電動垂直起降飛行器和城市空中交通的發(fā)展

宋剛

中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心，北京市 朝陽區(qū) 100028

以電動垂直起降飛行器為載體的未來城市空中交通已成為美國、歐盟等國家航空運(yùn)輸業(yè)發(fā)展的重要方向。電動垂直起降飛行器在機(jī)翼傾轉(zhuǎn)控制技術(shù)、自動駕駛技術(shù)、高性能電池和電機(jī)技術(shù)的配合下，其便捷性、高效性、多樣性、安全性和耐用性正在逐步提升，為未來城市空中交通打下了堅實的平臺基礎(chǔ)。

近期，美國宇航局“先進(jìn)城市空中交通試驗臺”（Advanced Urban Air Mobility Test Beds）項目研發(fā)的電動垂直起降無人機(jī)“蘭利機(jī)場”（Langley Aerodrome-8，下文簡稱LA-8）在蘭利研究中心的3.6m低速風(fēng)洞中完成了第一次風(fēng)洞試驗，并計劃在2019年8月底之前進(jìn)行飛行試驗。LA-8項目的持續(xù)推進(jìn)表明美國宇航局在城市空中交通（Urban Air Mobility，UAM）方面的積極探索和嘗試。

“先進(jìn)城市空運(yùn)試驗臺”項目

“先進(jìn)城市空中交通試驗臺”項目旨在探索最高效的未來城市空中交通方式，研究新構(gòu)型飛機(jī)在城市空中交通中的可行性，研究范圍既包括可用于包裹運(yùn)送的無人機(jī)，也包括可搭載六至八人的有人機(jī)。研究目的是獲取試驗數(shù)據(jù)并簡化飛機(jī)設(shè)計流程，從而幫助私營企業(yè)加速推進(jìn)整個城市空運(yùn)工作。

LA-8為電動垂直起降（eVTOL）無人機(jī)，8個螺旋槳沿機(jī)翼前緣和尾翼前緣對稱分布，為了實現(xiàn)垂直起降，機(jī)翼和尾翼均可繞翼根與機(jī)身的連接軸整體傾轉(zhuǎn)。起飛降落階段，機(jī)翼和尾翼產(chǎn)生90°傾轉(zhuǎn)，螺旋槳提供垂直向上的升力，前飛階段，機(jī)翼和尾翼恢復(fù)至常規(guī)構(gòu)型，螺旋槳提供向前的推力。LA-8既能像直升機(jī)一樣起飛、懸停，又能像飛機(jī)一樣快速前飛。從控制的角度來看，從懸停到前飛的構(gòu)型轉(zhuǎn)換非常困難，美國宇航局對這種新概念開展研究，不僅能探索新的城市空中交通飛行方式，還能幫助私營企業(yè)獲得經(jīng)過認(rèn)證、有運(yùn)營價值和安全性的飛行器。

該飛機(jī)被命名為“ Langley Aerodrome”不僅僅是因為它是在美國宇航局位于弗吉尼亞州漢普頓的蘭利研究中心設(shè)計和建造的，更是為了紀(jì)念塞繆爾·P·蘭利（Samuel P. Langley）教授，他在19世紀(jì)90年代后期命名他的無人機(jī)系列時創(chuàng)造了“aerodrome”一詞。在萊特兄弟成功于北卡羅來納州小鷹鎮(zhèn)試飛“飛行者”1號之前，蘭利教授設(shè)計的無人機(jī)已經(jīng)在波托馬克河上空翱翔了，他的5號無人機(jī)（Aerodrome -5）成功飛行了約0.8km，航時90s。因此，蘭利研究中心在探索新無人系統(tǒng)時，充分尊重了蘭利教授曾經(jīng)完成的工作，體現(xiàn)了航空科研工作的傳承性。

圖2 NASA 新型電動垂直起降無人機(jī)Langley Aerodrome-8

LA-8無人機(jī)采用模塊化設(shè)計，利用計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）和3D打印技術(shù)，無人機(jī)的任何部件幾乎都可以重新設(shè)計并更換。在設(shè)計與制造過程中，美國宇航局非常重視3D打印技術(shù)，LA-8大約80%的零部件采用3D打印制造而成。直接從CAD文件中將零部件打印出來，能大幅減少生產(chǎn)加工的工作量，而且工程師能夠非常快速地對機(jī)翼、機(jī)身和其他部分進(jìn)行更換。如果想要更換零件，只需要對CAD文件進(jìn)行更改，然后按下按鈕將其打印出來即可。美國宇航局還將制造LA-8的第二架和第三架原型機(jī)，用于開展不同的研究工作。

Langley Aerodrome的重新設(shè)計有助于美國宇航局提高此類飛機(jī)的安全性，并能與私營企業(yè)共享設(shè)計和試驗數(shù)據(jù)。例如，當(dāng)飛機(jī)在飛行中螺旋槳?dú)幕螂姍C(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時，如何控制飛機(jī)安全返回地面，當(dāng)遭遇突風(fēng)載荷時，飛機(jī)如何平穩(wěn)飛行等，這也是美國宇航局建造該技術(shù)試驗臺的目的。

“先進(jìn)城市空運(yùn)試驗臺”項目開展的研究工作作為美國宇航局“變革性航空概念計劃”（TACP）下“聚合航空解決方案”（CAS）項目的一部分，開發(fā)了快速設(shè)計、制造和測試此類新構(gòu)型無人機(jī)的能力。同時，還得到了“空域運(yùn)行與安全性計劃”（AOSP）下“空中交通管理-探索”（ATM-X）項目和“變革性航空概念計劃”下“變革性工具和技術(shù)”（TTT）項目的資助。

電動垂直起降飛行器發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)不同機(jī)構(gòu)的測算，目前民航碳排放約占全球碳排放的2.5%～4%，隨著航空旅客量的快速增長，民航正成為碳排放上升勢頭最快的行業(yè)之一。國際民航組織2017年制定的減排規(guī)劃明確規(guī)定，至2028年，民航碳排放相比2017年降低4%，國際航空運(yùn)輸協(xié)會承諾，從2020年開始，全球航空碳排放將實現(xiàn)零增長，到2050年，航空碳排放量將比2005年凈減少50%，美國環(huán)保署也計劃于2019年9月公布對美國民航的二氧化碳減排規(guī)劃。由此可見，在綠色航空理念的引導(dǎo)下，節(jié)能、減排、降噪正逐漸成為現(xiàn)代航空運(yùn)輸業(yè)的重要關(guān)注點，大幅降低二氧化碳和氮氧化物的排放量，將噪聲抑制在機(jī)場范圍內(nèi)成為未來航空運(yùn)輸業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)。同時，隨著人們出行需求的逐年增加，世界各大城市均面臨地面交通擁堵的問題。尋找更環(huán)保、更高效、更便捷的出行方式，成為運(yùn)輸行業(yè)急需解決的關(guān)鍵問題。

電動垂直起降飛行器既能滿足節(jié)省燃油、降低污染和排放的要求，又沒有大的起飛降落場地約束，成為解決地面交通擁堵，打造城市立體交通的重要手段，具有廣闊的市場前景，被形象地稱為“飛行出租車”。

圖3 NASA 工程師正在制造模塊化無人機(jī)系統(tǒng)Langley Aerodrome

當(dāng)前，電動垂直起降飛行器在全世界范圍內(nèi)得到廣泛的研究，相對較為成熟的產(chǎn)品包括美國初創(chuàng)公司Kitty Hawk的“科拉”(Cora)，Joby Aviation公司的Joby S4，Terrafugia公司的TF-2，以及德國Lilium公司的Lilium jet和億航公司的億航AAV等。

從外形上來看，“科拉”與傳統(tǒng)飛機(jī)相同，采用普通的直翼設(shè)計，沒有后掠，略微上翹，翼尖還帶有減少空氣阻力的設(shè)計，翼展寬度達(dá)11m。卵形的機(jī)艙可容納兩名乘客，機(jī)艙后部為電池組件。飛行方面，“科拉”采用自動駕駛技術(shù)，能實現(xiàn)全自動飛行，借助12個旋翼葉片垂直起降，利用尾部的單個螺旋槳提供前進(jìn)動力，速度可達(dá)180km/h，飛行高度150～900m左右，最大飛行距離約100km。"科拉"采用了冗余式設(shè)計，搭載了3臺獨(dú)立的飛行控制電腦，配備了兩臺獨(dú)立運(yùn)行的發(fā)動機(jī)。即便3臺電腦和兩臺發(fā)動機(jī)都發(fā)生故障，飛行機(jī)也能借助裝備的降落傘緊急降落，無需螺旋槳。

Joby Aviation公司與Kitty Hawk公司同時獲得美國軍方資助，競相研發(fā)用于城市空中交通的自主飛行器，同時還獲得了英特爾等公司的投資。Joby S4可以搭載4名乘客，目續(xù)航里程為150nm，Joby S4機(jī)長7.3m，翼展為10.6m，沿機(jī)翼前緣安裝六個水平旋翼，為了應(yīng)對鳥撞等突發(fā)事故，控制系統(tǒng)具有預(yù)設(shè)的安全返回程序，此外，還配備了一個全機(jī)降落傘，防止在遭遇災(zāi)難性事故墜毀。

圖4 小鷹航空的“科拉”

2018年，Terrafugia公布了其垂直起降飛機(jī)TF-2設(shè)計概念，TF-2由可拆卸客艙、飛行組件、地面車輛組件三部分構(gòu)成，其中，可拆卸座艙能容納1名駕駛員和4名乘客；飛行組件安裝有8個螺旋槳，在飛行模式中，其中6個螺旋槳在起降時旋轉(zhuǎn)提供垂直起降的升力，另外兩個螺旋槳在平飛時提供前進(jìn)的拉力，當(dāng)平飛速度達(dá)到一定大小以后垂直起降的6個螺旋槳停止轉(zhuǎn)動，僅靠拉力螺旋槳實現(xiàn)快速飛行；到達(dá)目的地之后，TF-2的自動對接系統(tǒng)可以在兩分鐘內(nèi)將坐有乘客的吊艙放置到地面車輛組件上，然后將另一個坐有乘客的吊艙帶上天空。雖然TF-2配備了駕駛員，但也有自動駕駛能力。TF-2最大飛行速度231km/h，最大航程300km，據(jù)Terrafugia公司稱，TF-2運(yùn)營成本約為每小時400美元。

Lilium jet為純電動垂直起降飛機(jī)，采用雙座設(shè)計，重量約600kg，采用類似于鴨翼的總體布局，沿主機(jī)翼展向和前方鴨翼展向共安裝36個涵道風(fēng)扇，由電動機(jī)驅(qū)動。由于機(jī)翼可傾轉(zhuǎn)，起飛時風(fēng)扇處于垂直方向，平飛時旋轉(zhuǎn)至水平方向。據(jù)報道，該飛行汽車采用Lilium航空公司的“超冗余”概念，從安全性出發(fā)，該飛機(jī)任何一個組件的故障都不會影響正常垂直著陸。研究人員介紹，在飛行中，飛行員操作的任何不安全指令都會被飛行保護(hù)系統(tǒng)拒絕。數(shù)據(jù)顯示，該飛機(jī)能攜帶181kg有效載荷，巡航速度高達(dá)306km/h，最大航程為306km。

2019年4月4日，億航載人級自動駕駛飛行器（Autonomous Aerial Vehicle，AAV）在奧地利維也納進(jìn)行了全球首次公開載人飛行演示（如圖 7），億航AAV是由億航智能全球首創(chuàng)的純電力低空中短途載人級自動駕駛飛行器，2016年在美國消費(fèi)電子展上首次發(fā)布，截至目前已經(jīng)完成超過2000架次的載人飛行。以空中立體交通的方式幫助優(yōu)化城市公共交通，億航智能同時獨(dú)立研發(fā)一套無人機(jī)指揮調(diào)度中心，可實現(xiàn)對于無人機(jī)的實時遠(yuǎn)距監(jiān)視、調(diào)度、控制和干預(yù)。億航AAV分為單人版型號“億航”184和雙人版型號“億航”216，均采用共軸雙槳動力設(shè)計，分別具有4個外伸機(jī)械臂、8個螺旋槳和8個外伸機(jī)械臂、16個螺旋槳，其中，“億航”184由碳纖維和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制成，飛行均速約100km/h，飛行直線距離理論上可達(dá)到50km，而1小時的充電就可以以130km/h的速度飛行25min，最高可以爬升到300m 的高度。“億航”216充電時間約為2～3h，續(xù)航時間為15～40min，平均飛行速度在130km/h，實用升限達(dá)到1000m。

2019年5月，美國加州的 Alaka'i Technologies公司公布了其研制的Skai六旋翼五座氫燃料電池電動垂直起降飛機(jī)（圖 8），作為世界首架氫燃料電池eVTOL載人飛機(jī)，Skai原型機(jī)為5座，續(xù)航4h，航程640km，商載450km，如改為無人機(jī)，只搭載移動通信中繼，最大續(xù)航可達(dá)10h。

除此之外，德國Volocopter公司、瑞士Passenger Drone公司等均已研制了自己的電動垂直起降飛機(jī)，并開展了不同程度的載人或不載人飛行測試，包括波音、空客、羅·羅等世界航空巨頭在內(nèi)的眾多大型企業(yè)均宣布計劃研發(fā)城市空中交通飛行器，城市空中交通展現(xiàn)了蓬勃的市場前景和激烈的技術(shù)競爭態(tài)勢。

圖5 Terrafugia公司的TF-2

圖6 德國Lilium公司的Lilium jet

未來城市空中交通面臨的挑戰(zhàn)

雖然目前在全世界范圍內(nèi)，已掀起了電動垂直起降飛行器研究熱潮，并不斷有讓人眼前一亮的新產(chǎn)品問世，但用于城市空中交通的電動垂直起降飛行器仍面臨例如空域開放與管理、適航標(biāo)準(zhǔn)、續(xù)航時間、安全可靠性等問題與挑戰(zhàn)。為了提高加速美國在該領(lǐng)域的研發(fā)進(jìn)度，獲取競爭優(yōu)勢，加速推進(jìn)城市空中交通關(guān)鍵技術(shù)突破，美國宇航局航空研究任務(wù)理事會提出了城市空中交通的框架與將會遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)。

從該框架可以看出，美國宇航局認(rèn)為，除了飛行器產(chǎn)品研發(fā)以外，在空域設(shè)計與執(zhí)行、社區(qū)管理、飛行器運(yùn)營管理等方面，仍然有諸多困難有待解決，城市空中交通不僅僅是研發(fā)更高效、新穎的飛機(jī)平臺，更應(yīng)該關(guān)注在實際運(yùn)營過程中不能回避的安全性、可承受性、噪聲、自動化、UAM站點設(shè)計與運(yùn)營規(guī)則和適航標(biāo)準(zhǔn)等問題。

基于對未來城市空中交通的全面認(rèn)識，美國宇航局提出了面向2040年的城市空中交通發(fā)展理念：

（1）爭取政府的穩(wěn)定投資用于先進(jìn)技術(shù)研發(fā)，同時對新興初創(chuàng)公司或系統(tǒng)提供技術(shù)支持。

（2）與工業(yè)界開展廣泛合作，共同探索未來航空業(yè)的發(fā)展方向。

（3）與美國航空業(yè)密切合作，開發(fā)和演示能改造亞音速客機(jī)市場的關(guān)鍵使能技術(shù)；

（4）開發(fā)和演示可確保美國在打開可擴(kuò)展、安全、高效和環(huán)保的市場方面領(lǐng)導(dǎo)地位的關(guān)鍵使能技術(shù)，這將緩解未來地面交通擁堵，改善當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量，改造城市區(qū)域；

向國際和美國標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)則制定組織（例如國際民航組織，美國聯(lián)邦航空局）提供相關(guān)數(shù)據(jù)，用于制定未來城市空中交通規(guī)則。

圖7 “億航”216 在奧地利維也納進(jìn)行全球首次公開載人飛行演示

圖8 美國Alaka'i Technologies公司氫燃料電池電動垂直起降飛機(jī)Skai

圖9 未來城市空中交通框架與挑戰(zhàn)

結(jié)語

以電動垂直起降飛行器為載體的未來城市空中交通已成為美國、歐盟等國家航空運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展重要方向。美國宇航局大力推動電動航空技術(shù)的發(fā)展，“先進(jìn)城市空中交通試驗臺”項目開發(fā)的LA-8電動垂直起降飛機(jī)，將成為美國宇航局對電動飛機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的開展演示驗證的平臺之一。

電動垂直起降飛行器通常采用電動機(jī)驅(qū)動螺旋槳的方式提供起降和前進(jìn)的動力，在機(jī)翼傾轉(zhuǎn)控制技術(shù)、自動駕駛技術(shù)、高性能電池和電機(jī)技術(shù)的配合下，飛行器的便捷性、高效性、多樣性、安全性和耐用性正在逐步提升，為未來城市空中交通打下了堅實的平臺基礎(chǔ)。

在電動垂直起降飛行器發(fā)展熱潮下，一方面要持續(xù)探索先進(jìn)技術(shù)在飛行平臺上的應(yīng)用，通過演示驗證進(jìn)一步提高技術(shù)成熟度，另一方面急需快速推進(jìn)空中交通管理系統(tǒng)開發(fā)和運(yùn)營規(guī)則制定工作，為打造未來城市立體交通提供健康良好的發(fā)展環(huán)境?！?/p>