無人電動垂直起降飛行器在未來城市空中交通中的發(fā)展

王鋒　楊金洋　佟剛　丁一寧

摘 要：隨著城市化進程的高速推進，城市早晚高峰擁堵、環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重，城市空中交通作為一個新興的航空領(lǐng)域應(yīng)運而生，也推動了城市空中交通的主力軍無人電動垂直起降飛行器的開發(fā)應(yīng)用。無人電動垂直起降飛行器吸引了包括航空航天企業(yè)、汽車行業(yè)、運輸行業(yè)、政府、軍方及學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。本文系統(tǒng)地綜述了國內(nèi)外對無人電動垂直起降飛行器的研究現(xiàn)狀及城市空中交通面臨的困難與挑戰(zhàn)。展望未來，在全球各國政策的鼓勵支持下，無人電動垂直起降飛行器的研究將改變?nèi)祟惖纳罘绞剑瑤ьI(lǐng)人類進入飛行時代。

關(guān)鍵詞：電動飛機;垂直起降飛行器;空中交通

中圖分類號：V355.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）11-0082-04

Development of Unmanned Electric VTOL Aircraft in Future Urban Air Traffic

WANG Feng1 YANG Jinyang2 TONG Gang1，2 DING Yining1

（1.Liaoning General Aviation Academy，Shenyang Liaoning 110136;2.Mechanical and Electrical Engineering， Shenyang Aerospace University，Shenyang Liaoning 110136）

Abstract： With the rapid progress of urbanization， the problems of traffic congestion and environmental pollution are becoming more and more serious， urban air traffic as a new aviation field is emerging， it also promotes the development and application of the city's air traffic main force unmanned electric vertical takeoff and landing aircraft. Unmanned electric vertical takeoff and landing vehicles have attracted widespread interest from aerospace companies， the automotive industry， the transportation industry， government， the military and academia.In this paper， the research status of unmanned electric vertical take-off and landing vehicle at home and abroad and the difficulties and challenges of urban air traffic were systematically reviewed. Looking forward to the future， with the encouragement and support of global policies， the research of unmanned electric vertical take off and landing vehicle will change the way of human life and lead human beings into the era of flight.

Keywords： electric aircraft;vertical take-off and landing;air traffic

在如今快速發(fā)展的航空領(lǐng)域，各類飛行器的研發(fā)和應(yīng)用都迎來了全球化高潮，而垂直起降（Vertical Take-Off and Landing，VTOL）飛行器憑借其對起降地點要求低的優(yōu)勢，在軍事和民用領(lǐng)域應(yīng)用都極為廣泛[1-2]。此外，與有人駕駛的垂直起降飛行器相比，無人駕駛的垂直起降飛行器總體布局及方案等都較容易實現(xiàn)，先進的飛控技術(shù)也保障了無人垂直起降飛行器起降動作的精確性及可靠性。如今，國家更加重視生態(tài)文明建設(shè)，綠色能源、新型電動飛機的研制為“綠色航空”的實現(xiàn)帶來了新的契機，以無人電動垂直起降飛行器為代表的新型飛機極大地改善了飛機的安全性、便捷性、經(jīng)濟性以及可靠性。作為較有前途的一類飛行器，無人電動垂直起降飛行器正呈井噴式增長。

未來幾年，電動垂直起降飛行器將出現(xiàn)在城市上空。隨著5G技術(shù)發(fā)展成熟，電動垂直起降飛行器穿梭在城市上空的場景將觸手可及[3]。美國國家航空航天局（NASA）提出了“自由移動出行”的戰(zhàn)略框架，愿景是“能夠讓任何人隨時隨地從一處飛向另一處”[4]。報告指出，垂直起降（VTOL）輕型載人飛行器甚至被認(rèn)為是未來城市內(nèi)部出行的交通方式之一[5]。德國咨詢機構(gòu)研究預(yù)測，2025—2049年，飛行出租將會在全球240個城市大規(guī)模應(yīng)用[6]。目前，空客（Airbus）和波音（Boeing）等飛機制造商、通用電氣（GE）等發(fā)動機制造商、西門子（SIEMENS）等系統(tǒng)供應(yīng)商已開始了相關(guān)研發(fā)計劃[7]，城市立體交通的發(fā)展將進一步推動人類技術(shù)革命的進程，這一領(lǐng)域?qū)⒂袡C會成為航空領(lǐng)域最熱門的創(chuàng)新領(lǐng)域。

1 電動垂直起降飛行器發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

垂直起降飛行器能夠在自身動力系統(tǒng)的作用下完成垂直起降，并且可以在不依靠滑跑的情況下起降[8]。獨特的空中定點懸停能力使其成為全球各大航空公司及研究機構(gòu)的研究熱點，并取得了極大進展。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

目前，國外對電動垂直起降載人飛行器的研究較為成熟[9]，一些航空企業(yè)如Airbus、Boeing前后推出過許多不同類別的飛行器。相關(guān)資料顯示，大約有數(shù)十種不同型號的飛行器[10]，其中比較典型的有Airbus推出的Vahana，德國Volocopter推出的VoloCity等。

1.1.1 Vahana。Vahana于2018年1月31日成功試飛。Vahana的動力源由8個電動螺旋槳組成。該飛機長5.7 m、寬6.2 m、高2.8 m，重745 kg，可乘坐一人。為了確保乘客的安全，該飛行器還配備有低空降落傘。空客公司城市空中交通（UAM）系統(tǒng)副總裁扎克·洛弗林表示，2018年Vahana已完成了50次全尺寸飛行試驗，總飛行時長超過5 h（縮比樣機則已完成了1 277次試飛，累計飛行時長51 h）[11]。Vahana全自動自動駕駛垂直起降飛機見圖1。

1.1.2 VoloCity。VoloCity適用于大部分城市地區(qū)的短途空運服務(wù)航班，航程僅為35 km，巡航速度為110 km/h。在運營初期，采用有人駕駛模式，而未來的運營目標(biāo)是自主駕駛模式，進而滿足搭載2名乘客并攜帶行李的需求。德國Volocopter公司2017年在迪拜展出了早期的自主駕駛原型機。Volocopter公司的工程師團隊針對包括2X型在內(nèi)的VoloCity早期原型機進行了1 000多次飛行測試，根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整設(shè)計方案，調(diào)整內(nèi)容包括進一步對其安裝有18個旋翼的梁架結(jié)構(gòu)的空氣動力學(xué)設(shè)計的改進，以及可增加升力和穩(wěn)定性的新型穩(wěn)定器。Volocopter公司首席執(zhí)行官Florian Reute表示：“通過投入使用VoloCity，我們將開辟首條商業(yè)航線，實現(xiàn)未來城市空中交通。”VoloCity的示意圖如圖2所示。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

政策的支持是我國發(fā)展航空事業(yè)的基石。中國民航局（CAAC）自2019年來先后發(fā)布eVTOL相關(guān)的重要文件，《促進民用無人駕駛航空發(fā)展的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》指出：“在2035年之前，建立包括載人在內(nèi)的無人駕駛航空交通運輸系統(tǒng)。……重點開展低空無人機公共航線劃設(shè)和運行研究，組織開展垂直起降載人（VTOL）及物流無人機試運行，為制定適航、飛標(biāo)、空管運行規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。在安全運行的基礎(chǔ)上，拓展無人駕駛航空商業(yè)運營模式，擴展無人駕駛航空經(jīng)營許可范圍。”放眼全球，在VTOL領(lǐng)域，中國億航公司（EHang）已經(jīng)走在前列。EHang已在全球多地完成載人級自動駕駛飛行器試飛。EHang由此成為我國首個載人級無人機適航審定試點單位。接下來對中國億航184進行分析。

中短距離交通出行工具是億航184的定位，其類似于“空中出租車”。億航184可解決短距離城市交通運輸問題。億航184飛行均速約100 km/h，在高速巡航測試中飛行速度可達(dá)130 km/h。億航184自動駕駛載人飛行器代表著一種安全、節(jié)能的解決方案，可應(yīng)對中短距離交通運輸行業(yè)的許多挑戰(zhàn)。億航184不僅為私人出行方式創(chuàng)造了新的方案，而且對世界許多行業(yè)帶來了深遠(yuǎn)影響。中國億航184如圖3和圖4所示。億航184性能參數(shù)如表1所示。

2 未來城市空中交通面臨的挑戰(zhàn)

目前，全世界范圍內(nèi)已經(jīng)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然面臨諸多問題與挑戰(zhàn)[12]。

2.1 運行軟硬件設(shè)施

2.1.1 硬件設(shè)施。城市設(shè)計初期，基本沒有考慮空中交通網(wǎng)絡(luò)的概念。在硬件設(shè)備比較完善的城市（例如，東京），雖然在城市設(shè)計和建造過程中考慮了空中交通網(wǎng)絡(luò)的概念，但對城市容量的設(shè)計及其設(shè)計理念等遠(yuǎn)不能滿足未來城市對空中交通網(wǎng)絡(luò)的需求[13]。城市設(shè)計者和管理者當(dāng)下急需解決的問題是如何合理地改良或設(shè)計新建城市的硬件設(shè)施。

2.1.2 軟件設(shè)施。城市空中交通網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與構(gòu)建是在空中建立公共通道并為其設(shè)計和匹配恰當(dāng)?shù)墓芾硐到y(tǒng)[14]。新一代的通信導(dǎo)航監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)能實時提供大容量、高速率、低延時和精確的數(shù)據(jù)傳輸，確保在城市低空區(qū)域運行的各類飛行器能安全高效飛行[15]。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計并建立城市空中交通管理系統(tǒng)，并妥善解決該系統(tǒng)與現(xiàn)有空中交通管理系統(tǒng)和城市飛行器管理系統(tǒng)之間的邊界定義、融合策略、管理方法和程序等問題。另外，進行必要的測試，并驗證各信息系統(tǒng)的安全冗余、全系統(tǒng)的安全冗余和系統(tǒng)性能下降、系統(tǒng)故障后的應(yīng)急措施等。

2.2 全球性標(biāo)準(zhǔn)體系

未來城市空中交通的正常運行與無人空中交通管理系統(tǒng)、無人駕駛飛行器等許多無人概念緊密相關(guān)，世界上仍然沒有統(tǒng)一、清晰的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)章體系[16]。為了應(yīng)對這種窘境，我們必須與國際組織、地區(qū)、國家標(biāo)準(zhǔn)制定體合作，引入新的管理方法和管理模式，并努力通過新的手段和方式來加速和適應(yīng)新環(huán)境下的要求和發(fā)展。由于缺乏全球統(tǒng)一的指導(dǎo)文件作為藍(lán)本，各國都希望在全球標(biāo)準(zhǔn)制定中發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)作用，從而導(dǎo)致了“各為其政”的現(xiàn)象。這對未來的全球統(tǒng)一和一體化運行帶來了一些問題和挑戰(zhàn)。

2.3 市場和商業(yè)運行模式

城市空中交通是未來的一個新興產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前沒有用來參考和借鑒的先例。在商業(yè)模式的開發(fā)中，Uber和空客目前是處于最前沿的。單單就Uber來講，由于其地面交通運行商業(yè)模式的成功運行，通過對其地面交通運行模式的深入研究，開發(fā)出其未來的城市空中交通商業(yè)模式。這種演化的商業(yè)模式在后期運行中具有一定實際意義，但如果沒有足夠的初期運能，這種商業(yè)模式則很難實現(xiàn)，并且需要定期過渡，這就需要探索其他商業(yè)模式。而未來城市空中交通的發(fā)展究竟適合哪種商業(yè)模式，還有待進一步研究和實踐[17]。

航空產(chǎn)業(yè)運行初期，對資金需求度很高。當(dāng)商業(yè)模式不確定且市場成熟度不夠時，創(chuàng)業(yè)公司就會被輕易拖垮，行業(yè)先行者需要在產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期投入大量資金開發(fā)市場，并探索合適的商業(yè)模式。對于有相對穩(wěn)定資金狀況的傳統(tǒng)航空企業(yè)或類似Uber這種擁有多條產(chǎn)品線的企業(yè)而言，資金壓力可能較小，多條產(chǎn)品線可以分?jǐn)偳捌谶\營和維護的風(fēng)險。

2.4 社會和公眾影響

人們對新事物的接納度以及人與機器之間的信賴度需要在長期磨合中逐步建立。社會能否接受自主化的機器文明？我們到底能對機器有多堅實的信賴？這些問題一直沒有答案。這對今后城市空中交通運行的發(fā)展和落實也會產(chǎn)生較大影響。

3 未來展望

基于電動垂直起降飛行器的未來城市空中交通已成為美國、歐盟等國家航空運輸發(fā)展的重要方向，國外的重視和支持力度空前。我國也應(yīng)繼續(xù)保持研發(fā)投入與科技創(chuàng)新，政府要穩(wěn)定投資，用于先進技術(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;要持續(xù)探索先進技術(shù)在飛行平臺上的應(yīng)用，通過演示驗證進一步提高技術(shù)成熟度。更重要的是，要快速推進空中交通管理系統(tǒng)開發(fā)與運營規(guī)則制定工作，為打造未來城市空中立體交通提供良好的發(fā)展環(huán)境。一旦未來城市立體交通生態(tài)建設(shè)成功，人類的出行方式也將正式跨入“飛行時代”。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉凱，葉賦晨.垂直起降飛行器的發(fā)展動態(tài)和趨勢分析[J].航空工程進展，2015（2）：127-138，159.

[2]高洪波，蘇周，張兆海.垂直起降固定翼無人機發(fā)展趨勢分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2019（22）：232，237.

[3]張洪海，鄒依原，張啟錢，等.未來城市空中交通管理研究綜述[J/OL].航空學(xué)報：1-28.[2020-09-30]. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？dbcode=CAPJ&dbname=CAPJLAST&filename=HKXB20200928000&v=H33nFWoKPiPA4rW231sYBP48T2IIVDwBOAiH6C1X8D4PGeWaagBrSAtAofXdjnm7.

[4]張丹，吳陳煒，謝安桓.城市交通問題的空中解決方案：自主載人飛行器研究綜述[J].無人系統(tǒng)技術(shù)，2018（2）：1-13.

[5]TANG J，HU Y，SONG B. A detailed aerodynamic analysis of the cyclorotor using dynamic mesh in CFD[R].AIAA-2014-0406，2014.

[6]穆作棟.電動城市空運技術(shù)發(fā)展分析[N].中國航空報，2019-04-30（008）.

[7]姚文靜.空客涉足載人飛行器行業(yè)[J].中國鈦業(yè)，2017（1）：39.

[8]王波，侯中喜，汪文凱.小型電動垂直起降飛行器推進系統(tǒng)性能分析[J].國防科技大學(xué)學(xué)報，2015（3）：84-90.

[9]聶資，陳銘.電動直升機飛行性能計算和分析[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2012（9）：1139-1143，1153.

[10]張兆華，李頔飛.全球eVTOL競爭一觸即發(fā)[N].中國航空報，2020-05-01（006）.

[11] FINGER D F， BRAUN C，Bil C . Impact of electric propulsion technology and mission requirements on the performance of VTOL UAVs[J]. CEAS Aeronautical Journal，2019（3）：827-843.

[12]劉思靜.城市智能飛行的新構(gòu)想[J].大飛機，2019（7）：43-47.

[13]孫昊牧.垂直起降飛行器 觸手可及的未來城市交通？[J].今日民航，2019（3）：82-87.

[14]任廣建，朱金福，盧朝陽.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的北京管制區(qū)航路網(wǎng)絡(luò)特性分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2021（1）：33-37.

[15]王敏，朱明.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的空中交通流時間序列分析[J].航空計算技術(shù)，2020（5）：61-65.

[16]陳安強，崔濟多，楊志鵬，等.美國高速垂直起降飛行器預(yù)研項目發(fā)展及啟示[J].飛航導(dǎo)彈，2021（1）：91-98.

[17]張翰文，徐華，張倩，等.空中交通流量管理的環(huán)境數(shù)據(jù)架構(gòu)與應(yīng)用[J].中國新通信，2021（3）：94-96.