垂直起降飛行載具（Vertical Take-off and Landing Vehicle, VTOL），或者“空中的士”，似乎成了另一種有效的解決方案。

　　對于城市內(nèi)點對點運輸，提到垂直起降飛機，人們第一個想到的肯定是直升機。而Uber也已在今年7月推出Uber Copter約“飛的”服務(wù)，利用直升機將乘客從紐約曼哈頓下城區(qū)送到肯尼迪機場只需8分鐘，而在高峰期，這段路程開車可能需要2個小時。而相應(yīng)的，每位乘客也將為此付出約200美元的票價。同時，由于直升機巨大的噪音，較低的燃油效率，污染以及高昂的運輸成本，也很難使其作為公共交通工具大規(guī)模使用。

Uber Copter網(wǎng)約飛機　　于是，近兩年，我們看到越來越多的公司開始了自家垂直起降飛機的研發(fā)，其中不乏像波音、空客、貝爾這樣的傳統(tǒng)飛機制造商，也包括像Joby Aviation、Volocopter、億航這樣的初創(chuàng)公司。相較于傳統(tǒng)直升飛機，我們可以看到現(xiàn)階段的垂直起降飛機的設(shè)計可以說是各具特色，從旋翼的大小、位置、到推進方式等都有所不同。今天我們就結(jié)合Uber早前發(fā)表的「未來城市空中交通白皮書」[2]來聊一聊作為城市公共交通的垂直起降飛機的展望和技術(shù)挑戰(zhàn)。

空客CityAirbusJoby Aviation S2億航184　　一、城市垂直起降飛機網(wǎng)絡(luò)的展望

　　首先，相較于傳統(tǒng)地面交通需要鋪設(shè)長距離的道路、軌道、架設(shè)橋梁或開通隧道，垂直起降飛機可以利用現(xiàn)有的直升機停機坪、大型停車場頂樓，甚至高速路旁的空地作為其停靠站點，從而大大節(jié)省了前期基礎(chǔ)建設(shè)的成本。

　　其次，地面交通受限于道路建設(shè)，一次普通的交通事故或者路面施工就可能會造成大面積的交通擁堵，而垂直起降飛機擺脫了地面二維空間的束縛，因此路線規(guī)劃可以更加靈活，不太會因為突發(fā)情況造成延遲。

　　所以，城市垂直起降飛機網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)便有了它存在的意義。其之后的發(fā)展，按照Uber白皮書的規(guī)劃，第一步先利用現(xiàn)有的直升機停機坪等基建設(shè)施作為初始飛機?？奎c，從而減少飛機網(wǎng)絡(luò)的前期建設(shè)投入，再利用傳統(tǒng)地面交通完成“最后一英里”的運送。第二步，隨著量產(chǎn)飛機數(shù)量的提高，乘客的增多，停靠站點以及運營模式的不斷完善，乘客乘坐“空中的士”的成本將不斷降低，“打飛的”的費用將不會是阻礙人們選擇乘坐“空中的士”的原因。最后，隨著自動駕駛技術(shù)的發(fā)展，“空中的士”也將逐漸從需要駕駛員操控過度到無人駕駛，乘客的出行也將變得更加簡單靈活，也許到那時，打個“飛的”就會像現(xiàn)在叫網(wǎng)約車一樣輕松隨意。

Uber Air 空中的士[3]　　說了這么多美好的愿景，下面我們要聊聊造飛機和建設(shè)空中交通網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)和政策壁壘，以及可行的解決方案。

　　二、技術(shù)、政策壁壘和解決方案

　　1.安全性

　　如果想讓大眾廣泛接受“空中的士”，足夠高的安全性是前提條件。目前美國聯(lián)邦航空管理局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）規(guī)定的直升機和固定翼飛機的安全標準為每1億乘客英里（passenger miles）事故死亡人數(shù)低于1.2人。這個安全標準其實并沒有比開車出行高。因此想要大規(guī)模建設(shè)商用空中網(wǎng)絡(luò)，作為載具的飛機一定要比直升機安全很多，也要比地面交通安全性更高?，F(xiàn)階段的目標是將“空中的士”的設(shè)計安全性提高為直升飛機的4倍，也就是“低于0.3個死亡人數(shù)每1億乘客里程”。

“飛行車”試飛事故[4]　　據(jù)統(tǒng)計[5]，大部分飛行事故是由于駕駛員錯誤操作、惡劣天氣和空中管制未能提供實時監(jiān)控造成的?；谶@幾點，更先進的輔助駕駛系統(tǒng)或者全自動駕駛可以有效地降低人為失誤造成的事故。

　　機械故障是另一個造成飛機失事的重要原因，面對這個問題，分布式電動推進（Distributed Electric Propulsion，DEP）系統(tǒng)，也就是獨立多旋翼設(shè)計是一個很好的解決方案。使用多組獨立螺旋槳配合先進的控制系統(tǒng)驅(qū)動飛機，可以大大提高飛機的安全性和可操控性。遇到單個甚至多個動力單元失靈的情況，控制系統(tǒng)可以通過改變其他螺旋槳的角度以及轉(zhuǎn)速來平衡飛機，使飛機不至于完全失去動力。同時分布且獨立的動力系統(tǒng)可以為飛機帶來更靈活的操控體驗，更加適合在城市地區(qū)使用。

　　另外，和傳統(tǒng)飛機一樣，新的垂直起降飛機也會設(shè)計有全套的備用系統(tǒng)，保證在發(fā)生單一系統(tǒng)故障的時候飛機還可以正常運行。基于這些設(shè)計，未來的垂直起降飛機的可靠性將大大提高，有望實現(xiàn)兩倍于現(xiàn)有地面交通的安全性。

　　2.噪音

　　噪音在垂直起降飛機設(shè)計中似乎是一個容易被輕視卻極其重要的問題。沒有人愿意忍受每天幾百架飛機在頭頂上轟鳴，因此，要想實現(xiàn)大規(guī)模商用，每一架“空中的士”都要做到足夠的安靜。

　　把噪聲降低到現(xiàn)有地面交通噪聲的級別是垂直起降飛機的設(shè)計目標也是設(shè)計難點。Uber提出的目標是一架飛行在250英尺（76米）空中的飛機，其地面測量噪聲應(yīng)低于67分貝，這相當于7米遠外一輛豐田普銳斯以35英里每小時（56公里每小時）行駛時的噪聲，而早期的分析和模型數(shù)據(jù)認為這個目標可以實現(xiàn)。

　　同時，因為要在城市中起降，起降時的噪音控制又是一個重要的設(shè)計要求，飛機螺旋槳的設(shè)計、載重量、起降持續(xù)時間等等都是影響起降噪音的因素。另外，?？空军c的選擇也直接決定了飛機起降噪聲對周圍環(huán)境的影響。而這些標準也正在建立和完善中。

　　那如何降低飛機的噪聲呢？這里就不得不再次提到之前說的分布式電動推進系統(tǒng)。我們知道傳統(tǒng)直升飛機在飛行時會發(fā)出巨大的噪音，這個噪聲產(chǎn)生因素有很多，簡單來說，其多半來源于飛機螺旋槳劃過空氣產(chǎn)生的噪音。在一定轉(zhuǎn)速下，螺旋槳越大，其葉尖的線速度就越大，而不巧的是，槳葉產(chǎn)生的噪音和這個葉尖速度成指數(shù)關(guān)系（同時取決于槳葉形狀），如果能將葉尖的線速度降低三分之一，其噪聲可以減少24倍！而多槳葉的設(shè)計可以在保證足夠動力的前提下，大大減小每一片槳葉的長度和葉尖線速度，從而極大地降低了每只螺旋槳發(fā)出的噪音，而多個螺旋槳產(chǎn)生的總噪音可以粗略的理解為每個螺旋槳的噪聲線性疊加，依舊遠遠低于單螺旋槳產(chǎn)生的噪音。

Joby S4 旋翼空氣動力學仿真[6]　　對于傳統(tǒng)直升飛機，另一個重要的噪聲源便是發(fā)動機，其發(fā)出的噪聲和它的螺旋槳噪聲相當。相比之下，同功率的電動機其噪聲可以忽略不計。而且電動機結(jié)構(gòu)相對簡單，重量也輕，因此每只螺旋槳可以配備一個獨立電機，從而省去了復雜的傳動系統(tǒng)，提高了可靠性，也極大的減輕了飛機的重量，增加了飛機的續(xù)航。再加上之前提到的安全性，這也就是為什么現(xiàn)在所有公開的垂直起降飛機都無一例外的選擇了電動加多旋翼的設(shè)計。而經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的螺旋槳也確實可以有效降低飛行噪音。

　　3.電池和飛行效能

　　既然飛機要使用電力驅(qū)動，就不得不使用電池。而即便是當今最好的鋰離子電池，其能量密度也遠遠低于化石燃料。因此，在有限的電力下，更高的飛機性能和飛行效率意味著更長的運行時間和更多的經(jīng)濟效益。純旋翼飛機，像億航的184和Volocopter的Air Taxi，這種設(shè)計可以實現(xiàn)較高的起降效率，但水平飛行時的效率不高，因此更適合于低速、短途的航線。

Volocopter的Air Taxi　　而像Joby S2和Vahana的A3這種旋翼加固定翼的設(shè)計，通過改變旋翼的朝向?qū)崿F(xiàn)垂直起降到水平飛行的過度，當飛機處于水平飛行時，固定翼提供的升力可以有效的提高飛機的飛行效率。從而可以飛得更快、更遠。當然代價是更復雜的機身設(shè)計和相應(yīng)的重量增加。這種設(shè)計的“空中的士”可達到每小時150-200英里（240-320公里）的巡航速度（部分受制于FAA的速度限制）和200英里（320公里）左右的航程，有望實現(xiàn)城市間的交通運輸。

Vahana的A3　　目前來看，電池能量密度還是一定程度上限制著“空中的士”的發(fā)展，同時電池成本也幾乎占到飛機制造成本的一半。不過隨著各個廠家加大對于電池研發(fā)的投入和快充技術(shù)的發(fā)展，這種情況有望得到緩解。

　　4.有效載荷，自動駕駛和空管系統(tǒng)

　　有效載荷直接關(guān)乎到“空中的士”的經(jīng)濟效益，有效載荷越高，可搭載乘客的數(shù)量就越多。在“空中的士”運營初期，拼車（或者說拼飛機更合適一點）模式應(yīng)該是主要運行方式，因此每次搭載的乘客數(shù)量越多，均攤成本就越低，也就更能吸引消費者乘坐。按現(xiàn)有模型分析，對于城市內(nèi)運營的“空中的士”，可搭載2-4名乘客（包括駕駛員）的飛機設(shè)計最為有效。擁有更高載荷的飛機可以搭載更多乘客，但這也意味著更大的起飛重量和更大的噪音——這也是各個飛機制造商需要權(quán)衡的因素。

　　自動駕駛可以移除對駕駛員的依賴，進一步提高安全性，也間接增加了可搭載乘客的數(shù)量，因此自動駕駛技術(shù)的發(fā)展對于“空中的士”來說更具吸引力。而相較于地面交通，“空中的士”飛行在較為簡單和空曠的區(qū)域，因此自動駕駛技術(shù)也相應(yīng)的更容易實現(xiàn)一些。同時針對于垂直起降飛機的自動駕駛標準也需要開始建立。

　　對于空中交通網(wǎng)絡(luò)，如何有效的管理每天在城市上空飛行的數(shù)百架“空中的士”也是一項挑戰(zhàn)。完善高效的空管系統(tǒng)是關(guān)鍵，同時還要保證飛行控制和數(shù)據(jù)的足夠安全。

　　5.認證

　　雖然放在最后，但獲得各國航空管理局認證可能是“空中的士”實現(xiàn)商業(yè)化最難翻過的一座山，也是最不可預測一項因素。各個國家對于新型商用航天器認證的流程可能不同，但無一例外的嚴格。以美國聯(lián)邦航空管理局FAA為例，整個認證過程需要3-4年甚至更長時間，從原型機展示，到每一項軟件和硬件的設(shè)計參數(shù)，要求及測試方法都需要FAA審核并通過，獲得軟件和硬件認證、控制認證，還需要獲得對于飛機的型式認證（Type Certificate）（如幾座、幾旋翼等），之后生產(chǎn)認證（Production Certificate）（生產(chǎn)標準、型號等），同時還要獲得FAA的僅用于測試和研發(fā)的可飛行認證（Experimental Certification），最終經(jīng)過漫長的審核和大量的測試獲得運行認證（Operation Certificate）。這期間每一次改動都會延長認證時間。而且對于電動垂直起降飛機這種新的空中載具來說，F(xiàn)AA還需要時間去建立新的標準。

　　不過，好消息是飛機的認證過程是一步一步遞進的，也正好對應(yīng)飛機研發(fā)的不同節(jié)點，因此，只要前期規(guī)劃合理，F(xiàn)AA認證不會過度耽誤飛機的研發(fā)過程。另外，從目前形勢來看，F(xiàn)AA也正在積極推動電動垂直起降飛機的認證工作，這也在一定程度上加速了“空中的士”商業(yè)化的進程。

　　總結(jié)：

　　說了這么多，其實仍然沒有完全包含“空中的士”的所有內(nèi)容，像停機坪的設(shè)計，如何充電，如何運營，乘坐體驗，贏利模式等都沒有提及。“空中的士”仍然是一個很新的概念，飛機的設(shè)計需要在有效載荷、噪音、動力分配、安全性等等多方面因素中取得平衡，每家廠商的設(shè)計思路均有不同，且各有千秋。目前世界范圍內(nèi)約有170家公司正在進行民用垂直起降飛機的設(shè)計[7]，還有大量的原型機正在秘密的研發(fā)中。同時，如波音、貝爾、豐田等傳統(tǒng)飛機和汽車制造商也開始加入其中，大量資本的注入正在加速著“空中的士”，這個有望改變未來城市交通方式的概念，變?yōu)楝F(xiàn)實。

　　也許全民“打飛的”的時代離我們真的不遠了，10年？5年？或許就在明天。

　?。ㄗ髡吆喗椋汉闻辔?，馬里蘭大學電力電子工程博士畢業(yè)，現(xiàn)就職于Joby Aviation，從事電動載人垂直起降飛機供電系統(tǒng)的設(shè)計和研發(fā)。）

　　參考資料：

　　[1]http://inrix.com/scorecard/

　　[2]https://www.google.com/search?q=Fast-Forwarding+to+a+Future+of+On-Demand+Urban+Air+Transportation&rlz=1C1CHBF_enUS858US858&oq=Fast-Forwarding+to+a+Future+of+On-Demand+Urban+Air+Transportation&aqs=chrome..69i57j0l2.702j0j4&sourceid=chrome&ie=UTF-8

　　[3]https://www.uber.com/us/en/elevate/uberair/

　　[4]http://www.kathrynsreport.com/2018/12/detroit-flying-cars-wd-1-n112sd.html

　　[5]https://www.ntsb.gov/investigations/data/Pages/AviationDataStats.aspx#

　　[6]https://www.youtube.com/watch?v=LmyJBgKjo5M

　　[7]https://www.rolandberger.com/en/Point-of-View/Electric-propulsion-is-finally-on-the-map.html

文章轉(zhuǎn)載自新浪新聞