城市空運(yùn)電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展分析

穆作棟

電力推進(jìn)技術(shù)是多電飛機(jī)概念后航空界迎來(lái)的一場(chǎng)更具顛覆性的能量革命，從動(dòng)力形式上徹底改變了傳統(tǒng)飛機(jī)及其能量系統(tǒng)。電力推進(jìn)技術(shù)也是無(wú)人駕駛空中交通飛行器的主要?jiǎng)恿π问健?/p>

電推進(jìn)技術(shù)是多電飛機(jī)（MoreElectricAircraft概念后航空界迎來(lái)的一場(chǎng)更具顛覆性的能量革命，從動(dòng)力形式上徹底改變了傳統(tǒng)飛機(jī)及其能量系統(tǒng)。電推進(jìn)技術(shù)以其高效率、低排放、低噪聲的顯著優(yōu)勢(shì)，為航空界未來(lái)發(fā)展帶來(lái)了新的方向，城市空運(yùn)模塊（Urban Air Mobility，UAM）這一概念也借此機(jī)會(huì)成為航空領(lǐng)域最熱門的創(chuàng)新領(lǐng)域。

城市空運(yùn)模塊這一概念早在近百年前就已經(jīng)出現(xiàn)，1926年3月的《科技新時(shí)代》（ Popular Science艉出了“Ridesboth roads and air"的愿景。如今，根據(jù)德國(guó)咨詢機(jī)構(gòu)Horvath&Partners的研究預(yù)測(cè)，2025-2049年全球?qū)⒂?40個(gè)城市大規(guī)模應(yīng)用飛行出租車;2035年時(shí)，全球飛行出租車的數(shù)量可能超過(guò)23000架。目前，空客和波音等飛機(jī)制造商以及羅爾斯羅伊斯等發(fā)動(dòng)機(jī)制造商、西門子等系統(tǒng)供應(yīng)商都已投入了相關(guān)研發(fā)計(jì)劃，以應(yīng)對(duì)這一新興市場(chǎng)的首輪競(jìng)爭(zhēng)。

電動(dòng)城市空運(yùn)體系UberElevate及其合作伙伴

美國(guó)優(yōu)步公司（ Uber）于2016年針對(duì)城市空運(yùn)模塊需求提出了UberElevate體系，并于2017年和2018年連續(xù)召開(kāi)了2屆Uber Elevate峰會(huì)，旨在通過(guò)與政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界合作，推出適用于城市空運(yùn)模塊的共享電動(dòng)垂直起降飛行器交通服務(wù)Uber Air。該城市空運(yùn)服務(wù)計(jì)劃于2020年開(kāi)展測(cè)試，并在2023年投入“按需運(yùn)營(yíng)（ On-demand flight）”。

Uber Elevate選取了5家飛行器合作伙伴企業(yè)，分別是波音旗下的極光飛行科學(xué)公司、貝爾公司、巴西航空工業(yè)旗下的Embraer×、卡萊姆飛機(jī)公司以及蝙蝠飛機(jī)公司。

波音公司旗下的極光飛行科學(xué)公司

極光飛行科學(xué)公司（Aurora FlightSciences）是一家波音旗下的先進(jìn)無(wú)人系統(tǒng)和飛行器企業(yè)。該公司已在其位于弗吉尼亞州馬納薩斯的總部進(jìn)行了全面的電動(dòng)垂直起降飛行器測(cè)試，2019年1月23日，其自主載人飛行器（PAV）原型機(jī)完成首飛，由全電推進(jìn)系統(tǒng)提供動(dòng)力，設(shè)計(jì)目標(biāo)是具備從起飛到著陸的全自主飛行能力，航程可達(dá)80.47km （50miles）;該原型機(jī)長(zhǎng)30ft（9.14m），寬28ft（8.53m），機(jī)身集成了推進(jìn)系統(tǒng)和機(jī)翼，可實(shí)現(xiàn)高效的懸停和前向飛行。

貝爾公司

貝爾公司是垂直起降飛行器領(lǐng)域內(nèi)國(guó)際領(lǐng)先的供應(yīng)商，擁有80多年的歷史。最近貝爾發(fā)布的V-280和V-247傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是世界上最先進(jìn)的旋翼機(jī)之一。

在2018年國(guó)際消費(fèi)電子展上，貝爾公司推出了名為Nexus的混合電推進(jìn)電動(dòng)垂直起降飛行器的全尺寸模型，采用了貝爾公司標(biāo)志性的傾轉(zhuǎn)旋翼設(shè)計(jì)，搭載6臺(tái)傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇，飛行器內(nèi)部設(shè)計(jì)了5個(gè)座位。Nexus團(tuán)隊(duì)由貝爾、賽峰、EPS、泰雷茲、穆格和Garmin公司組成，貝爾公司負(fù)責(zé)飛行器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，賽峰公司提供混合動(dòng)力推進(jìn)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，EPS公司提供儲(chǔ)能系統(tǒng)，泰雷茲公司提供飛控計(jì)算機(jī)硬件和軟件，穆格公司負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)飛行控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，Garmin公司負(fù)責(zé)整合航空電子設(shè)備和飛行器管理計(jì)算機(jī)。

貝爾公司正在針對(duì)有人駕駛/無(wú)人駕駛、商用/軍用、客運(yùn)/貨運(yùn)、全電動(dòng)/混合動(dòng)力等一系列不同的市場(chǎng)需求開(kāi)發(fā)模塊化電動(dòng)垂直起降飛行器架構(gòu)。貝爾公司稱其首個(gè)飛行驗(yàn)證機(jī)將專注于混合動(dòng)力電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)，但工程團(tuán)隊(duì)將同步推進(jìn)全電架構(gòu)的技術(shù)研發(fā)。值得注意的是，貝爾公司的Nexus也是Uber Elevate體系中僅有的采用混電推進(jìn)形式的飛行器。

EmbraerX

Embraer X隸屬于巴西航空工業(yè)，在Uber EIevate 2018峰會(huì)上推出了電動(dòng)垂直起降飛行器概念，這是巴西航空工業(yè)公司首次涉足旋翼機(jī)領(lǐng)域，但該公司表示其擁有60余年飛機(jī)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，足以完成這一計(jì)劃。Embraer×概念飛機(jī)使用8付轉(zhuǎn)子提供垂直升力，當(dāng)轉(zhuǎn)換到水平飛行模式時(shí)，升力由水平機(jī)翼提供，機(jī)尾的推進(jìn)螺旋槳提供前向的動(dòng)力。2019年4月新加坡亞洲旋翼機(jī)展覽上，EmbraerX表示該公司從2018年年底開(kāi)始，與新加坡等超過(guò)5個(gè)亞太地區(qū)監(jiān)管機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)話，以更好地了解城市空運(yùn)環(huán)境和發(fā)展期望。

卡萊姆飛機(jī)公司

卡萊姆飛機(jī)公司（ Karem Aircraft）總部位于加利福尼亞州奧蘭治縣，是一家固定翼和旋翼飛機(jī)的開(kāi)發(fā)商和制造商。在過(guò)去的15年中，卡萊姆飛機(jī)公司開(kāi)發(fā)了速度優(yōu)化傾轉(zhuǎn)翼技術(shù)方案（ Optimum SpeedTiltrotor， OSTR），該技術(shù)結(jié)合了固定翼飛機(jī)的速度優(yōu)勢(shì)與直升機(jī)的懸停能力。該公司的電動(dòng)垂直起降飛行器解決方案蝴蝶（Butterfly）飛行器是一種四旋翼式旋翼飛機(jī)，使用OSTR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了懸停與巡航階段的效率平衡，從而提高了整體效率。

蝙蝠飛機(jī)公司

蝙蝠飛機(jī)公司（ Pipistrel VerticalSolutions）總部位于斯洛文尼亞，自201 1年開(kāi)始關(guān)注電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)，憑借其Taurus G4飛機(jī)贏得了NASA的綠色飛行挑戰(zhàn)賽;其Alpha Electro是第一架完成取證的全電動(dòng)飛機(jī)?；谄湄S富的電動(dòng)飛機(jī)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，該公司正在開(kāi)發(fā)一款具有差異化、低噪聲推進(jìn)系統(tǒng)的電動(dòng)垂直起降飛行器，并于Uber Elevate Summit2018上發(fā)布，該飛行器沒(méi)有任何可見(jiàn)的垂直升力轉(zhuǎn)子，這種設(shè)計(jì)與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在Uber Elevate峰會(huì)上提出的升力和巡航概念（例如Embraer X）有很大不同。

蝙蝠飛機(jī)公司全電動(dòng)垂直起降降飛行器概念

除了上述飛行器制造商伙伴外，Uber Elevate體系還擁有多個(gè)科研機(jī)構(gòu)、高?；锇椋猿鞘锌者\(yùn)推進(jìn)技術(shù)與環(huán)境建設(shè)。NASA將參與開(kāi)發(fā)無(wú)人駕駛交通管理和無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，以提高低空飛行安全性和運(yùn)營(yíng)效率;2020年NASA將舉辦一場(chǎng)城市空運(yùn)挑戰(zhàn)賽（ NASA UAM GrandChallenge），以測(cè)試城市空運(yùn)系統(tǒng)的集成性與安全性。美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)（ ARL）將參與同向螺旋槳的研發(fā)工作。鋰離子電池開(kāi)發(fā)商和制造商MOLICEL公司將參與生產(chǎn)飛行器所需鋰離子電池組。佐治亞理工將參與系統(tǒng)安全分析和城市空中交通市場(chǎng)研究。

Uber Air計(jì)劃于2023年在達(dá)拉斯一沃斯堡城市間航線和洛杉磯開(kāi)展商業(yè)飛行運(yùn)營(yíng)，在上述2條線路之外，還與澳大利亞、巴西、法國(guó)、印度和日本的許多國(guó)際市場(chǎng)合作，以確定后續(xù)運(yùn)營(yíng)城市。該項(xiàng)服務(wù)的落地還需要建設(shè)完善的基礎(chǔ)設(shè)施，以支撐飛行器的起飛和著陸。在洛杉磯召開(kāi)的第二屆Elevate峰會(huì)上，6家建筑公司展示了“Skyports”停機(jī)坪設(shè)計(jì)，很多設(shè)計(jì)靈感都來(lái)自于電影《星球大戰(zhàn)》o

空中客車公司的城市空運(yùn)計(jì)劃

目前，空客正在推進(jìn)2個(gè)城市空運(yùn)研究計(jì)劃，分別是位于美國(guó)硅谷A3分部負(fù)責(zé)的單座“瓦哈娜”（Vahana）以及位于德國(guó)多瑙沃爾特的空客直升機(jī)負(fù)責(zé)的4座城市巴士，均為全電推進(jìn)形式。

為了協(xié)調(diào)城市空運(yùn)計(jì)劃的研發(fā)，空客于2018年創(chuàng)建了城市空運(yùn)部門，該部門位于德國(guó)奧托布倫市，靠近空客公司技術(shù)辦公室和無(wú)人駕駛航空系統(tǒng)部，空客直升機(jī)位于多瑙沃爾特的工廠也在附近?？湛湍壳罢趯⑺谐鞘锌者\(yùn)的研發(fā)活動(dòng)集成到城市空運(yùn)部門。

單座全電動(dòng)垂直起飛行器

“瓦哈娜”

“瓦哈娜”是由空中客車公司硅谷基地A3創(chuàng)新中心研發(fā)的全電動(dòng)自動(dòng)駕駛垂直起降飛機(jī)，于2018年1月31日在美國(guó)俄勒岡州彭德?tīng)栴D無(wú)人機(jī)系統(tǒng)基地以完全自動(dòng)駕駛方式完成首飛，飛行高度為5m，隨后安全降落。2018年內(nèi)，“瓦哈娜”進(jìn)行了50多次試飛?！巴吖取敝荚谕ㄟ^(guò)利用電力推進(jìn)、能源存儲(chǔ)和機(jī)器視覺(jué)方面的最新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全民化個(gè)人飛行，并滿足日益增長(zhǎng)的城市交通需求。

四座全電動(dòng)垂直起降飛行器城市巴士

城市巴士是一款四座垂直起降飛行器，其揭幕儀式于2019年3月11日在德國(guó)巴伐利亞州因戈施塔特舉行，德國(guó)交通部長(zhǎng)、數(shù)字化部長(zhǎng)和因戈施塔特市長(zhǎng)等政界人士出席了本次儀式?？湛凸烙?jì)最早到2025年該飛行器才能在慕尼黑等大城市進(jìn)行商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

據(jù)空客集團(tuán)德國(guó)地區(qū)總裁沃爾夫?qū)ばさ陆榻B，城市巴士的巡航速度為120km/h，其動(dòng)力由4組同軸反轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇提供，風(fēng)扇由8臺(tái)100kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)。城市巴士選用了純電動(dòng)設(shè)計(jì)，以滿足低噪聲、零排放的環(huán)保要求，其儲(chǔ)能系統(tǒng)總?cè)萘繛?10kWh，由4枚電池構(gòu)成，可各自提供140kW峰值功率;最大航程為50km，具備全自動(dòng)駕駛功能。城市巴士的電機(jī)、電力電子設(shè)備由西門子公司提供，兩家公司在電動(dòng)飛機(jī)領(lǐng)域開(kāi)展了廣泛的合作，除城市巴士項(xiàng)目外，還開(kāi)展了E fan-×等項(xiàng)目合作。

根據(jù)空中客車亞太城市空運(yùn)戰(zhàn)略負(fù)責(zé)人德里克·程，該公司將基于“瓦哈娜”與城市巴士的經(jīng)驗(yàn)開(kāi)展下一代電推進(jìn)技術(shù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)工作，計(jì)劃在年底前進(jìn)行最終設(shè)計(jì)審查，并于一年內(nèi)完成首飛。

德里克表示該平臺(tái)目前面臨著3個(gè)設(shè)計(jì)方面的困難，一是能量存儲(chǔ)技術(shù)，需要開(kāi)發(fā)高能量密度的電池，以支持超過(guò)15min的飛行，能量存儲(chǔ)是全電動(dòng)垂直起降飛行器領(lǐng)域最為關(guān)鍵的技術(shù)：二是自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的成熟度;三是噪聲水平，空中客車公司正在開(kāi)展相關(guān)工作，旨在控制飛行器的噪聲水平，噪聲上限為65db，與過(guò)往的地鐵噪聲水平接近，飛行器的噪聲水平會(huì)影響其在城市中可能的降落區(qū)域。

羅·羅公司的城市空運(yùn)計(jì)劃

羅·羅公司針對(duì)個(gè)人飛行器和剛剛起步的城市空中交通市場(chǎng)的推出了小型混合動(dòng)力解決方案，公司旗下的印第安納波利斯集團(tuán)（Indianapolis）基于M250渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)了混合動(dòng)力系統(tǒng)，正在進(jìn)行地面測(cè)試。

該計(jì)劃始于2018年初，通過(guò)1年的工作，研制1套混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)并演示了3種運(yùn)行模式一串聯(lián)混合動(dòng)力、并聯(lián)混合動(dòng)力和渦電。三種操作模式均已進(jìn)行測(cè)試，初始的地面測(cè)試于2018年第四季度完成，今年的計(jì)劃是研究準(zhǔn)備飛行的解決方案。這一項(xiàng)目覆蓋了500 - 800kW的功率范圍，是電動(dòng)垂直起降的最佳選擇。

為了研究電推進(jìn)的技術(shù)可行性和發(fā)展挑戰(zhàn)，羅·羅公司設(shè)計(jì)了自己的電動(dòng)垂直起降飛機(jī)。這是羅·羅公司第一次提出飛機(jī)層面的概念，概念的提出是基于M250混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)。這款5座串聯(lián)式混合電動(dòng)飛機(jī)采用了螺旋槳和傾斜機(jī)翼設(shè)計(jì)，吸收了鷂式戰(zhàn)斗機(jī)的垂直/短距起降技術(shù)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，鷂式戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)“飛馬”由布里斯托爾航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司設(shè)計(jì)，該公司于上世紀(jì)60年代被羅·羅公司兼并。M250的功率約500kW，驅(qū)動(dòng)6個(gè)電動(dòng)螺旋槳，能夠使該機(jī)以250miles/h的速度飛行約500miles（800km）。在巡航高度上，飛機(jī)的升力螺旋槳將折疊，由機(jī)身后部安裝的螺旋槳提供動(dòng)力。

羅·羅公司還與汽車制造商阿斯頓馬丁公司、克蘭菲爾德航空航天解決方案公司以及克蘭菲爾德大學(xué)合作，開(kāi)發(fā)一種用于城市和城際航空旅行的混合動(dòng)力3座飛機(jī)。該飛機(jī)被稱為Volante Vision概念機(jī)，動(dòng)力系統(tǒng)基于M250發(fā)動(dòng)機(jī)，初步計(jì)劃于20世紀(jì)20年代中期投放市場(chǎng)。

羅·羅公司表示Volante Vision目前只是一個(gè)概念，不過(guò)該設(shè)計(jì)具有合適的功率和儲(chǔ)能水平，功率重量比良好，在解決了各系統(tǒng)的整合問(wèn)題后能夠投入應(yīng)用。由于主推進(jìn)系統(tǒng)不是全電動(dòng)的，因此在適航認(rèn)證等方面存在挑戰(zhàn)。但作為工業(yè)界的一員，羅·羅公司正在與監(jiān)管機(jī)構(gòu)和認(rèn)證機(jī)構(gòu)合作以克服這些障礙?！?/p>

除上述產(chǎn)品和概念之外，還有多家企業(yè)提出了電動(dòng)城市空運(yùn)飛行器的概念，加利福尼亞州的喬比飛機(jī)制造公司（ Joby Aviation）獲得了來(lái)自豐田、捷藍(lán)航空和因特爾等公司的投資，計(jì)劃在5年內(nèi)推出兩座全電動(dòng)垂直起降飛行器，該飛行器裝配有12電機(jī)，動(dòng)力方式為全電推進(jìn)。戴勒姆公司也表現(xiàn)了對(duì)城市空運(yùn)的興趣，其CEO迪特爾·澤謝稱城市空運(yùn)為“第三個(gè)維度的出行方式”，該公司與因特爾公司共同向來(lái)自德國(guó)布魯塞爾的Volocopter公司投資，以開(kāi)發(fā)全電推進(jìn)的全電動(dòng)垂直起降飛行器。Volocopter公司的驗(yàn)證機(jī)Volocopter 2X于201 7年首飛，該公司近期與法蘭克福機(jī)場(chǎng)集團(tuán)簽署協(xié)議，計(jì)劃于2021年成為法蘭克福機(jī)場(chǎng)空中短駁服務(wù)供應(yīng)商。德國(guó)初創(chuàng)公司AutoFlightX于2019德國(guó)腓特烈港航展發(fā)布了一種雙座型全電動(dòng)垂直起降飛行器技術(shù)驗(yàn)證機(jī)V600，計(jì)劃在未來(lái)幾周進(jìn)行試飛，該機(jī)由6個(gè)升力螺旋槳提供升力，1個(gè)推進(jìn)螺旋槳提供前進(jìn)動(dòng)力。

城市空運(yùn)發(fā)展現(xiàn)狀分析

通過(guò)上述各企業(yè)產(chǎn)品和概念的分析可見(jiàn)，業(yè)界對(duì)城市空運(yùn)的動(dòng)力形式有2種不同的判斷，以優(yōu)步為代表的城市共享空運(yùn)企業(yè)認(rèn)為，在2023電年池技術(shù)足以滿足全電eVTOL城市空運(yùn)飛行器的需求，因而在優(yōu)步的飛行器合作伙伴中，僅貝爾公司的方案采取了混電推進(jìn)，其余公司均為全電推進(jìn);以羅·羅為代表的傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)制造商則認(rèn)為電池能量密度是一個(gè)短時(shí)間難以突破的制約因素，混合電推進(jìn)將是更好的選擇，在滿足城市空運(yùn)需求的同時(shí)，混合電推進(jìn)也可以用于長(zhǎng)途電推進(jìn)飛機(jī)，如支線客機(jī)和干線客機(jī)。Uber Elevate公司提出的全電動(dòng)垂直起降飛行器飛行速度約241-322km/h，目前的電池能量密度嚴(yán)重限制了其航程和航時(shí)，使用混合電推進(jìn)可以擴(kuò)大航程和航時(shí)，但會(huì)提高平臺(tái)的復(fù)雜度。

城市空運(yùn)作為一個(gè)新興航空領(lǐng)域，相較于傳統(tǒng)飛機(jī)行業(yè)，在安全性、適航認(rèn)證、空域使用和空管等方面需要有相應(yīng)的考慮。

安全性方面，作為一種需要每天在城市上空進(jìn)行大量低空飛行的空中商業(yè)運(yùn)輸，城市空運(yùn)飛行器需要達(dá)到相應(yīng)的安全級(jí)別，安全設(shè)計(jì)是其關(guān)鍵因素。

認(rèn)證方面，分布式電推進(jìn)、混合電推進(jìn)、自動(dòng)飛行控制等技術(shù)都需要特別的適航要求，目前使用仍在開(kāi)發(fā)中的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這些新型飛行器進(jìn)行認(rèn)證。歐洲航空安全局（EASA）于2018年10月發(fā)布了全電動(dòng)垂直起降飛行器適航標(biāo)準(zhǔn)草案，用以征求意見(jiàn);美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）計(jì)劃在為這些飛行器制定新的適航類別過(guò)程中為其提出特殊條款。

空域使用和空管方面，城市空運(yùn)需要使用現(xiàn)有空管系統(tǒng)以外的城市低空空域，需要制定相應(yīng)的管理制度和先進(jìn)的空管技術(shù)，以保證飛行安全。美國(guó)計(jì)劃擴(kuò)展正在開(kāi)發(fā)的無(wú)人交通管理（UTM）架構(gòu)，該架構(gòu)用于管理低空無(wú)人機(jī)運(yùn)行，使無(wú)人機(jī)能夠使用商業(yè)實(shí)體提供的空域服務(wù)。

基礎(chǔ)設(shè)施方面，城市空運(yùn)需要相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施，包括停機(jī)坪、充電裝置、與其他交通方式的駁接設(shè)施等。

目前城市空運(yùn)領(lǐng)域吸引了來(lái)自全球各地工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和資本的廣泛關(guān)注，但該領(lǐng)域的發(fā)展尚處于非常初步的階段，面臨著廣泛的技術(shù)、運(yùn)營(yíng)和政策挑戰(zhàn)，一方面飛行器、新型空管等技術(shù)尚不成熟，另一方面政府和監(jiān)管機(jī)構(gòu)需要相應(yīng)指定政策、法規(guī)，這一行業(yè)未來(lái)的發(fā)展取決于制造商、運(yùn)營(yíng)商和監(jiān)管機(jī)構(gòu)的共同努力。