城市交通變革可能比預期來得更早

李韻

我們是否正處在城市交通大變革的風口浪尖？持懷疑態度的人，一直很關注直升機在城市環境飛行的負面問題，包括噪聲、空中交通管理、對駕乘人員和地面人員的安全風險、以及高昂的使用成本等。

雖然有負面問題，但在2019年6月12日于華盛頓舉行的Uber Elevate峰會上，美國聯邦航空局（FAA）f弋理局長丹·埃爾威爾（Dan Elwell）的講話還是引入深思，“很高興參加此次峰會，感受全新一代交通方式的能量、創造性和創新。我認為大家對未來的愿景令人耳目一新，甚至可以說令人激動，但這也不好說。美國聯邦航空局一直以來對新飛行器的認證審批都是很嚴苛的，但情況正在迅速改變。我們必須做出改變，因為這種能量、創新和愿景將是航空航天產業未來發展的動力。可以說，你們讓航空航天產業再次變得酷了起來。”

考慮到他本人職位的政治敏感性和媒體曝光度，丹·埃爾威爾的以上講話僅是出于禮貌和客套嗎？還是他的話預示著電動垂直起降飛行產業的發展之快已經超出大多數人的想象？

支持者對未來的愿景是由電動垂直起降飛行器（eVTOL）組成密集的交通網絡，安全可靠地連接郊區和市區，并最終實現市區范圍內的空中交通，這種飛行器在分類上屬于一個更大的范圍，即城市空中交通（UAM）飛行器，預計在低噪聲、安全性、使用成本和環境友好性方面將比傳統直升機高一個數量級。支持者相信從遠期看來，這種交通方式將成為公眾可負擔的日常出行方式，有人甚至認為可以做到比擁有一輛車更便宜。

丹·埃爾威爾在本次峰會上的講話頗具諷刺意味的是會議舉辦地在華盛頓，而《1987年直升機起降場公害法》正是在此頒布的，該項法案從當年7月14日起禁止在華盛頓特區新建任何直升機起降場。這項法案至今仍然有效，許多城市也有類似法規禁止新建任何直升機起降場。

優步公司在2016年的Uber Elevate峰會上發布的白皮書《向未來空中按需出行快速前進》中深入探討了電動垂直起降飛行器必須克服的諸多問題，包括技術、監管、環境、經濟和社會層面的問題。要在實際應用中獲得成功，電動垂直起降飛行器廠商必須讓這些前所未有的全新類型的飛行器獲得監管部門的適航性認證，這些飛行器采用的技術是聯邦航空局從未見過的，評估和背書更是無從談起。

在新的更強的空中交通管理系統方面，有一些很有前景的新倡議正在實施過程中，但這些系統的研發速度可能將拖累行業增長。這是一個令人擔心的問題，因為電動垂直起降飛行器/城市空中交通的經濟性取決于規模，要實現經濟可承受性目標，部署規模必須足夠大。但現在的城市仍舊沒有對大規模空中交通進行管理的基礎設施。

雖然電推進技術提供了巨大的應用潛力，但當前電池技術能提供的性能仍然有限，電池技術仍需大幅度進步。

2019年6月10日，一架直升機墜毀在紐約一棟大樓樓頂的事故再次喚起了消防員和紐約市民心對911恐怖襲擊的心理陰影。雖然此次事故顯然是飛行員在低能見度天氣下迷航所致，飛行員也是事故中唯一的遇難者，但此次事故無疑再次引發了對旋翼類飛行器在人口密集區飛行的潛在安全威脅的思考。電動垂直起降飛行器能否達到足以讓質疑者對安全性放心的性能標準？要知道在安全性和噪聲擾民這兩個問題上是沒有妥協空間的。

在講話中，丹·埃爾威爾例舉了一個小型無人機的應用已經對經濟、社區和社會產生重大改變的案例。南加利福尼亞州丘拉維斯塔市警局和紅杉市的無人機企業Cape Aerial Telepresence公司合作，用無人機協助警察從空中記錄出警現場和搜救失蹤人員。在此前的8個月里，他們在500次出警中出動了無人機，其中67次實施了抓捕。在半數出動中，無人機都是首先到達現場的，平均用時僅96s。同樣值得一提的是，在其中75次出警中，無人機即可完成任務，無需地面人員出警。

不僅是這一個案例，據《航空周刊&空間技術》報道，華盛頓州巡警現有111架四軸無人機，警察們將無人機放在巡邏車內隨時攜帶，這可能是迄今為止擁有無人機數量最多的美國執法機構。巴德學院無人機研究中心2018年5月進行的一項研究顯示，599個美國執法機構已經裝備了無人機。

當丹·埃爾威爾向參會者表示“我有強烈的預感，城市空中交通飛行器將帶來的改變不會比無人機產生的影響遜色，”時。這無疑強烈預示著這一領域的巨大發展潛力，現場參會者也這么認為。

美國宇航局航空研究計劃署（ARMD）出資進行了2項城市空中交通市場調研，涉及多個城市空中交通應用領域，特別是空中出租車/城市機型、空中應急救援、以及最后一千米包裹遞送。研究結論認為，這些領域的應用是可行和可盈利的。預計到2030年，城市空中交通業務將在15個城市落地，實現7.5億人次的年客運量，最后一千米包裹遞送市場將達到每年5億個包裹的物流量。

航空航天業界巨頭企業對城市空中交通概念及其市場潛力是完全認可的。波音公司的NeXT項目正在研發自動駕駛和先進推進技術，將打造適用于未來城市、區域和洲際空中運輸的未來機型。2019年1月22日，波音的自動駕駛載人飛行器進行了首飛。2018年11月，波音和SparkCognition公司組建了新的合資企業SkyGrid，新合資公司將研發基于人工智能的動態交通路徑規劃、數據分析和網絡安全技術，這些技術將被用于多個領域，包括包裹遞送、工業巡檢和緊急救援。

在2018年的范堡羅航展上，羅爾斯·羅伊斯和阿斯頓馬丁公司宣布將共同研發新的城市空中交通飛行器。此外，空客在2018年5月組建了一個新的事業部從事這方面的業務，日本政府也宣布將投資4000萬美元加速城市空中交通產業發展。

與此同時，共享出行巨頭優步公司也在牽頭研發用于空中共享出行的飛行器和技術，并計劃在2023年初步開始商業運營。優步及其合作伙伴計劃首先在達拉斯、洛杉磯和另一個尚未選定的外國城市首先開始試運營。優步的合作伙伴包括波音旗下的極光飛行科學、貝爾直升機、EmbraerX、卡里姆飛機公司和斯洛文尼亞的蝙蝠飛機公司，這些伙伴企業都在飛機制造領域有豐富經驗。此外，優步還在和美國陸軍研究實驗室合作，進行同軸同向螺旋槳技術的分析和研發工作。

此外，多個大學也在進行旋翼飛行器空氣動力學課題研究。佐治亞理工學院正在與優步合作進行系統安全分析和多項城市空中交通市場研究。得克薩斯州立大學奧斯丁分校在進行同軸同向螺旋槳的研發、分析和測試。巴黎綜合理工學院在研究城市復合交通課題。大型商業地產開發商希爾伍德公司也在與優步合作在得克薩斯州北部興建垂直起降場。

在本屆峰會上，Signature FlightSupport公司宣布正在與優步合作。優步城市空中交通事業部（ Uber Elevate）主管埃里克·阿里森（ Eric A…son）表示：“高效、安全的垂直起降場是我們商業模式中的一個關鍵組成部分，我們與Signature Flight Support公司的合作將實現乘客從抵達垂直起降場的那一刻起到飛行器起飛之間的無縫化服務體驗。”

管理情況

優步與美國宇航局簽訂了一項合作協議，后者將研發一套無人機交通管理系統。按需服務的城市空中交通業務的成功和最優化運營將意味著大量飛行器同時在城市空域低空飛行，因此空中交通管理是一個關鍵問題。為應對這一復雜性驟升的空管問題，必須研發新的空中交通管理系統。當前的空中交通管理系統依賴的廣播式自動相關監視（ADS-B）系統適用于相對低密度的空管應用，未來復雜的城市空中交通場景必須有更全面的低空空域管理解決方案。

丹·埃爾威爾表示，美國聯邦航空局和美國宇航局今年將合作舉辦“無人機大挑戰”比賽，目的是“匯集政府和企業界的優秀創意，對精心設計的應用場景進行實際測試，對各種飛行器和空管系統的協同配合效果進行檢驗。”丹·埃爾威爾表示比賽的目的是低空高密度空域管理。“通過類似網絡服務請求的系統，能夠對全局交通沖突進行解決，同時允許無人機和載人電動垂直起降飛行器在各種天氣情況下，基于類似目視飛行規則（VFR）的規則自行處理任何潛在的局部交通沖突。”

要充分發揮城市低空空域高密度空中交通管理系統的潛力，3個方面的技術研發必不可少，分別是：高密度非語音空管交互技術;解決與載人通航飛機的交匯干涉問題的類似UTM系統的技術;以及在城市機場周邊進出場航道空域、無縫化解決電動垂直起降載人飛行器和無人機與民航飛機的交匯干涉問題的技術。

大洛杉磯地區的空域類型包括B級、C級和D級空域。據報道，“這些空管覆蓋空域大多利用率很低，麻省理工學院進行的一項研究發現，民航飛機只使用了其中5%的空域面積。”這些數據表明，樞紐機場允許民航空管覆蓋之外的飛行器借道通行是可行的，例如在當地很有名的從洛杉磯國際機場（ KLAX）上空經過的目視飛行規則空中走廊就是這種模式。這種空管方法將使用動態資源分配取代固定的空域邊界。

噪聲問題

城市空中交通要發展壯大，市民的認可和接受是必不可少的，飛行器噪聲是其中的一個重要影響因素。對電動垂直起降飛行器的負面看法之一源自許多社區居民過去曾飽受直升機噪聲擾民的困擾。電動垂直起降飛行器要盡量與直升機刺耳的高分貝噪聲制造者形象劃清界限，尤其是懸停和起降階段的噪聲問題。正如后文將談到的，電動垂直起降飛行器將能夠從設計上解決噪聲擾民問題。

在此前的一項關于倫敦直升機機場的研究中，作者研究了倫敦市政府用來管理直升機噪聲擾民問題的一套官方噪聲擾民反饋系統收集的市民意見，其中涉及倫敦直升機機場的意見反饋就有幾百起。市民特別惱怒的是在夜深人靜的時候被直升機噪聲吵醒。在洛杉磯盆地，居民對于美國聯邦航空局不能有效解決直升機噪聲擾民問題很憤怒，和紐約地區的居民一樣，他們已經把這個問題提到了國會層面尋求解決。

要讓市民接受規模龐大的電動垂直起降飛行器在城市空域飛行，飛行器的噪聲水平需要做到基本融入城市背景噪聲。優步對此的要求一直是產生的噪聲不能高于中型卡車通過居民區的噪聲（15m距離上75 - 80dB）。在此前發布的一份白皮書中，優步設定的目標是當飛行器在75m高度飛行時，地面噪聲水平不超過67dB，相當于7.5m外一輛豐田普銳斯汽車以56km的時速駛過產生的噪聲。在白皮書中，優步特別強調了這個噪聲目標的重要性，要求對區域長期平均晝夜噪聲水平（DNL）的增加值控制在1dB以內，1dB是人類能感知的最低音量變化值。

麥克·赫斯徹伯格（MikeHirschberg）是垂直飛行協會（前身是美國直升機協會）執行理事，他介紹了一些能夠幫助電動垂直起降飛行器達到這一噪聲指標的設計。首先是槳葉數量。槳葉數量越多噪聲越小，原因是降低了單片槳葉的載荷。第二是電動垂直起降飛行器的平均重量預計將遠低于常規直升機。

此外，槳尖線速度對噪聲水平的影響很大。槳尖線速度越高噪聲越大。噪聲正比于槳尖線速度的5-6次方，槳尖線速度提高1.5倍，噪聲水平將增大8-12倍。電動垂直起降飛行器的槳尖線速度可以做到常規直升機的約一半而不會出現槳葉失速問題。

另一個噪聲來源是飛機的動力系統。直升機發動機產生的噪聲水平與槳葉產生的噪聲水平相當，而且是一種獨特的高頻噪聲，這更進一步加重了噪聲影響。而電動垂直起降飛行器和無人機的電推進技術將是解決這一問題的關鍵，包括發動機和推力系統兩方面。電動機比要吸入和排出大量氣體的發動機安靜得多。電機取代發動機能極大降低噪聲水平。

此外，直升機尾槳產生的噪聲非常刺耳，尾槳的轉速比主槳高幾倍，其噪聲頻率恰好位于人耳最敏感的頻率范圍。迄今為止，絕大部分電動垂直起降飛行器都沒有采用傳統直升機的氣動布局，當然也就不會有尾槳這部分噪聲。

基礎設施不足

在諸多阻礙在城市區域部署電動垂直起降飛行器的因素當中，缺乏足夠的運營基地建設地點是其中之一。要支持大規模商業運營，大多數城市都沒有足夠的垂直起降場。少數城市有較多直升機起降場，或許可以分配一部分服務容量給電動垂直起降飛行器，但前提是位于合適的地址，還要靠近居住區而且有安裝充電設施的空間。

興建此類航空基礎設施的成本將比建造道路、橋隧和輕軌系統低得多。除現有的直升機起降場外，擬議中的電動垂直起降飛行器起降場選址包括停車樓樓頂、甚至高速公路立交橋的綠化帶。洛杉磯市區有40個位于高樓樓頂的直升機起降場，美國聯邦航空局的數據是，整個洛杉磯盆地有138個直升機起降場。像舊金山這樣的城市也有很多高樓樓頂建有直升機起降場，但由于噪聲擾民等問題，其使用受到很大限制。

在美國宇航局的一項研究中，曾考慮在舊金山使用水上垂直起降平臺來解決噪聲擾民以及對地面的威脅和在高樓林立的市區飛行的安全問題。另一個同樣是美國宇航局提出的新奇的解決方案是利用硅谷的高速公路立交橋的綠化帶建設垂直起降場。典型的高速公路立交橋中央綠化帶直徑約70m，相比之下，美國聯邦航空局對直升機起降場尺寸的指導意見是停機坪直徑15m，最后進場和著陸區域直徑35m，公眾安全區域直徑60m。飛機進出場航線可以設置在現有高速公路上方，這樣就避免了從附近居民區上空經過。理論上來說，高速公路車流的背景噪聲將能夠掩蓋飛行器的噪聲，解決噪聲擾民問題。

革命性設計

直升機是跟電動垂直起降飛行器最接近的，公眾對直升機的印象是昂貴、噪聲巨大、結構和操縱復雜以及使用效率太低無法用于大規模城市交通服務。所以，直升機的需求量并不大，從而導致產量也不大，進而導致單價高。相比之下，電動垂直起降飛行器更簡單、小型化、安靜，很快將以成百上千的數量投入使用，從而將價格降低到普通消費者可承受的水平。

目前，在美國和其它國家，許多公司在測試各種新的電動垂直起降飛行器概念設計。丹·埃爾威爾表示，“這些創新是航空航天業界自萊特兄弟以來最令人激動的創新和發展之一”。

以下我們將介紹這些創新中的一些典型案例，首先是分布式電推進（DEP）技術。

分布式電推進技術使用多個電機，通常至少是6個，控制器和電池組都有一倍的冗余，從而解決了常規飛行器發動機失效的災難性故障問題。垂直飛行協會執行理事麥克·赫斯徹伯格表示，分布式電推進用電線取代了容易出問題的傳動軸，帶來了極大的設計靈活性。電動垂直起降飛行器和無人機的單個電機故障只會稍微影響飛行速度或爬升性能，不會影響到飛行安全。通過避免使用大直徑螺旋槳，分布式電推進飛行器也更容易安裝彈道降落傘系統。

分布式電推進技術提供的不僅是安全冗余，還有額外的控制可靠性，單獨的任何一個推進器失效都不構成重大安全威脅，可以從容地降落，也更利于在強風或陣風條件下飛行，在高樓林立氣流混亂的城市區域尤其如此。

電機在過熱之前通常可以在1～2min的時間里提供額定最大功率1.5倍的功率輸出。這一能力在電機故障的緊急降落條件下非常有用。對于采用分布式電推進技術、有6個電推進器的電動垂直起降飛行器，單個電機失效會導致總推力降低17%，此時其它電機可以提高輸出功率維持飛行所需的動力。雖然直升機具備自旋降落能力，但如果在城市空域低空遭遇發動機故障，自旋降落將變得非常困難，因為自旋降落時直升機的滑翔比有限，必須在很短的距離上在建筑物密布的城市地形選定降落點。

直升機在接近垂直下降的飛行狀態下有一個固有的問題就是容易陷入危險的渦環流狀態。相比之下，由于下洗氣流速度更高，電動垂直起降飛行器和無人機能夠以更高的下沉率下降，多個螺旋槳的分布式設計也有助于避免陷入渦環流狀態。

電推進技術有許多特別適合電動垂直起降飛行器和無人機的特性。當前電池技術的比能量密度不足以支持遠程通勤應用，充電速度也無法滿足空中共享出行的高頻率快充要求。同時，電動垂直起降飛行器將配備容量很大的電池組，典型的4座飛行器通常會配備140kWh的電池組。如果起降場配備高壓快充基礎設施，就可以利用上下客的短暫停留給飛行器充電，從而擴展航程和任務頻率。值得一提的是，美國能源部的“電池500計劃”在未來5年內將投資5000萬美元用于研發能量密度500Wh/kg的電池和大功率充電技術。

監管認證

在他的講話中，丹·埃爾威爾強調了監管認證流程對確保飛行安全的重要性。他說：“在大家眼中看到的是城市空中交通的美好畫卷，但在我眼中，我看到的是汽車那么大的旋翼類飛行器在人們頭頂飛行。這是最大的挑戰，航空航天業界的絕妙創意和日新月異的技術是我們樂見的，作為監管部門，改變世界的創新是我們希望看到的，但前提是必須能夠確保在城市空域安全飛行。”

丹·埃爾威爾說：“基于性能的規定最終將成為城市空中交通飛行器技術標準的基礎。對于需要獲得認證的企業，我們從傳統的監管框架開始，逐漸過渡到以使用場景為最重要考量因素的認證方式。在適用現有認證規則的地方適用現有規則，在沒有現有規則的時候就制定新的規則。”

2019年7月，歐洲航空安全局（EASA）發布了針對混合電動飛行器和電動垂直起降飛行器安全認證的第一部分內容。歐洲航空安全局執行理事帕特里克.Ky（Patrick Ky）宣布：“我們正在積極與航空航天業界合作制定恰當的技術要求，確保這一新技術能以安全和對環境友好的形態服務社會。適用于這些新概念飛行器的適航性認證的通用標準的確立，將有利于歐洲市場的公平競爭，也有利于對未來的企業和投資者明確了解監管環境。”

正如已經驗證過的那樣，電動垂直起降飛行器將根據修訂后的聯邦航空局監管條例（FAR）第14部第135部分中更嚴格的要求進行制造、飛行和維護。至少在自動駕駛技術更成熟以前，其中大多數飛行活動將首先由持商照的飛行員駕駛。這些飛行員必須符合更高等級的訓練、經驗、飛行復測和身體條件要求。隨著電動垂直起降飛行器按需服務規模的擴大，對飛行員的需求量也將擴大，這將進一步加劇商照飛行員緊缺的現狀。目視飛行（VFR腰求至少500飛行小時的經驗，儀表飛行（ IFR）要求至少1200飛行小時的經驗。

“先學會爬、在學走和跑”的發展哲理

丹·埃爾威爾給電動垂直起降飛行器商業運營提供了寬松的進度安排，他告訴現場與會者說：“讓我們首先從蹣跚學步開始，首先在非人口稠密區開展低風險業務，采集數據并評估安全性。當我們準備好之后，再逐漸系統性地過渡到在人口稠密區開展半自主化飛行服務，當自動駕駛技術成熟的時候，最終目標將是在繁忙的城市空域讓飛行器完全實現自動駕駛。”

這個時間進度和積累經驗的過程讓用戶和監管部門能夠更了解這一新技術，通過對采集的飛行數據進行統計分析，判斷自動駕駛是否能提供更高的安全性。一旦分析表明自動駕駛的電動垂直起降飛行器是一種更安全的飛行方式，它們將獲得在城市空域運營的許可。

美國宇航局和聯邦航空局正在積極與業界企業、聯邦機構、私人投資者、專業組織、大學和國際航空組織合作，分析研究空中按需出行業務面臨的阻礙。私營企業需要投入資金發展相關基礎設施，這對于消費者、社區和可持續發展很重要。同樣重要的是，運營企業必須與當地社區以及地方、州和國家政府機構積極交流，打消他們對噪聲、安全和隱私問題的憂慮。