城市空中運輸正在接近現實

格雷厄姆·沃里克（華盛頓）

城市空中運輸越來越接近現實，多家制造商正在開展電動垂直起降飛行器原型機適航審定并制定擴大生產的計劃，相關監管機構不斷落實適航審定法規制定和空域管理，社區也在參與和學習新觀念。

市場一直在變化，先進空中運輸（AAM）生態系統具有更廣泛的內涵，將電動垂直起降（eVTOL）、電動短距起降（eSTOL）以及電動常規起降（eCTOL）有人機和無人機及其創新技術，應用于城市、農村和區域運輸。城市空中運輸現在被視為先進空中運輸生態系統的一部分。

新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）疫情或許使空中出租飛車的熱度降溫，但并未消減新興城市空中運輸行業的熱情。各型電動垂直起降飛行器測試正在加快步伐，首批型號適航審定和商業交付可能在未來三年內完成。

由于新冠肺炎疫情使經濟持續低迷，引發企業融資困難，電動垂直起降飛行器行業已開始分化出第一波和第二波企業，第一波是行業引領者，在新冠肺炎疫情來襲時，其資金已到位，而第二波是追隨者，仍在尋找資金或觀望市場如何發展。

隨著原型機適航審定陸續展開，第一波公司正在充實其商業計劃，但這些計劃并非全部聚焦于城際城市空中運輸項目，還涉及城際航班、醫療物資運送、無人物流、應急救援和軍事任務等新興市場。

圖1 先進空中運輸生態系統具有更廣泛的內涵。

電動垂直起降飛行器概況

根據《航空周刊》對垂直飛行協會電動垂直起降概念機目錄的分析，截至2020年8月初，已有近130個商業項目啟動，該數字并未包含學術和業余等項目的非商業概念機。

哪款電動垂直起降飛行器會勝出

由于技術尚不成熟，電動垂直起降飛行器市場尚未確定任何優選構型，多旋翼無人機仍然是最受歡迎的構型。但業界正在普及更高效的飛行器，如采用旋翼與固定翼相結合的布局設計，以提供垂直起降功能，并獲得巡航速度和航程。

各型飛行器測試正在進行

喬比航空推進飛機測試

2019年底，喬比航空成為首家承諾運營飛機的電動垂直起降飛機開發商，以支持優步公司“提升”（Elevate）空中乘機共享方案。優步原計劃在2023年推出首次商業服務，但據稱因新冠疫情將推遲約6個月，少量空中出租飛車可能會于2024年初在個別城市投入運營，這一時間窗口得到不止一家電動垂直起降飛行器開發商支持。

表1 電動垂直起降飛行器行業有多少玩家？

圖2 電動垂直起降飛行器主要構型。

2020年1月，喬比航空宣布獲得5.9億美元C輪融資，由汽車制造商豐田（Toyota）領投，至此該公司融資總額達到7.2億美元。

電動垂直起降飛行器市場領軍企業喬比航空總部位于美國加州圣克魯斯（Santa Cruz）縣，邦尼杜恩（Bonny Doon）小鎮在圣克魯斯西北部，2020年7月該公司認證原型機從邦尼杜恩（Bonny Doon）小鎮一個廢棄采石場，由直升機空運到舊金山南部的美國陸軍亨特利格特堡（Fort Hunter Liggett）基地，并在該基地管制空域進行擴展飛行測試。

喬比航空計劃在2023年之前獲得美國聯邦航空管理局（FAA）第23部全電動垂直起降傾轉旋翼飛機適航審定。目前這架有人駕駛飛機一次充電后，可載運四名乘客，以322km/h的飛行速度能飛行241km。喬比航空還將依據美國聯邦航空管理局第135部進行適航審定，成為該型飛機的商業運營商。

美國國家航空航天局（NASA）計劃在2021年春季與喬比航空開展飛行測試，這是美國國家航空航天局先進空中運輸全國競賽（National Campaign）的啟動階段。第一屆全國競賽（NC-1）將在2022年之前舉辦，全國競賽開發測試活動將在加州美國國家航空航天局阿姆斯特朗飛行研究中心舉行。

全國競賽系列活動旨在將電動垂直起降飛行器、空域服務商和機場集成于一體，在運營場景開展集成演示，以支持先進空中運輸需求和系統開發，這是安全擴大商業運營的關鍵。

貝塔公司持續開展測試

2020年6月，貝塔（Beta）技術公司（下稱貝塔公司）工程原型機從佛蒙特州伯靈頓的基地，由直升機空運到紐約普拉茨堡國際機場，途中曾飛越尚普蘭湖，最后到達尚普蘭湖和原戰略空軍司令部轟炸機基地，開始擴展飛行測試，貝塔正在設計認證原型機。

貝塔公司創始人凱爾·克拉克（Kyle Clark）2020年7月接受佛蒙特公共廣播電臺（Vermont Public Radio，VPR）采訪時表示，貝塔公司是業內唯一一家接到商業訂單的公司，已獲得聯合治療（United Therapeutics）公司的啟動資助，并開發“阿利亞”（Alia）電動垂直起降飛行器，最初用途是運送移植器官，下一個任務目標是貨運，但開展空中出租飛車的飛行還很遙遠。

“阿利亞”電動垂直起降飛行器具有升力加巡航功能，可以容納6人，重量為2724kg，航程463km，一次充電后可攜帶兩名乘客和一個醫療任務載荷，該醫療任務載荷放置在一個獨立的載荷艙。

2020年5月，貝塔公司和喬比航空成為第一批進入美國空軍“敏捷至上”項目“初始能力開放”第三階段的電動垂直起降飛行器開發商。“敏捷至上”項目旨在加快開發商獲得美國聯邦航空管理局適航審定的進程，并確定國防部早期采購機會，進而幫助開發商啟動生產。

在第三階段，貝塔和喬比航空將提供飛行模擬器和測試數據，使空軍了解其電動垂直起降飛行器的能力和潛在任務，從而獲得簽訂原型機和飛行器生產合同的機會。貝塔公司的目標是，2020年交付模擬器，2023年交付飛行器。

沃洛考普特力推“沃洛城市”

在德國，2017年沃洛考普特（Volocopter）曾在迪拜進行了原型機無人演示，2019年9月在德國斯圖加特梅賽德斯-奔馳博物館開展電動垂直起降多旋翼飛行器首次城市公開演示，據悉戴姆勒公司是該博物館的其中一家投資商，2019年10月該公司與英國天空港（Skyports）合作，在新加坡濱海灣一個浮船塢上展示了垂直起降機場原型設施。

按照2022年開始飛行的計劃，該公司正在繼續試飛其預備系列產品中的2X原型機，并計劃2022年底與歐洲航空安全局（EASA）共同開展生產型“沃洛城市”（VoloCity）飛行器適航審定。這款電動垂直起降多旋翼飛行器可搭載兩名乘客，重量901kg，飛行速度109km/h，最大航程35km。

當該架飛行器完成初始試飛后，將由沃洛考普特開展品牌服務運營，該公司目前已融資1.44億美元，一直在與法蘭克福機場運營商法蘭克福機場集團（Fraport），就基礎設施和運營開展合作，計劃先提供城際空中出租飛車和機場接送服務。

圖3 貝塔公司“阿利亞”的最初用途是運送移植器官。

圖4 沃洛考普特正在測試2X原型機。

圖5 天空港與沃洛考普特將合作建造一個移動式垂直起降機場。

圖6 百合花期待其飛行器能為城市中心與高速運營網絡提供運輸服務。

圖7 在新西蘭進行乘客試飛前，威斯克已恢復“可拉”飛行測試。

百合花在行動

德國電動垂直起降飛行器開發商百合花（Lilium）公司也計劃從2025年開始運營品牌服務，但目標市場有所不同。百合花的目標是，為城市中心與高速運營網絡之間的運輸提供服務，該公司認為在城市中運營對節省時間意義不大，也沒有足夠的空間供飛行器垂直起降。首席執行官丹尼爾·維根德（Daniel Wiegand ）甚至稱城際運營也不可取。

根據所選市場模式，百合花為其垂直起降涵道風扇飛行器設定了很高的性能目標。這種5座飛行器設計飛行速度為297km/h，可將旅客運送到盡可能遠的城市，并以足夠快的飛行速度創造時間增益。百合花認為，它的產品能以低于高速鐵路的運營成本，為城市中心提供空中運輸服務。

維根德承認，全電動飛行器的飛行速度可能不會在一開始就達到300km/h的目標，但預計隨著技術的成熟，每兩至三年一次的電池升級將帶來顯著的產品改進。他表示，若使商業案例正常運營，在投入使用時，飛行速度必須至少達到149～179km/h，百合花能輕松突破這項技術瓶頸。

百合花第一架飛行器在2019年啟動飛行后，在更換電池時因發生地面火災而受損，目前正準備測試第二架全尺寸技術驗證機，預計2022年底或2023年初，當認證原型機接近系列標準時，將開展首次飛行。

威斯克開發自主飛行器

盡管大多數第一波電動垂直起降飛行器公司都在開發有人駕駛空中出租飛車，至少在進行最初階段的試點，以簡化監管審批。

波音和小鷹航空（Kitty Hawk）的合資企業威斯克（Wisk）公司已經走上自動駕駛飛行器的開發之路。為獲得新西蘭民航局批準，威斯克正在努力開展“可拉”（Cora）雙座、電動垂直起降自動駕駛飛行器的載客試驗，該機將在預設航空旅游航線進行商業飛行，以了解乘客如何與自動駕駛飛行器交互。

目前，“可拉”最大起飛重量1271kg，航程約40km，其中包含備用航程。首席執行官加里·吉辛（Gary Gysin）表示，這架全電動飛行器具有半自主性，可在地面控制站操控員控制下，按預設航線飛行。威斯克正在開發更高等級的自主技術及產品，包括防撞系統和飛行中更改航線。當“可拉”擁有更高等級的自主性，在美國擁擠的城市上空提供城市空中運輸服務時，一位地面操控員能控制多架“可拉”飛行。

吉辛稱，最初的客運航班將由威斯克新西蘭子公司在非常封閉的環境中運營，這意味“可拉”無人機將在新西蘭南島的一個偏遠地區飛行，這是一條非常規航線，有預先確定的緊急降落點。他將這個運行過程描述為“爬行-行走-奔跑”中的爬行階段，這種方法將能使威斯克公司飛行器最終在美國各大城市上空運營。

威斯克在設計第五代電動垂直起降飛行器時，同時升級了“可拉”性能，希望其在新西蘭獲得適航證。盡管新西蘭的適航審定程序與美國不同，但非常嚴格，這促使威斯克改進內部業務運作和需要獲得適航證的所有文件，也將是威斯克與美國聯邦航空管理局合作的第一步。

谷歌聯合創始人拉里·佩奇（Larry Page）和塞巴斯蒂安·特倫（Sebastian Thrun）創立小鷹航空時開發了三個項目，“可拉”是其中之一，后者曾領導谷歌自動駕駛汽車團隊。

第一個項目是“飛行者”（Flyer）單座、超輕型休閑娛樂飛行器，該機是一種性能較低的載人型無人機。2020年6月該項目被終止，終止前小鷹航空已制造出100多架該型飛行器；

第二個項目便是“可拉”，現在被轉到威斯克；

第三個項目是“海維賽德”（Heaviside）高性能單座、電動垂直起降飛行器，用于單人次空中運輸，目前正在進行飛行測試。這型飛行器前置水平機翼和前掠翼共安裝有8個傾轉旋翼。小鷹航空已制造出大約10架原型機，用于飛行測試，出于安全考慮，最初設計成無人機，目標是三年內獲得美國聯邦航空管理局第23部型號適航證。

“海維賽德”以273～289km/h的速度能飛行193km，加上10%的備用航程。在離地366m的高度以巡航模式飛行時，噪音只有35dB。當飛行速度為193km/h時，能耗是65Wh/km，而特斯拉Model 3電動汽車以97km/h速度行駛時，能耗卻是186Wh/km。

“海維賽德”的飛行速度更快、運營高效且易于飛行，瞄準短程運輸、應急救援和軍事市場。小鷹航空創始人特倫認為，“海維賽德”并不是一種可能取代直升機的新平臺，很可能是替代汽車的飛行器。

雖然現在很多商業項目都在開發5座飛行器，而5座確實有其實用價值，但單座將變得更加通用，這兩種觀點目前還在公開辯論中。

隨著市場發展，第一波浪潮的領導者開始制定生產計劃。喬比航空正在加州蒙特雷郊外的瑪麗娜（Marina）建造一個制造和測試工廠，并計劃利用主投資商豐田公司在制造、質量和成本控制領域的專業知識。百合花公司已通過增量融資，募集資金超過3.75億美元，在巴伐利亞州韋斯林建立了批量生產工廠。現在飛行的七架“可拉”是由加州帕洛阿爾托制造，但批量生產將在制造成本較低的地區，可能是現有的波音工廠。

到目前為止，大多數電動垂直起降飛行器初創公司均在公司內部開發關鍵系統，但當它們尋求批量生產時，有跡象表明會出現更傳統的供應鏈。百合花已與東麗公司（Toray）簽訂碳纖維復合材料供貨協議。沃洛考普特委托德國迪爾航宇公司（Diehl Aerospace）制造飛控計算機。霍尼韋爾新成立的城市空中運輸部門將在第一批投產的電動垂直起降飛行器安裝設備。

主要制造商仍在觀望市場

與此同時，大多數主要制造商對城市空中運輸持觀望態度。

貝爾（Bell）和巴西航空工業公司（Embraer）還沒有飛行其電動垂直起降飛行器演示樣機。

空客公司雖然試飛了試驗臺，但和現代汽車公司一樣，考慮成為第二波空中出租飛車制造商，預計2028～2030年期間投入使用。

航空金融（AirFinance）集團創始人兼首席執行官柯爾斯頓·巴托克·圖（Kirsten Bartok Touw）表示，第二波公司正在觀望，等待先行者即那些能獲得融資的獨立公司犯下錯誤，并鋪平道路后緊隨其后，一旦看到這條道路暢通清晰，便隨時準備出發。她列舉了日食（Eclipse）公司案例，這家初創公司開創了輕型飛機市場，后來卻遭遇失敗，但為塞斯納“獎狀野馬”（Citation Mustan）公務機鋪平了道路。

推進法規制定

在制造商制定生產計劃的同時，監管機構也在不斷開展適航審定。但目前為止，二者之間的步調并不一致，這是電動垂直起降飛行器行業關注的問題。

歐洲航空安全局適航審定

歐洲航空安全局于2019年7月發布了垂直起降特殊條件（Special Condition for VTOL，SC-VTOL）適航審定規則，為具有三個或更多升力/推力單元的小型垂直起降飛行器建立了一個新的適航審定類別。

隨后，歐洲航空安全局在2020年1月提出適用于電動和混合動力推進系統的擬議特殊條件適航審定規則，并于6月截止公眾意見征詢。第三階段是在2020年5月，歐洲航空安全局發布了第一個擬議垂直起降特殊條件的符合性方法（Means Of Compliance,MOC）并征詢意見。

根據歐洲航空安全局要求，擬議符合性方法涵蓋了結構總體設計、飛行載荷條件、墜毀承受性、鳥撞后的飛行能力、電傳操縱系統設計、安全評估程序、防雷擊和最低操縱性能等級等關鍵適航審定要求。

百合花和沃洛考普特均在根據垂直起降特殊條件，開展其電動垂直起降飛行器適航審定，垂直起降特殊條件為商業運營建立了一個增強性類別，該類別要求電動垂直起降飛行器與商業運輸機具有相同的災難性故障概率即10-9。

美國聯邦航空管理局適航審定

美國聯邦航空管理局采取的辦法是，根據現有法規對電動垂直起降飛行器進行適航審定，并對產品特性附加特殊條件。大部分電動垂直起降飛行器需根據第23部第64號修正案進行適航審定。根據產品性能，該修正案對通用航空器管理規則進行修訂，通用航空器允許使用行業共識作為符合性方法的標準。

圖8 “海維賽德”很可能是一種替代汽車的飛行器。

美國聯邦航空管理局無人機系統綜合辦公室主任杰伊·梅克爾（Jay Merkle）2020年1月曾表示，至少有6型電動垂直起降飛行器的型號適航審定進展順利。雖然由于新冠疫情暫停了飛行測試，但幾家城市空中運輸領域的初創公司與美國聯邦航空管理局官員召開線上會議，在適航審定工作中繼續取得進展。

隨著首批電動垂直起降飛行器通過基于標準修改內容的第23部適航審定。美國聯邦航空管理局和工業界正在共同努力識別運營這些飛行器的其他監管障礙，包括研究如何減少類似第91部的運營規則，讓電動垂直起降飛行器行業能夠利用自動駕駛性能的提升，來簡化飛行器操作和培訓。

美國聯邦航空管理局的不同辦公室負責航空器適航審定和飛行標準服務，在基于標準的適航審定方法上可能會導致脫節。美國聯邦航空管理局無人機和自動駕駛航空器技術負責人韋斯·瑞安（Wes Ryan）認為，美國聯邦航空管理局面臨的最大挑戰之一是，該管理局雖然只能控制航空器適航審定的大部分流程，但能夠在航空器設計階段對新產品進行適航審定，并且可以幫助制造商開展適航審定，使飛行器獲得更容易飛行的技術。這項技術的可接受性以及自動化如何集成到空域，實際上是美國聯邦航空管理局和制造商正在共同努力解決的問題，而對操作規則的審查是首次嘗試航空器自動化技術對規則的影響。

預計城市空中出租飛車服務將會按照現有飛行程序審批，在現有直升機航線開始運營。但要想擴大運營規模，使電動垂直起降航空器運營成本和機票價格，低到可以與出租車票價相競爭，需要提高空中出租飛車自主性等級和增強空域管理系統的自動化水平。

2020年6月下旬，美國聯邦航空管理局發布了第一版城市空中運輸運營方案（ConOps 1.0），該方案由該管理局、美國國家航空航天局和工業界共同規劃。美國聯邦航空管理局預計，方案將分三個階段發展，首先是航空器在現有規則下運營，然后發展到第一版城市空中運輸運營方案，即有人駕駛飛行器在城市空中運輸專用航路運營，進而使用自動駕駛飛行器和遠程操控飛行器開展大客流量、成熟運營。

最初階段，低速城市空中運輸服務將使用現有直升機的運營規則和基礎設施。但美國聯邦航空管理局預計，隨著進程加快，有人駕駛空中出租飛車將在指定城市空中運輸機場之間，利用專用航路飛行。

在這些專用航路內，空中出租飛車運營將遵守特定的城市空中運輸規則、程序和飛行限定要求。在專用航路下方122m以下，為無人交通管理（UTM）空域，上方為現有空中交通管理（ATM）規則指定的空域。

在城市空中運輸專用航路，基于社區而制定協同交通管理規則，并經美國聯邦航空管理局批準。在城市空中運輸運營期間，運營商將使用第三方城市空中運輸服務商（Providers of services for UAM, PSUs）接收和交換信息。

城市空中運輸服務商將支持運營計劃、飛行計劃共享、戰略和戰術沖突消除、空域管理和非常態運營。這些服務商將與無人交通管理空域的無人機系統服務商（USS）交換信息。

圖9 第一版城市空中運輸運營方案設定了專用航路。

圖10 美國聯邦航空管理局城市空中運輸運營方案示意圖。

第一版城市空中運輸運營方案設計了三個自動化等級，第一是人在回路中，由一名機上飛行員直接控制飛行器；第二是人對回路中的飛行器進行監控和主動監控；第三是人在回路外，在需要自動駕駛時，由遠程操控員進行監控。

圖11 空客已擴展“城市空客”飛行包線。

巴西航空工業公司開發新系統

巴西航空工業公司的市場加速器部門即巴西航空工業公司X(EmbraerX)事業部，利用巴西制造商的空中交通管制專業技術，開發了一種城市空中交通管 理（Urban air traffic management，UATM）系統，該系統將彌合當今基于人員語音的空域管理與未來高度自主飛行之間的差距。

城市空中交通管理系統是一種基于程序的空域設計方法，并依賴當今基礎設施而發展，但隨著電動垂直起降飛行器和空中交通管理軟件的發展，城市空中交通管理系統也具有拓展潛力。它是一個管理城市空中交通的核心系統，可與空中交通管理服務商和無人交通管理服務商交換信息。城市空中交通管理系統項目負責人大衛·羅特布拉特（David Rottblatt）表示，城市空中交通管理系統提供了擴展所需的程序和服務。

城市空中交通管理系統基于空域和程序設計、信息交換兩項基本服務而發展。它提供飛行授權、流量管理、動態空域管理和一致性監控共四項運營服務。羅特布拉特稱，巴西航空工業公司X事業部目前在與全球多家航空導航服務商合作，為不同城市量身定制城市空中交通管理運營方案。

巴西航空工業公司X事業部總經理兼首席執行官丹尼爾·莫奇德洛（Daniel Moczydlower）表示，針對自主性，該公司逐漸發展的愿景是，早期的商業運營將涉及遠程操控無人機，但在人口密度不高的偏遠地區運營，逐漸提高自主性等級。這有利于巴西航空工業公司收集數據。

莫奇德洛指出，下一個挑戰是自主性解決方案，機上仍有飛行員，監控并與系統交互，但高度系統化運營，將由基于程序的城市空中交通管理系統實現。而下一代方案中，機上將不會有飛行員，但仍有高度系統化運營，為安全收集數據提供信心和運營經驗。對于非系統化運營，巴西航空工業公司將對未來挑戰做好準備，未來終級目標是隨時隨地實現完全自主飛行。

獲得認可

隨著制造商持續開展適航審定測試和推進生產計劃，以及相關機構法規制定和空域管理不斷取得進展，城市空中運輸行業在推出商業服務之前，期待與社區緊密合作并找到基礎設施的建設地點。

2020年1月，迪拜道路和運輸管理局表示，計劃2022年進行首次商業空中出租飛車運營。7月，阿聯酋頒布了一項法規以支持“天穹”（Sky Dome）方案，為包括空中出租飛車在內的無人機創建一個模擬空域系統。

雖然百合花在2025年前不會開始運營，但透露了一種模塊化垂直起降機場概念，該概念可以從小規模建設開始，隨著市場增長可迅速擴大規模。這一構想可能會在世界各地推廣，2020年7月，百合花已將此概念介紹給佛羅里達州坦帕灣地區區域交通管理局，此后該管理局開始投票決定商談該地區成為美國的試驗地點。

在歐洲，德國英戈爾施塔特和法國圖盧茲等城市都主動提出成為城市空中運輸的試驗地點。英戈爾施塔特-曼欣格機場擁有一個軍事測試中心，空客按計劃在2020年7月底完成多瑙沃斯工廠的首次全自主飛行后，將在該軍事測試中心開展“城市空客”（CityAirbus）電動垂直起降演示機的擴展包線飛行。

在美國，社區空中運輸倡議（CAMI）非營利組織開始與當地機構接觸和并開展宣教。社區空中運輸倡議組織聯合執行董事約蘭卡·伍爾夫（Yolanka Wulff）表示，許多大城市有10至20年的規劃時間窗口，要讓城市空中運輸在許多制造商期待的時間內推出，現在就必須將其納入城市交通規劃，因此必須特別關注公眾的接受度。

盡管無人空中交通行業取得了明顯進展，但仍需謹慎行事。社區空中運輸倡議組織聯合執行董事安娜·迪特里希（Anna Dietrich）說，往往是那些認為一夜間就能從0沖到60的人更有抵觸情緒，而且更堅信城市空中運輸根本行不通。需要強調的是，該行業對城市空中運輸采取的是從爬行、到行走、再到奔跑的發展方式，這對公眾逐漸接受城市空中運輸非常重要。