無(wú)人電動(dòng)垂直起降飛行器在未來(lái)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(jìn)程的高速推進(jìn)，城市早晚高峰擁堵、環(huán)境污染等問(wèn)題日益嚴(yán)重，城市空中交通作為一個(gè)新興的航空領(lǐng)域應(yīng)運(yùn)而生，也推動(dòng)了城市空中交通的主力軍無(wú)人電動(dòng)垂直起降飛行器的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。無(wú)人電動(dòng)垂直起降飛行器吸引了包括航空航天企業(yè)、汽車(chē)行業(yè)、運(yùn)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(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)人電動(dòng)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(lái)，在全球各國(guó)政策的鼓勵(lì)支持下，無(wú)人電動(dòng)垂直起降飛行器的研究將改變?nèi)祟?lèi)的生活方式，帶領(lǐng)人類(lèi)進(jìn)入飛行時(shí)代。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)飛機(jī);垂直起降飛行器;空中交通

中圖分類(lèi)號(hào)：V355.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(lèi)飛行器的研發(fā)和應(yīng)用都迎來(lái)了全球化高潮，而垂直起降（Vertical Take-Off and Landing，VTOL）飛行器憑借其對(duì)起降地點(diǎn)要求低的優(yōu)勢(shì)，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(wú)人駕駛的垂直起降飛行器總體布局及方案等都較容易實(shí)現(xiàn)，先進(jìn)的飛控技術(shù)也保障了無(wú)人垂直起降飛行器起降動(dòng)作的精確性及可靠性。如今，國(guó)家更加重視生態(tài)文明建設(shè)，綠色能源、新型電動(dòng)飛機(jī)的研制為“綠色航空”的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了新的契機(jī)，以無(wú)人電動(dòng)垂直起降飛行器為代表的新型飛機(jī)極大地改善了飛機(jī)的安全性、便捷性、經(jīng)濟(jì)性以及可靠性。作為較有前途的一類(lèi)飛行器，無(wú)人電動(dòng)垂直起降飛行器正呈井噴式增長(zhǎng)。

未來(lái)幾年，電動(dòng)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(dòng)垂直起降飛行器穿梭在城市上空的場(chǎng)景將觸手可及[3]。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）提出了“自由移動(dòng)出行”的戰(zhàn)略框架，愿景是“能夠讓任何人隨時(shí)隨地從一處飛向另一處”[4]。報(bào)告指出，垂直起降（VTOL）輕型載人飛行器甚至被認(rèn)為是未來(lái)城市內(nèi)部出行的交通方式之一[5]。德國(guó)咨詢(xún)機(jī)構(gòu)研究預(yù)測(cè)，2025—2049年，飛行出租將會(huì)在全球240個(gè)城市大規(guī)模應(yīng)用[6]。目前，空客（Airbus）和波音（Boeing）等飛機(jī)制造商、通用電氣（GE）等發(fā)動(dòng)機(jī)制造商、西門(mén)子（SIEMENS）等系統(tǒng)供應(yīng)商已開(kāi)始了相關(guān)研發(fā)計(jì)劃[7]，城市立體交通的發(fā)展將進(jìn)一步推動(dòng)人類(lèi)技術(shù)革命的進(jìn)程，這一領(lǐng)域?qū)⒂袡C(jī)會(huì)成為航空領(lǐng)域最熱門(mén)的創(chuàng)新領(lǐng)域。

1 電動(dòng)垂直起降飛行器發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

垂直起降飛行器能夠在自身動(dòng)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(dú)特的空中定點(diǎn)懸停能力使其成為全球各大航空公司及研究機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)，并取得了極大進(jìn)展。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)外對(duì)電動(dòng)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(guò)許多不同類(lèi)別的飛行器。相關(guān)資料顯示，大約有數(shù)十種不同型號(hào)的飛行器[10]，其中比較典型的有Airbus推出的Vahana，德國(guó)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(dòng)力源由8個(gè)電動(dòng)螺旋槳組成。該飛機(jī)長(zhǎng)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(yàn)，總飛行時(shí)長(zhǎng)超過(guò)5 h（縮比樣機(jī)則已完成了1 277次試飛，累計(jì)飛行時(shí)長(zhǎng)51 h）[11]。Vahana全自動(dòng)自動(dòng)駕駛垂直起降飛機(jī)見(jiàn)圖1。

1.1.2 VoloCity。VoloCity適用于大部分城市地區(qū)的短途空運(yùn)服務(wù)航班，航程僅為35 km，巡航速度為110 km/h。在運(yùn)營(yíng)初期，采用有人駕駛模式，而未來(lái)的運(yùn)營(yíng)目標(biāo)是自主駕駛模式，進(jìn)而滿(mǎn)足搭載2名乘客并攜帶行李的需求。德國(guó)Volocopter公司2017年在迪拜展出了早期的自主駕駛原型機(jī)。Volocopter公司的工程師團(tuán)隊(duì)針對(duì)包括2X型在內(nèi)的VoloCity早期原型機(jī)進(jìn)行了1 000多次飛行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果調(diào)整設(shè)計(jì)方案，調(diào)整內(nèi)容包括進(jìn)一步對(duì)其安裝有18個(gè)旋翼的梁架結(jié)構(gòu)的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的改進(jìn)，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(guò)投入使用VoloCity，我們將開(kāi)辟首條商業(yè)航線，實(shí)現(xiàn)未來(lái)城市空中交通。”VoloCity的示意圖如圖2所示。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

政策的支持是我國(guó)發(fā)展航空事業(yè)的基石。中國(guó)民航局（CAAC）自2019年來(lái)先后發(fā)布eVTOL相關(guān)的重要文件，《促進(jìn)民用無(wú)人駕駛航空發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)（征求意見(jiàn)稿）》指出：“在2035年之前，建立包括載人在內(nèi)的無(wú)人駕駛航空交通運(yùn)輸系統(tǒng)。……重點(diǎn)開(kāi)展低空無(wú)人機(jī)公共航線劃設(shè)和運(yùn)行研究，組織開(kāi)展垂直起降載人（VTOL）及物流無(wú)人機(jī)試運(yùn)行，為制定適航、飛標(biāo)、空管運(yùn)行規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。在安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，拓展無(wú)人駕駛航空商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式，擴(kuò)展無(wú)人駕駛航空經(jīng)營(yíng)許可范圍。”放眼全球，在VTOL領(lǐng)域，中國(guó)億航公司（EHang）已經(jīng)走在前列。EHang已在全球多地完成載人級(jí)自動(dòng)駕駛飛行器試飛。EHang由此成為我國(guó)首個(gè)載人級(jí)無(wú)人機(jī)適航審定試點(diǎn)單位。接下來(lái)對(duì)中國(guó)億航184進(jìn)行分析。

中短距離交通出行工具是億航184的定位，其類(lèi)似于“空中出租車(chē)”。億航184可解決短距離城市交通運(yùn)輸問(wèn)題。億航184飛行均速約100 km/h，在高速巡航測(cè)試中飛行速度可達(dá)130 km/h。億航184自動(dòng)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(duì)中短距離交通運(yùn)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(duì)世界許多行業(yè)帶來(lái)了深遠(yuǎn)影響。中國(guó)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(lái)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(dòng)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(wèn)世，但用于城市空中交通的電動(dòng)垂直起降飛行器仍然面臨諸多問(wèn)題與挑戰(zhàn)[12]。

2.1 運(yùn)行軟硬件設(shè)施

2.1.1 硬件設(shè)施。城市設(shè)計(jì)初期，基本沒(méi)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(jì)和建造過(guò)程中考慮了空中交通網(wǎng)絡(luò)的概念，但對(duì)城市容量的設(shè)計(jì)及其設(shè)計(jì)理念等遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足未來(lái)城市對(duì)空中交通網(wǎng)絡(luò)的需求[13]。城市設(shè)計(jì)者和管理者當(dāng)下急需解決的問(wèn)題是如何合理地改良或設(shè)計(jì)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(jì)與構(gòu)建是在空中建立公共通道并為其設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)提供大容量、高速率、低延時(shí)和精確的數(shù)據(jù)傳輸，確保在城市低空區(qū)域運(yùn)行的各類(lèi)飛行器能安全高效飛行[15]。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)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(wèn)題。另外，進(jìn)行必要的測(cè)試，并驗(yàn)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(lái)城市空中交通的正常運(yùn)行與無(wú)人空中交通管理系統(tǒng)、無(wú)人駕駛飛行器等許多無(wú)人概念緊密相關(guān)，世界上仍然沒(méi)有統(tǒng)一、清晰的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)章體系[16]。為了應(yīng)對(duì)這種窘境，我們必須與國(guó)際組織、地區(qū)、國(guó)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(guò)新的手段和方式來(lái)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(guó)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(duì)未來(lái)的全球統(tǒng)一和一體化運(yùn)行帶來(lái)了一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

2.3 市場(chǎng)和商業(yè)運(yùn)行模式

城市空中交通是未來(lái)的一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前沒(méi)有用來(lái)參考和借鑒的先例。在商業(yè)模式的開(kāi)發(fā)中，Uber和空客目前是處于最前沿的。單單就Uber來(lái)講，由于其地面交通運(yùn)行商業(yè)模式的成功運(yùn)行，通過(guò)對(duì)其地面交通運(yùn)行模式的深入研究，開(kāi)發(fā)出其未來(lái)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(yùn)行中具有一定實(shí)際意義，但如果沒(méi)有足夠的初期運(yùn)能，這種商業(yè)模式則很難實(shí)現(xiàn)，并且需要定期過(guò)渡，這就需要探索其他商業(yè)模式。而未來(lái)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(jìn)一步研究和實(shí)踐[17]。

航空產(chǎn)業(yè)運(yùn)行初期，對(duì)資金需求度很高。當(dāng)商業(yè)模式不確定且市場(chǎng)成熟度不夠時(shí)，創(chuàng)業(yè)公司就會(huì)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(kāi)發(fā)市場(chǎng)，并探索合適的商業(yè)模式。對(duì)于有相對(duì)穩(wěn)定資金狀況的傳統(tǒng)航空企業(yè)或類(lèi)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\(yùn)營(yíng)和維護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 社會(huì)和公眾影響

人們對(duì)新事物的接納度以及人與機(jī)器之間的信賴(lài)度需要在長(zhǎng)期磨合中逐步建立。社會(huì)能否接受自主化的機(jī)器文明？我們到底能對(duì)機(jī)器有多堅(jiān)實(shí)的信賴(lài)？這些問(wèn)題一直沒(méi)有答案。這對(duì)今后城市空中交通運(yùn)行的發(fā)展和落實(shí)也會(huì)產(chǎn)生較大影響。

3 未來(lái)展望

基于電動(dòng)垂直起降飛行器的未來(lái)城市空中交通已成為美國(guó)、歐盟等國(guó)家航空運(yùn)輸發(fā)展的重要方向，國(guó)外的重視和支持力度空前。我國(guó)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(jìn)技術(shù)研發(fā)，同時(shí)對(duì)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(jìn)技術(shù)在飛行平臺(tái)上的應(yīng)用，通過(guò)演示驗(yàn)證進(jìn)一步提高技術(shù)成熟度。更重要的是，要快速推進(jìn)空中交通管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與運(yùn)營(yíng)規(guī)則制定工作，為打造未來(lái)城市空中立體交通提供良好的發(fā)展環(huán)境。一旦未來(lái)城市立體交通生態(tài)建設(shè)成功，人類(lèi)的出行方式也將正式跨入“飛行時(shí)代”。

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