無人駕駛城市空中交通理想與現實之間的幾道坎

李悅霖

航空工業成都飛機設計所，四川 成都 610091

盡管無人駕駛城市空中交通備受資本和大眾的青睞，但是獲得認證的飛機能否在2023年投入商業服務的確定性較低，城市空中交通行業能否在2025年啟動大規模生產也存在很大的不確定性。電池技術的發展或許足以保證試驗型飛行器在城市上空飛行，可以評估噪聲和衡量公眾的接受程度，但電力推進技術尚未得到認證，而能滿足高速商業運營所需的安全性、容量、充電率和壽命周期的儲能系統尚未問世。

有人和無人駕駛城市空中交通已經成為航空領域最熱門的創新領域，但這一新興領域將走向成熟市場還是最終走向失敗，取決于制造商、運營商和監管機構能否成功應對在技術、運營和社會學方面的各種挑戰。

噪聲問題：能達到足夠安靜嗎？

公眾的接受度可以說是無人城市空中交通(城市空中模塊)的關鍵問題：電力推進垂直起降飛行器是否安全到人們可以乘坐其飛行？它們是否足夠安靜以免制造噪聲麻煩？這兩個問題阻礙了直升機在城市的使用。電動馬達本質上是安靜的。分布式推進降低了旋翼葉尖速度，屏蔽了涵道噪聲，不過推進與機身的相互作用會產生噪聲。

優步公司的發展目標是研制至少比同等直升機安靜四倍的電力推進垂直起降飛行器，降噪途徑第一是融入垂直停機坪的背景噪聲中，在巡航中聽不到，第二是分布式電力推進降低源噪聲，改變其特性。而復雜的“虛擬噪聲”因素很重要，很難測量。

圖1 發動機開發商西門子（Siemens）公司表示，通過比較內燃機型和電動型的330 多架特技飛行飛機的飛越噪聲，可以看出噪聲水平和質量有了顯著改善。

僅次于安全性和公共適航性，噪聲和公眾接受度是城市空中運輸面臨的第二大挑戰。公眾對噪聲的反對限制了城市的直升機服務，在許多情況下甚至取消了。除非電力推進垂直起降飛行器的噪聲顯著降低，否則不可能實現無處不在的按需城市航空服務。

ESAero設計公司總裁安迪·吉布森表示：“我以為最難的地方是電池問題，現在我認為是噪聲問題。如果沒有社區的認可，Uber Elevate也就無法生存”。ESAero是NASA X-57 Maxwell電力推進驗證機的主承包商。喬治亞理工學院副教授布賴恩·德爾曼表示：“噪聲問題存在巨大的不確定性，我們甚至沒有一個衡量標準來獲悉人們是怎么想的”。

與四座電力推進垂直起降飛行器同重量級別的直升機的噪聲限值是85dB。優步公司設定的目標是，到2025年開始商業運營，噪聲不超過70dB，是住宅道路上中型卡車的一半，比同等直升機安靜四倍。通過這種方式，優步公司希望重新開放許多因噪聲投訴而閑置的城市直升機停機坪。

優步公司航空工程總監馬克·摩爾表示：“分布式電力推進汽車的噪聲水平，將與城市地區的背景噪聲相匹配。”但事情并沒有那么簡單。問題不僅在于噪聲水平，還包括公眾對飛機安全和乘客特權的負面看法所引發的噪聲性質和復雜的“虛擬噪聲”因素。

噪聲專業顧問大衛·約瑟夫森說，雖然人們可以容忍空中救護車和執法直升機的噪聲，但不是每個人都必須要乘坐優步公司電力推進垂直起降飛行器的。如果社區認為電力推進垂直起降飛行器不夠安靜，電力推進垂直起降飛行器就無法生存。但同時，城市空中運輸提供了一個獨特的機會，可以專門設計出一種被認為是安靜的飛機。這是一個新的設計理念，減噪是首要目標，而不是事后再來考慮。

大衛·約瑟夫森說，“一般是用指標來比較飛行器和計劃運行情況，但是現在用這種方法來測量距機場某處的平均噪聲將不起作用，因為垂直停機坪在社區內，而個人活動將很重要。噪聲設計目標是完全不被注意到，這很困難，但我認為我們可以做到。固有的靜音電機和低轉速推進器將有幫助。他說，測量垂直停機坪和屋頂周圍環境噪聲的水平、頻譜和時間行為，對于預測和控制噪聲以便限制聲音的長期暴露水平和避免短期峰值至關重要。由于虛擬噪聲是一種主觀反應，因此它更為復雜。人們聽到飛機的聲音說它很吵，但真的如此嗎？噪聲還引發了其他什么反應？”

飛行時的轉子脈沖噪聲、低空飛行時的驚嚇、對墜機的恐懼，甚至只因直升機不需遵循既定的飛行路線而認為直升機“無法控制”，這些都是能激發虛擬噪聲的原因。煩惱甚至可以由視覺觸發。聲學專業顧問約翰·列夫頓說：“有些人會抱怨他們聽不到飛機的聲音。”他補充道：“非聲學意義上的虛擬噪聲與實際噪聲水平同等重要，甚至更為重要。”

約翰·列夫頓說，研究表明，在相同的噪聲水平下，飛機噪聲比公路或鐵路噪聲更煩人，而直升機的噪聲甚至更令人討厭。他說，煩惱與聲級沒有直接關系，可以在很遠的地方被噪聲的特性觸發。因為在發動機、轉子和尾槳噪聲源的組合上不同，分布式推進的電力推進垂直起降飛行器的噪聲和直升機有所區別，但作為“大眾陪審團”的居民仍然在煩惱電力推進垂直起降飛行器的噪聲到底是什么樣的。

電池技術準備好了嗎？

在推進技術上，目前分為兩個陣營：以優步公司為代表的公司希望研發全電動城市空中模塊，認為到2023年電池技術即有能力為短途飛行的小型電力推進垂直起降飛行器提供動力，而其他公司認為在最近幾年混合動力推進技術才是更好的選擇，且能跨越城際短途飛行實現更大的操作范圍。這些分歧在很大程度上取決于新化學物質的高能量密度電池能否按預期問世，盡管問世初期可能成本高、壽命短。

電池的化學性質決定了能量密度的高低。一般地，特斯拉電池、松下鋰離子電池的能量密度為250～320Wh/kg，先進的鋰聚合物固體電解質的能量密度＞350Wh/ kg，鎂離子電池的能量密度為360Wh/kg ，帶陽極保護的鋰金屬等固體能源的能量密度＞420Wh/kg。

由于汽車工業的進步，電池技術已經達到了小型、短程飛機可以使用的程度。現在的電池已經足夠用于原型電力推進垂直起降飛行器，但如果要在本世紀20年代初開始商業運營，還需要取得更多進展。

優步公司航空工程總監馬克·摩爾表示：“我們正處在攻克電池技術的邊緣。有了一些概念，電池可能已經出現了”。但是，為了實現快速的空中出租車運營，需要在廣泛領域進行改進。

能量密度是關鍵參數，因為它決定了汽車能在空中停留多長時間，但充電時間、循環壽命、安全性和電池成本是關鍵標準，并以復雜的方式相互關聯。快速周轉、高功率的垂直起降操作需要快速的充放電速度，這不僅會降低電池壽命，還會產生高溫，必須經安全管理，以避免熱失控。

喬治亞理工學院副教授布賴恩·德爾曼表示：“電池驅動的飛機與燃油驅動的飛機是個物種。電池與燃料的方式不同，你獲得的能量取決于你索取能量的速度。要求的越快，得到的就越少。電池不會隨著能量消耗而變輕，所以飛機垂直降落時和起飛時一樣重。

圖2 鋰金屬被認為有潛力改善電池的發展速度，前提是克服了不穩定性。

優步公司已經為2023年投產的四座電力推進垂直起降飛行器設定了目標。包括：電池級的能量密度為350Wh/kg，電池組級的能量密度為300Wh/kg, 15min內可從30%充電至90%，使用壽命為500次，成本為400美元/千瓦時。優步公司還設定了長期目標，包括到2028年前達到使用壽命1000次，2032年達到2000次，2030年成本達到200美元/千瓦時。

能量密度是至關重要的，因為它決定著飛行器的尺寸。波音技術研究員馬蒂·布拉德利說，400Wh/kg的目標經常被引用，“400Wh/kg的水平將使許多飛機馬上進入設計階段”，但這遠遠超出了目前的技術水平。先進電池開發商鎂離子技術公司（Pellion Technologies）首席執行官大衛·伊格爾沙姆說：“據我所知，還沒有哪家公司將電池功率超過250Wh/kg的電池用于垂直起降。”

特斯拉電動汽車的鋰離子電池設定了這一基準，約為250Wh/kg，成本低于200/kWh，且其最新電池的級別高于300Wh/kg。空中客車公司在硅谷的A3創新中心正在其“瓦哈娜”（Vahana）電力推進垂直起降飛行器上使用鋰聚合物電池，該飛機將于2017年晚些時候起飛。這些電池組的能量密度低于200Wh/kg，包括電池管理系統。

鋰離子電池的進步使電動汽車成為可能，但它們的性能每年只提高5%左右。更高的能量密度需要新的化學物質。鋰硫電池和鋰金屬電池是主要的候選電池，在原型研制階段，多家公司的電池功率超過300Wh/kg。

三星支持的Seeo正在開發先進的鋰聚合物電池，該電池使用固體、不易燃的電解質以確保安全。該公司正在測試350Wh/kg的電池，目標是400Wh/kg。大衛·伊格爾沙姆說，鎂離子技術公司于2016年開始在無人機上飛行鎂離子電池，電池級別為360Wh/kg，并有信心支持2018年開展的電力推進垂直起降飛行器演示。美國鋰電池新星公司SolidEnergy首席執行官胡啟朝表示，公司已經展示了電池級426Wh/kg的鋰金屬電池，并將在2017年底達到優步公司的目標。Argonne國家實驗室能源存儲科學中心主任文卡特·斯里尼瓦桑說，“可充電鋰金屬電池曾有工作不穩定的歷史，但過去五年取得了巨大的成果。鋰金屬是下一個前沿領域，我們將拭目以待。”

羅爾斯·羅伊斯自由工場視覺系統主管邁克爾·阿姆斯特朗表示：“大多數電力推進垂直起降飛行器制造商都在關注鋰金屬電池，并相信它們能夠在優步公司希望的時間框架內實現能源密度目標。”

圖3 A3 的單座傾斜翼“瓦哈娜”電力推進垂直起降飛行器有兩個200Wh/kg 的鋰聚合物電池組，每次飛行后更換。

大多數先進電池都面臨充電速度和使用壽命方面的挑戰，這是優步公司高利用率模式的兩大關鍵。摩爾說，大量的經濟性分析表明，即使電池必須每500次使用后更換一次，相當于運行3～4個月，這項服務也是可行的。而壽命和成本是可以計算的，“一次壽命周期可使用500次、成本300美元/kWh，兩次壽命周期的使用次數翻倍、成本也就翻倍。”

快速充電至關重要，優步公司正在與ChargePoint公司合作，為垂直停機坪開發400kW的電動汽車充電站。將自動連接到電力推進垂直起降飛行器，以高流速通過蓄電池，循環冷卻液，使溫度保持在安全水平。在5min的周轉過程中，冷卻液至少加滿了25%。在垂直起降操作中需要高的放電速率，預冷卻電池也能提供更高的電能。

足夠安全嗎？

你會讓你的家人也參加嗎？這是任何有關城市航空運輸的討論中都無法回避的問題。答案對這個新的商業航空市場的未來至關重要。城市空中交通是商業航空運輸，但通用航空（固定翼或旋轉翼）的安全水平不足以滿足每天在城市上空進行數千次低空飛行，需要擁有客機級的安全性。有些電力推進垂直起降飛行器不能像直升機那樣自動駕駛，也不能像飛機那樣在停電時滑翔。雖然這些風險可以通過增加電推進系統的冗余度或在極低高度和速度下部署彈道降落傘來降低，但安全性將是關鍵的設計驅動因素。

安全性是第一個提出的議題，而且在技術取得的進展比當下即時顯現的問題更多。業內人士表示，監管機構正積極推進，為電力推進和確保自主等創新提供認證，因為這些創新有能力提供更安全的設計。

公眾接受度是非常關鍵的，優步公司的目標是比私家車安全兩倍，比直升機和固定翼空中出租車安全四倍。分布式電力推進提供的冗余度和飛行員通過部分自主動作提供的加持被視為關鍵因素。

一個重要的變化是，從原先直升機的動力系統轉變為現在的電力傳動系統，原先的系統是幾個點中單一故障就可能導致飛機的損失，而在電力傳動系統中，從電源、傳輸總線、功率電子設備到轉子和推進器都預留了冗余度。

傾斜機翼或傾斜旋翼那樣的過渡性電力推進垂直起降飛行器，不能像直升機一樣自動實現安全著陸，但大多數設計都配置了至少6個支柱，使飛機能夠承受推進器的損失，安全著陸。優步公司航空工程總監馬克·摩爾說：“我們可以設計出對單次故障冗余度高的飛行器。”

這些飛行器也足夠輕，可以攜帶彈道降落傘，在完全斷電的情況下安全回收飛機及乘員。目前，設計的機身降落傘存在一個最小的展開高度，但制造商正在努力降低這一高度。

圖4 在很短的停場過程中，電池的自動充電能力和液體冷卻能力將是安全操作的關鍵之一。

認證問題

很多電力推進垂直起降飛行器都有一些還未經認證的功能，部分電力推進垂直起降飛行器甚至更多。這些功能包括分布式電力推進和自動飛行控制。計劃使用仍處于制定中的行業標準來認證這些空中汽車。歐洲航空安全局于2018年10月發布了電力推進垂直起降飛行器適航標準草案，以征求意見。美國聯邦航空局計劃為這些飛行器頒發特殊的認證條件，為它們爭取一個新的適航類別。

空中出租車開發商面臨的最大挑戰是安全，因此需要認證。早期的開發者可以證明他們的飛機符合第21.17(b)部規定，該法規適用于未制定適航標準的非常規飛機的特殊等級。但更多業界開發者希望能夠根據2017年8月生效的重新編寫的第23部64號修訂版對電力推進垂直起降飛行器進行認證。

第23部64號修訂版允許將工業開發的標準作為符合性的判斷方式，而電力推進單元、能源存儲系統、先進的飛行控制系統和城市空中模塊的其他關鍵技術的標準正在開發中。該法規涵蓋了上限19座、重16000 lb的固定翼飛機，但美國聯邦航空局表示，將使用64號修訂版作為有翼電力推進垂直起降飛行器L的認證基礎。

重新編寫后，第23部的80%適用于電力推進垂直起降飛行器, 10%不適用。對此，Terrafugia的聯合創始人、電力推進垂直起降飛行器/城市空中模塊政策專家安娜·梅拉切克·迪特里希說：“那10%可以用槌子硬塞進去”，她說還需要更多的工作，但“適合這些飛行器認證的法規絕對是第23部”。美國聯邦航空局的意圖是使用第23部，為飛行器獨特的功能預留特殊條件，同時還在修改另一項修訂版案，使電力推進垂直起降飛行器完全符合法規。

圖5 空中客車公司A3創新團隊研制的無人駕駛載人航空器

安娜·梅拉切克·迪特里希說：“如果符合度不能靈活地解釋規則，我相信可能不會發生這種情況，那我們有另一種方法利用現有的文件來使用特殊條件。我們可以圍繞這些產品的外觀進行標準化，并就此達成行業和監管機構的協議。我們可以在制定適當的潛在65修訂版的過程中繼續前進，而不必等待下一個10年的法則制定周期。”

這些特殊條件仍然是電力推進垂直起降飛行器開發人員必須克服的一個尚未確定的障礙，以證明他們的飛機。2018年7月，美國聯邦航空局通知業界，正在積極為“新型垂直起降飛行器提供政策和指導草案，它們是第23部法規的新成員。在我們的要求中，目前還沒有考慮到許多問題，包括新的飛行員-飛行器接口、能量和推力管理的新型顯示器以及操縱品質和獨特的故障場景。”美國聯邦航空局發布了關于電力、分布式電力和混合電推進系統和高增穩電傳航跡飛控系統的類似通知，這些都是城市空中模塊的關鍵。

非傳統電池驅動的分布式推進垂直起降飛行器如何獲得認證？這是一個共同關注的問題，行業相信答案已經有了，但還未付諸實踐。這個答案就是，要對美國聯邦航空局第23部認證法規以及等效的歐洲航空安全局CS-23標準進行根本性重寫，使行業所開發的標準得到應用。優步公司航空工程總監馬克·摩爾表示：“多年來，我們一直以美國聯邦航空局和歐洲航空安全局在阻礙我們前進為借口，認為監管負擔遠大于汽車業或其他行業。這在過去可能如此，但你不能用這個借口來解釋這個市場，因為美國聯邦航空局和歐洲航空安全局已經走在了我們前面，他們完全改寫了這些小型飛機的認證基礎。從文件上看，電力推進垂直起降飛行器的美國聯邦航空局認證選項包括旋翼飛機的第27部、飛機的第23部或“特殊等級”飛機的第21.17b部。通用航空制造商協會（General Aviation Manufacturers Association）負責全球創新和政策的副總裁格雷格·鮑爾斯表示：“沒有人會走第21.17b部的路線。這不是未來的最佳途徑，因為每一次認證都是獨一無二的、一次性案例。”

圖6 億航研制的“億航”184

圖7 小鷹航空的“科拉”

相反，大多數電力推進垂直起降飛行器制造商正在轉向第23/CS-23部。格雷格·鮑爾斯說：“美國聯邦航空局和歐洲航空安全局稱，如果機翼或機體升降是飛行的重要組成部分，他們將允許根據第23/CS-23部進行認證，這更適用于全球。”新規沒有規定如何監管，而是設定了最高安全目標，并允許企業通過滿足行業開發的標準來顯示合規。歐洲航空安全局第CS-23部法規的修訂版允許將飛機、發動機和螺旋槳視為一個整體進行認證，這對于推進力和空氣動力學緊密結合的電力推進垂直起降飛行器來說非常重要。格雷格·鮑爾斯說，“美國聯邦航空局正在考慮這一點，第23部法規是電力推進垂直起降飛行器的一個巨大機會。”

另外，自主化標準也急需出臺，對飛行器的自主行為作出限制以確保安全。韋斯·瑞安承認，在對先進飛行路徑控制和自動化系統的認證方面面臨挑戰，而自主化系統可以增強飛行員的能力或者取代飛行員，其關鍵之處是建立一種方法，讓駕駛功能可隨時間轉移到系統中。但是，馬克·摩爾強調：“無論需要花多長時間來證明軟件是安全的，我們都還是會有一名商業飛行員駕駛這些飛行器。”

美國聯邦航空局小型飛機管理局項目和流程經理韋斯·瑞安表示：“希望這些標準的發展速度快于政府監管，并跟上技術發展的步伐。

圖8 空中客車公司A3創新團隊研制的無人駕駛載人航空器

構型

目前，城市空中交通還沒有一種能占主導地位的配置，電力推進垂直起降飛行器分為兩大類：有翼和無翼。無翼電力推進垂直起降飛行器本質上是放大版的多旋翼無人機，它們在巡航時的空氣動力學效率不高，最適合低速短途飛行。有翼電力推進垂直起降飛行器從旋翼垂直飛行過渡到翼載水平飛行，效率更高，速度更快，航程更遠，但也更復雜，需要升力和巡航發動機或傾斜機翼、轉子或涵道。

空域

如果對城市空中交通最樂觀的預測成真，那么在現有空中交通管理系統之外的空域內，每天在一個城市上空飛行的航班數量可能會超過整個美國。未來目標將是擴大無人交通管理的建設，以管理低空無人機操作，利用商業實體提供的空域服務實現城市空中交通。

雖然飛行器認證是實現大膽愿景的重要一步，但優步公司面臨許多挑戰。其中之一就是空域準入。優步公司的設想是，在幾十條專用空中車道上，空中出租車在各個機場之間穿梭，間隔僅15s，但航空界并不認為空域隔離是長期解決方案。另一個是自主性。優步公司的空中出租車在數年內仍將是有人駕駛，而在后臺運行自主權，建立對算法的信任。但優步公司希望盡快轉向簡化、高增穩的駕駛艙操作，以減輕培訓負擔，并推動使商用飛行員數量不斷減少。行業和監管機構正朝著這一方向發展，但步伐緩慢了些。

制造能力和水平

為了實現高密度城市運營的愿景，電力推進垂直起降飛行器必須以高產量和低成本建造，達到每年5000～10000架飛機，而航空業沒有這方面的經驗，如今的飛機制造量只有100～500架。制造商們正在將目光投向汽車行業和像寶馬i3這樣的碳纖維汽車的高速自動化裝配技術，但所要求的性能和由此帶來的復雜性將給飛機結構的自動化制造帶來挑戰。

圖9 Volocopter研制的無人駕駛載人航空器

圖10 優步公司設想的“空中之塔”

圖11 Terrafugia公司研制的無人駕駛載人航空器

圖12 Lilium公司研制的無人駕駛載人航空器

基礎設施

城市空中出租車服務將啟動使用現成的直升機停機坪，但更高密度的運營則需要新的基礎設施。在發展初期，可以重新啟用閑置的屋頂直升機停機坪，或重新調整停車場上層建筑的用途，但最終需要專用的高吞吐量中轉站，要能解決乘客上車、為飛行器充電并接駁到其他運輸方式。

資金

現有的電力推進垂直起降飛行器項目有100多個，其中大多數由初創企業研發，但將來只有少數能存活下來。2017年，Lilium公司獲得了9000萬美元，Volocopter公司獲得了3000萬美元，資金來自戴姆勒公司和英特爾公司。2018年，Joby Aviation從豐田公司、捷藍航空（JetBlue Airways）和英特爾公司融資1億美元。谷歌聯合創始人拉里·佩奇也為“小鷹號”（Kitty Hawk）的“飛行者”（Flyer）和“科拉”(Cora)電力推進垂直起降飛行器提供資金支持。目前，資本正在流入新興行業，但要從飛行模型轉向生產型空中出租車，還需要大量資金的投入。■

“小鷹號”（Kitty Hawk）的“飛行者”（Flyer）