城市智能飛行的新構想

劉思靜

1909年，法國人路易·布萊里奧駕駛著自己制造的飛機成功飛越英吉利海峽時，也許不曾想到，110年后的今天，航空技術的發展已經徹底改變了人們的生活方式。從木質低速小飛機到復合材料制成的大型客機，人類用自己的智慧讓無數的奇思妙想得以實現。

如今，當站在第二個航空百年的起跑線時，城市智能飛行的概念成為飛機制造商們關注的焦點。或許有一天，“空中出租車”將會成為人們出行的首選，盡管這個念頭現在看來仍有些天馬行空。

“空中出租車”的構想最早可以追溯到2003年。當時，由于美國民航業效益不佳，一些航空公司為了降低成本，減少甚至取消了通往小城鎮的航班服務，這其中就包括一些旅游資源十分豐富的城鎮。為了滿足旅游市場的需求，總部設在俄勒岡州的一家公司推出了“空中出租車”項目，旨在向游客提供不定期的飛行服務。

這一新穎的服務方式很快受到了市場的歡迎，美國其他地方的一些公司紛紛仿效。業界認為，這種按需運營的方式很可能成為美國民航業的新時尚。然而，這種運營方式有一個問題——如果采用傳統的民航飛機，由于客流量較小，運營商的成本將居高不下。為此，一些飛機制造商將思路轉向了垂直起降飛機。

2009年，美國特拉福嘉公司生產的全球首輛飛行汽車——“飛越”（Transition）成功首飛。在這一事件的影響下，全球掀起了研制垂直起降飛機的浪潮。

優步的未來戰略

早在2016年，優步公司就開始研發城市飛行器，先后與多家飛機制造商合作研制電動垂直起降飛機。經過對多個方案的篩選后，優步最終選定了5家飛機制造商，并與其簽訂了合作協議。這5家公司分別是極光飛行科學公司、巴航工業、蝙蝠飛行公司、卡萊姆飛機公司和貝爾公司。根據優步的規劃，這五家公司研制的電動垂直起降飛機將從2020年開始試飛，2023年左右投入商業運營。從已經公開的信息中可以看到，優步與這5家公司聯合研制的飛機，各有特點。

極光飛行科學公司正在研制的幾款垂直起降飛機基本都采用了4座設計，且全部都是全電動概念飛機。飛機兩側機翼的撐桿上各有4個電動旋翼用于提供垂直升力。飛機在爬升到15～30米后，再過渡到前向飛行階段。此時，電動旋翼全部停止工作，飛機靠一個螺旋槳推進器推動其向前飛行。從目前掌握的信息來看，極光飛行科學公司所設計的幾款飛機都能以190～210公里/小時的速度飛行50～65公里，飛機在450米高度飛行時，幾乎不會產生噪音。

蝙蝠飛機公司已經公開的一款垂直起降飛機從外形上看更類似于翼身融合體，沒有任何產生垂直升力的可見旋翼，這種設計與其他的垂直起降飛機相比有很大的差異。蝙蝠飛機公司表示，這款飛機實際上隱含了一套用于巡航和垂直起降的“完全集成”的專用推進系統，這使得飛機的維護成本更低，一般情況下可搭載2～6名乘客。

卡萊姆飛機公司公布了一款名為“蝴蝶”的垂直起降飛機。這款5座的飛機使用了優化轉速傾轉旋翼技術，使得其旋翼數量比一般的飛機要少得多。此外，這款飛機還可以調節旋翼的轉速，從而降低懸停功率需求和噪音。

巴航工業通過旗下專注于拓展顛覆性新業務的機構Embraer X發布了其首款電動垂直起降飛機——“夢想制造者”。這是一款4座的垂直起降飛機，兩個翼梢端各設有一個支桿，每個支桿上有4個旋翼，飛機垂直飛行的升力就由這8個旋翼提供，而向前飛行的推力則由機身尾部的大尺寸推進螺旋槳提供。

除了飛機的研制之外，在優步的設想中，要使城市空中交通計劃在經濟上可行，必須盡快擴大運營網絡。因此，優步計劃未來在達拉斯、沃斯堡和洛杉磯三個城市進行垂直起降飛機飛行試驗，從而保證2023年全面開始商業運營。

此外，在城市空中交通計劃中，優步還提出了一個“未來空港”的概念。所謂的“未來空港”，簡單來說，就是要在城市中建立多個空中起降機場終端。根據規劃，這種“空港”應該能在1.2萬平方米的占地面積內每小時處理1400次飛機的起降，每小時運送超過4000名乘客，每架飛行器之間的起降間隔不超過15秒，同時還要滿足噪音和環境的要求。

是飛機，也是汽車

從20世紀90年代開始，折疊式機翼便成為飛行汽車創新的核心問題。從技術和實際使用的角度來看，飛行汽車將是介于汽車與通用航空器之間的新一代交通工具。由于起降場所、噪音等因素的制約，通用航空器難以大規模進入城市，而汽車本身行駛速度較慢，在城市擁堵的環境下，效率更低。飛行汽車恰恰具備了兩者的優勢，因此被認為是未來解決城市交通擁堵的最佳方案。

在2012年紐約車展上，美國弗吉亞公司發布了一款陸空兩用車型——“變形者”。這款兩用車采用的是可折疊機翼結構，平時機翼收起，陸地行駛時的最高速度達到180公里/小時。當需要飛行時，按一個按鈕就可以展開機翼，在滑行500米后便可以起飛，空中飛行時的最高速度可達184公里/小時，最大飛行距離達到740公里。

受此啟發，空客公司也加入到研制飛行汽車的隊伍中。2015年，為了研制飛行汽車，空客投資1.5億美元在硅谷成立了一家名為A3的公司，著手進行“空中出租車”的研發。空客為這款飛機取名“Vahana”。這是一款單座、自動駕駛、可垂直起降的小型飛行器，可用于城市短途運輸。Vahana擁有兩組傾轉機翼，每組機翼上裝有4個電機，由電機帶動槳葉提供升力或推力。2018年，這款飛機完成了首飛。

除了Vahana之外，空客還與一家意大利汽車設計公司（ItalDesign）共同推出了一款名為Pop.Up的全電動自動駕駛飛行汽車。Pop.Up由旋翼飛行模塊和地面四輪行駛模塊適配連接而成，可隨時在空中模式與地面模式之間切換。

Pop.Up的飛行模塊由8個電驅動的螺旋槳組成，成對共軸安裝在頂部的四個涵道中。地面行駛模塊的座艙內部設有兩個座椅，但艙內并未配備方向盤或方向舵，僅配有一塊125cm2的顯示屏幕，乘客可以通過面部識別、眼睛跟蹤以及觸摸和語音等方式來控制Pop.Up的飛行或地面行駛。

知名汽車制造商德國奧迪公司也參與了這個項目。其為Pop.Up研制的新型電池和自主系統可用于“城市移動模塊的共享服務”，該系統使Pop.Up搭載乘客抵達目的地之后，飛行模塊會迅速與地面模塊解鎖并開啟飛行狀態，地面模塊會立即自動行駛至下一個客戶處或充電站，等待下一次使用。

此外，空客的另一個名為“City Airbus”的項目已經處于試飛階段。這款全電動飛機由8臺西門子SP100D電機提供動力，每臺電機的功率為100kW，分別驅動8個固定槳距螺旋槳，兩兩一組以對轉的方式安裝在飛機上部四個角落的環狀懸臂中。每個環狀懸臂中，一個螺旋槳的安裝位置位于碳纖維涵道內，另一個則略微超出涵道。

空客表示，City Airbus目前還未達到最優設計，包括發動機和冷卻系統在內的許多機載系統的尺寸都過大，但即便如此，City Airbus已經具備了200～250公斤的運載能力。在噪音方面，由于其120～140米/秒的葉尖速度比一般直升機葉片200米/秒的速度要低得多，因此，City Airbus的噪音要低于其他在研項目。

與此同時，一些初創公司研制的飛行汽車也頗具特色。總部位于英國布里斯托爾的Vertical Aerospace公司推出了英國首款飛行出租車。這款飛行汽車重750公斤，配有4個大功率涵道風扇，可搭載2～4名乘客，飛行距離約為150公里，最高飛行速度達到80公里/小時。2018年6月，這款飛行汽車在英國完成了首飛，目前仍在進行其他飛行測試。根據計劃，這款飛行汽車將在2022年投入市場。

2018年7月，谷歌聯合創始人拉里·佩奇投資的加拿大初創公司Opener正式對外展示了一款名為“Black Fly”的電動飛行汽車。作為一款自動駕駛電動飛行汽車，Black Fly的飛行速度為40公里/小時，電池可以在25分鐘內完成充電。

其他新穎的設計

除了上述提到的幾個項目之外，目前全球在研的30多款新型飛行器中，一些混合動力的垂直起降飛機也十分值得關注。美國VerdeGo公司正在研制的PAT200雙座電動垂直起降飛機就是其中的代表。

PAT200飛機的有效載荷為227公斤，飛行距離為32～64公里，速度超過242公里/小時。這款飛機前后兩個可傾轉機翼上安裝了鉸接旋翼以及采用內燃機驅動發電機發電的混合動力系統，這是PAT200飛機最顯著的特點。

目前，垂直起降飛機大多采用電池驅動，而PAT200采用了內燃機驅動發電的混合動力傳動系統。雖然電推進系統是一種高效的推進裝置，但是當前的電池能量密度還遠不能滿足電動垂直起降飛機進行商業飛行的需要。

當然，考慮到技術的發展，尤其是高能量密度電池、先進燃料電池和超級電容器等技術的發展，VerdeGo公司也在考慮未來將其他先進的發電技術引入到傳動系統中，從而達到既能提供足夠的能量又能盈利的目的。為此，公司在2018年進行了多個不同縮比的原型機飛行試驗，并初步規劃了一個為期6年的驗證計劃。

有待解決的問題

從理論上來講，垂直起降飛機有諸多優點，但是要想在城市上空大規模使用，仍有很多問題有待解決。

首先是空中交通管制的問題。目前，在民航運輸系統中，一名空中交通管制員同時要監控5～20架飛機。如果“空中出租車”大量使用的話，勢必會對空中管制員有巨大的需求。

其次，電池技術急需突破。目前已有的電池技術，其能量密度無法滿足長距離飛行的要求，即便制造出一種能量密度超高的電池，在充電速度和電池壽命上可能會有很大的妥協，而這會大大提高跨界飛機的制造成本和使用成本。從制造工藝的角度看，和垂直起降飛機在功能上最接近的交通工具是直升機，但兩者之間有很大不同。大部分直升機采用燃油發動機驅動單旋翼，而垂直起降飛機則主要采用分布式電推進系統，即在固定翼飛機上安裝多個電動引擎。這對制造和適航來說，都是一個新課題。

最后一個十分現實的問題是垂直起降飛機的停靠。垂直起降飛機也好，空中出租車也好，其出現的目的是為了緩解地面交通的壓力，但這些飛機不可能一直停留在空中，這就需要一定的專業場地來服務這些飛機。從目前來看，除了已有的直升機起降點之外，幾乎沒有適合這一類航空器停放的區域。盡管最理想的狀態是這些新型飛行器可以與地面汽車共用停車場、道路、橋梁等，如此才能體現其優越性，但要實現這一目標仍有很多障礙需要克服。