優步持續推進城市空中交通穩步進展

李韻

如果說2017年的Uber日evate峰會的主題是電動垂直起降飛行器，2018年的Uber EIevate峰會的主題是數以千計的空中出租車在城市上空飛行的愿景，那么2019年的Uber日evate峰會的主題則是研發這些飛行器去實現這一愿景的可行性。

2019年的Uber Elevate峰會于6月在華盛頓舉行，重點介紹了業界自2016年優步首次發布Uber Elevate白皮書至今取得的進展，同時也強調了要實現城市空中交通愿景需要應對的各項重大挑戰。

在本次峰會上，業界合作伙伴展示了各自的原型機，介紹了研發進展;監管部門代表帶來了監管認證方面令人振奮的消息，再次回應了外界對優步的宏偉目標是否可行的質疑;優步也詳細介紹了自身的各項工作，包括電池測試和致力于降低噪聲的模擬網絡。

相關工作正取得的進展是毋庸置疑的，多個電動垂直起降飛行器（eVTOL）原型機已進行了試飛，此次峰會閉幕后僅一個月，歐洲航空安全局（EASA）就發布了首個適用于電動垂直起降飛行器的正式認證規則，即垂直起降飛行器特別條款（SC-VTOL）。

優步也部署了Uber EIevate計劃的首批兩個項目：紐約的Uber Copter網約直升機服務和加州圣迭戈的無人機快遞服務。在出發和到達兩端與優步現有的地面交通服務無縫銜接后，曼哈頓核心區和約翰肯尼迪國際機場之間的UberCopter航線將幫助證明Uber Elevate計劃背后的多模復合交通理念。

但當前優步仍然面臨不少困難和阻礙。大多數電動垂直起降飛行器廠商建造原型機還需要募集資金。垂直起降場和空管基礎設施必須部署到位，飛行器必須通過監管部門的適航性認證，運營規則也必須建立起來。

雖然仍面臨諸多挑戰。但優步仍將按計劃在2020年在達拉斯、洛杉磯和墨爾本開始驗證飛行，隨后將于2023年開始在這幾個城市投入少量經過適航性認證的飛行器，開展小規模的試運營。

優步并非城市空中交通領域唯一的重量級選手，但目前是規模最大的。空客正在對其研發的電動垂直起降原型機進行測試，并與多個城市合作提升公眾對城市空中交通的接受度。德國初創企業Volocopter和Lilium公司正在推動他們自有品牌的空中出租車服務，Lilium的5座電動垂直起降原型機Lilium Jet在2019年5月進行了試飛，兩座的Volocopter 2X計劃于今年年底在新加坡開始空中出租車運行試驗。

在本次峰會上，我們可以看出為什么優步相信能夠在2023年開始商業試運營。首先和最重要的是電池。優步對業界最先進的電池產品進行了詳細測試，結果表明當前可通過適航性認證的電池技術在2023年之前能夠提供滿足需求的產品。

優步設定的初步性能要求包括：巡航速度240km/h，搭載4名乘客和1名飛行員，滿電條件下能完成多趟40km的飛行。優步城市空中交通事業部飛行器系統設計總監馬克·摩爾說：“關鍵不在于最大航程，而在于平均每次任務的飛行距離，以及連續不停地進行這種飛行的生產力，同時在于單趟飛行距離在40km內，上下客間隙只需5～7min即可補充能量的快充能力。”

當前的動力鋰電池產品的能量密度約為230～250Wh/kg，但這只是電芯能量密度，不是屆時優步的飛行器將使用的技術水平。電池組的熱管理等附加功能意味著電芯組成電池組后重量會增加約25%，因此電池組能量密度將只有180～200Wh/kq。

此外，飛行器必須圍繞電池組壽命末期（EOL）的性能指標而不是新電池組的性能指標來設計。在6個月的服役壽命期內，電池的內阻會增大，功率密度會降低。優步計劃在電池組容量衰減至85%時將其退役，以2018年的電芯技術來算，此時電池組的能量密度僅為160Wh/kg。

通過與鋰電池廠商的合作，優步相信鋰電池的能量密度將以每年4%的水平增長，馬克·摩爾說：“我們知道這些技術可以量產，我們近期的飛行器在設計上就是以此為準。”在留出2年時間用于認證的情況下，電池組壽命末期能量密度180Wh/kg的產品能夠在2023年開始商業試運營之前投入使用，并在2025年提高到195Wh/kg。

馬克·摩爾說，嚴重的能量限制和整機都需要圍繞電池性能進行設計導致飛行器最大起飛重量不宜超過3.17t。優步計劃在2030年將機隊規模擴展至上萬架，并寄希望于屆時鋰金屬電池能夠用于第二代飛行器，將擁有更輕、使用廉價的熱塑性塑料機身。

電池的使用也是降低使用成本的一個關鍵因素。初期的業務會和現有的直升機服務差不多，以機場到商業核心區的航線為主，但優步希望純電動飛行器能降低成本和價格，從而擴大服務范圍。

曼哈頓到約翰肯尼迪國際機場之間的優步直升機服務的價格約為200～225美元。優步城市空中交通事業部主管埃里克·阿里森說“直升機仍只有富裕階層才消費得起，開始商業運營后，電動垂直起降飛行器的服務價格能降到這一水平的三分之一。”

優步的目標是達到每飛行小時700美元的成本，馬克·摩爾說，載客量相當的貝爾407GXi直升機的使用成本約為每小時1250美元。單發渦軸直升機的使用成本主要在于燃料和維修成本，而電動垂直起降飛行器的這兩項成本極低，我們很有信心達到預定的成本目標。

幾乎所有預計的成本削減都來自燃料和維修。電動垂直起降飛行器的能量成本有兩部分。最小的部分是電力成本，優步預計每小時的電力成本僅為21美元，而貝爾407GXi直升機的燃料成本是每小時270美元。最大的成本是電池衰減折舊成本，因為鋰電池的服役壽命還是比較短的。

“鋰電池是很貴的，”馬克·摩爾說。“我們都知道汽車電池的成本很高，但航空級電池產品的價格，我們認為至少還要高4倍，在600～700美元每千瓦·時左右。按照電池壽命1300個循環，在額定容量衰減A85%時退役，淘汰電池拆解電芯賣給儲能市場售價按50美元每千瓦·時來算，優步預計電池折舊成本可以做到每小時75～90美元的水平。”

在維修方面，優步相信電動垂直起降飛行器的維修成本將介于雙發渦軸直升機和固定翼通航飛機之間，比單發渦軸直升機低很多。馬克·摩爾說，貝爾407GXi直升機的使用成本是每小時477美元，預計優步的電動垂直起降飛行器的使用成本是每小時112美元。貝爾407GXi的發動機每飛行小時的成本是100美元，而電動垂直起降飛行器的電機每飛行小時的成本只有5美元。

在以上的計算對比中，優步并未計入其它方面的成本節省，至少目前是這樣的，包括最終實現無人駕駛時將節約的飛行員人工成本。至少在投入商業運營的前10年里，電動垂直起降飛行器都將由飛行員駕駛，雖然馬克·摩爾預計，隨著時間的推移和先進飛行控制技術的進步，飛行器的駕駛問題將得到極大簡化，從而使飛行員人選不再局限于數量有限的商照飛行員。但最終，自動駕駛技術將完全成熟，預計到2030年，在積累了5000萬～7500萬架次的飛行后，采用自動駕駛技術的電動垂直起降飛行器將具備尋求商業運營許可的基礎。

在采購成本方面，優步預計初期的采購成本將和直升機差不多。“直升機非常貴，以商用飛機的標準來看直升機的價格是非常貴的，因為產量有限，需要嚴格檢查和經常更換的關鍵零件的數量又多，”馬克·摩爾說，“從近期來看，電動垂直起降飛行器的采購價會和輕型直升機相當。雖然電動垂直起降飛行器不需要使用直升機上最昂貴的組件一渦軸發動機，但小批量生產的價格平攤了研發成本后還是很高的。”

如果優步按計劃擴展業務規模，大批量生產將能夠降低采購單價。屆時最大的問題將是噪聲問題，這對于公眾接受程度至關重要。優步的目標是比輕型直升機的3級噪聲限制低15dB。這并非隨意選定的數值，聯邦航空局對市區晝夜平均噪聲標準（DNL）的指導意見是65dB。“降低飛行器的噪聲水平意味著在同樣的晝夜平均噪聲標準下，可以飛行更多架次，”優步城市空中交通事業部飛行器設計總監羅博·麥克唐納表示。

“起飛重量23t、噪聲等級3級的直升機在晝夜平均噪聲標準限制65dB的環境下每天只能飛行40架次。這對于直升機的飛行頻率并不構成影響，”羅博·麥克唐納說“相比之下，1個中型垂直起降機場的起降容量是每天500架次。更大的垂直起降場可達每天1200架次。要滿足晝夜平均噪聲標準限制，電動垂直起降飛行器的噪聲需要比同級別直升機降低15dB。這也是我們給飛行器設定的目標。”優步已經有至少1架原型機的噪聲水平達到了降低15dB的標準。

“這個降噪目標能夠達到嗎？目前看來還要很多困難要克服，”羅博·麥克唐納說。分布式電推進設計可以從多方面降低飛行器噪聲，包括：螺旋槳直徑、槳尖線速度和槳葉剛性、槳葉展弦比、槳葉后掠和槳葉數量、電機驅動相位控制和飛行軌跡優化。“這些措施可能不能全部用到單一型號的電動垂直起降飛行器上，但我認為這些措施能夠極大降低飛行器的噪聲，”羅博·麥克唐納說，“在巡航階段極大降低噪聲是可能的，我們預計未來還將設定更激進的降噪目標。”

除降低飛行器噪聲外，優步也在研究對飛行活動進行管理，幫助將飛行器噪聲融入城市背景噪聲以最大限度減小對居民的影響。“我們設定了一個社會接受度可行性實施路徑，包括飛行器設計、垂直起降場選址和設計、以及路徑和運營規劃，”優步城市空中交通事業部運營規劃助理羅希特·戈亞爾說。

優步已經啟動了一個名為“交響樂計劃”的項目，內容是對城市噪聲背景進行研究，在達拉斯和圣迭戈兩個城市進行大規模的背景噪聲統計分析。采集的數據將通過機器學習技術生成一個運營規劃工具，該工具能預測任意地點在任何時間的背景噪聲分貝值，進而分析飛行器經過該地點產生的影響。

“我們會用這個工具去優化運營決策，當背景噪聲分貝值高的時候，飛行活動可以更頻繁。在相對安靜的時間段，我們可以改變飛行路徑從背景哚聲相對高的地方經過，實現盡可能減輕噪聲擾民問題和盡量不影響運營的目標。”

降低成本和噪聲非常重要，而安全性無疑是重中之重。“我們的電動垂直起降飛行器必須是由電池提供能量、必須相對安靜，最重要的是必須非常安全，這是我們每一項工作的核心和前提，”埃里克·阿里森說。優步已經開發了一套安全管理系統，這是一套組織層面的正式風險管理系統，已經開始用于Ube rCopter和Uber Eats業務。

在安全方面，當前最緊迫的是監管認證問題。以下是這方面的一些最新進展：Lilium、Volocopter和其它一些歐洲企業會按照歐洲航空安全局（EASA）新制定的適用于電動垂直起降飛行器的首個正式認證規則，即垂直起降飛行器特別條款去進行適航性認證。在美國方面，聯邦航空局截至目前的做法是按照聯邦航空局監管條例（FAR）Part 21.17b中的特殊適航性認證規則，對提交的申請進行定制化審批。取決于飛行器的配置，申請人在認證過程中遵照的規則包括Part 23中的常規類通航飛機認證規則、Part 27中的輕型直升機認證規則以及特別條款。

聯邦航空局正在為電動垂直起降飛行器制定新的認證規則，使相關認證工作標準化。相關內容尚未公開，但預計會和歐洲航空安全局的垂直起降飛行器特別條款類似。“只有一處明顯不同，”通用航空制造商協會（GAMA）歐洲法規事務主管凱利·馬丁說。

“歐洲航空安全局的硬件認證規則中包括了運營規則，聯邦航空局預計將首先制定飛行器硬件的認證規則，隨后再增加單獨的運營認證規則。但最終產物還是會非常相似，”凱利·馬丁說。

預計美國的認證規則都將大量借鑒聯邦航空局監管條例Part 23中的內容，正如歐洲航空安全局制定的垂直起降飛行器特別條款大量借鑒了CS-23中的內容。這意味著業界能使用業界公認標準進行適航性認證，其中大多數都是ASTMInternational的F44T作組制定的。通用航空制造商協會的電推進和創新委員會（EPIC）的審核結論是“F44標準中有70%的內容適用于電動垂直起降飛行器。”

在歐洲，商用電動垂直起降飛行器將根據垂直起降飛行器特別條款中的商用級（Enhanced）分類進行適航性認證，其中對每飛行小時的功能性災難性故障率的規定為10^-9。與民用飛機的標準相當。聯邦航空局尚未發布任何具體規定，但預計將和聯邦航空局監管條例Part 23中根據載客量分級的做法類似，將優步這一級別的電動垂直起降飛行器的功能性災難性故障率規定為10^-8，相當于Pilatus PC-12這一級別的通航飛機的標準。優步認同聯邦航空局的指導意見，但優步的飛行器研發伙伴企業表示他們會按照歐洲航空安全局制定的標準去研發飛行器。

飛行器認證只是第一步。“并不是說通過適航性認證就結束了。還有飛行員訓練、空中交通管理、運營商和垂直起降場認證等。”凱利·馬丁說。由于電動垂直起降飛行器和現有的固定翼和直升機都不一樣，飛行員訓練和認證，以及聯邦航空局監管條例Part 135中關于空中出租車的運營規則都需要進行適配。“這一過程所需的時間通常比制定適航性認證規則更長，因為這一過程涉及的當事方又不一樣，包括政客，”他說。新的運營規則的制定預計將用時5～7年。屆時可能導致電動垂直起降飛行器商業運營推遲到20年代中期。

通用航空制造商協會的電推進和創新委員會新的飛行員訓練認證委員會的乘員于2019年8月首次開會研究針對電動垂直起降飛行器的飛行員認證規則。目標是在今年年底初步拿出一份關于如何針對城市空中交通去適配相關訓練和認證規則的報告。歐洲航空安全局已成立了一個新的工作組開始研究制定電動垂直起降飛行器運營規則，乘員包括Llilium和Volocopter公司。“我們希望他們能加快規則制定過程，”凱利·馬丁說。

“聯邦航空局監管條例Pa rt 23和Part 135是最適合的，”優步城市空中交通事業部航空政策總監凱特·弗雷澤說。“Part 23中基于業界共識的認證原則是最佳的適航性認證方式，Part 135中關于空中出租車的規則也是最適合我們的運營模式的。我們正在與監管部門和業界伙伴共同努力解決飛行員要求方面的核心問題。不解決這些問題商業運營就無從談起，”她說，“我們要做的任何事都會遇到限制。但這是有明確原因的。那就是確保人們的安全。”