飛行從未止步電動(dòng)垂直起降飛行器再續(xù)新篇
2021-12-04 00:52:10
海外星云 2021年20期
飛，或許是不同地域、不同時(shí)代人類共有的夢想。
因?yàn)橄蛲w，所以有神話小說里的騰云駕霧；因?yàn)樽穼わw，所以有萊特兄弟和其他飛行先驅(qū)的創(chuàng)造；因?yàn)橄腼w得快，所以有發(fā)動(dòng)機(jī)的推陳出新；因?yàn)橄腼w到更廣闊的天地，所以有火箭和航天飛機(jī)。
飛行場景的壁畫
如今，交通的擁堵引發(fā)了人們對(duì)航空器進(jìn)入日常城市城際通勤領(lǐng)域的向往。目前，雖然各類飛機(jī)已遍及世界各大洲天空，但噴氣式飛機(jī)不適用短途日常飛行，而直升機(jī)噪音大、運(yùn)行成本高等問題也限制了其作為一種日常交通工具在民用領(lǐng)域推廣，主要應(yīng)用場景局限于軍事和特種任務(wù)，而非城市通勤。
城市和居民渴望使用便利、噪音低、維護(hù)方便、使用成本低、智能化并且環(huán)保的飛行器實(shí)現(xiàn)更自由更有效率的出行，于是，電動(dòng)垂直起降飛行器為代表的次時(shí)代飛行器應(yīng)運(yùn)而生。
次時(shí)代飛行器的快速發(fā)展之路
2011 年， 世界直升機(jī)巨頭意大利AugustWestland發(fā)布的一款名為“零點(diǎn)項(xiàng)目”的原型機(jī)，電動(dòng)垂直起降飛行器概念源首次以實(shí)際產(chǎn)品的形式被提出。
該機(jī)用于驗(yàn)證全電力驅(qū)動(dòng)、全新推進(jìn)模式等一系列先進(jìn)技術(shù)和設(shè)計(jì)理念。經(jīng)過這次嘗試，航空業(yè)開始意識(shí)到已有近百年歷史的直升機(jī)在民用領(lǐng)域還有巨大的改進(jìn)空間，新一代飛行器在能源類型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)等層面的革新所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，足以對(duì)人類的出行和生活方式產(chǎn)生巨大影響。
Uber空中出租車
2014年，美國直升機(jī)國際協(xié)會(huì)、美國航空宇航協(xié)會(huì)在弗吉尼亞大會(huì)上正式將電動(dòng)垂直起降飛行器概念引入。由于對(duì)行業(yè)的熟悉及判斷，全球范圍內(nèi)傳統(tǒng)航空企業(yè)和造機(jī)新勢力開始啟動(dòng)電動(dòng)垂直起降飛行器項(xiàng)目的研究。
2016年，出行巨頭Uber提出的“Uber Elevate”空中出租車計(jì)劃，直接在歐美市場引發(fā)了電動(dòng)垂直起降飛行器浪潮。在此之前，如果生產(chǎn)端企業(yè)入局或許還不足以說明電動(dòng)垂直起降飛行器的巨大商業(yè)潛力，應(yīng)用端企業(yè)入局，這場“出行革命”的關(guān)注者擴(kuò)大至政府機(jī)構(gòu)、投資者和普通民眾。
此時(shí)，已有超過70年歷史的垂直飛行協(xié)會(huì)也意識(shí)到，隨著電池和電源管理、電動(dòng)機(jī)、輕型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、電傳飛控等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)垂直起降飛行器技術(shù)具有引發(fā)新一次航空革命的潛力。垂直飛行協(xié)會(huì)將電動(dòng)垂直起降飛行器技術(shù)定義為75年前直升機(jī)誕生以來航空業(yè)最重要的技術(shù)變革之一。
2017年，由垂直飛行協(xié)會(huì)編制的第一份電動(dòng)垂直起降飛行器飛機(jī)目錄對(duì)外發(fā)布，希望通過相關(guān)工作，幫助業(yè)內(nèi)的公司、研究人員和政府機(jī)構(gòu)，共同突破技術(shù)、法規(guī)、基礎(chǔ)設(shè)施、交通管理和安全性等問題在內(nèi)的諸多商業(yè)障礙。
2019年，歐洲航空安全局（European Aviation Safety Agency，EASA）發(fā)布了全新的航空管理規(guī)定，應(yīng)用于小型電動(dòng)垂直起降飛行器認(rèn)證。其后持續(xù)發(fā)布相關(guān)規(guī)定拓展和細(xì)化相關(guān)要求，為新型飛行器建立更加適用的全新監(jiān)管框架。而美國聯(lián)邦航空局正在對(duì)其航空法規(guī)小型飛機(jī)認(rèn)證部分進(jìn)行修訂，允許飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳作為一個(gè)整體進(jìn)行認(rèn)證，這使得推進(jìn)系統(tǒng)和機(jī)體高度集成的VTOL設(shè)計(jì)理念受到了法律層面的支持。
至此，電動(dòng)垂直起降飛行器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的外部條件逐漸完善，而行業(yè)內(nèi)部在經(jīng)歷了早期的有無駕駛員、專業(yè)研發(fā)與隨意創(chuàng)新、適航及安全標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)和商業(yè)層面的爭論之后，也逐漸達(dá)成了有駕駛員、高安全標(biāo)準(zhǔn)和以城市空中運(yùn)輸（UAM）為主要應(yīng)用目標(biāo)的電動(dòng)垂直起降飛行器發(fā)展共識(shí)。
電動(dòng)垂直起降飛行器產(chǎn)業(yè)快速生長，垂直飛行協(xié)會(huì)發(fā)布的電動(dòng)垂直起降飛行器飛機(jī)目錄所收錄的產(chǎn)品已由最初的6個(gè)激增到接近300個(gè)。涌現(xiàn)出JobyAviation、Archer、Volocopter、Lilium、Beta等活躍在科技領(lǐng)域的一系列明星電動(dòng)垂直起降飛行器公司和產(chǎn)品。
東風(fēng)漸起，中國電動(dòng)垂直起降飛行器展翅
全球電動(dòng)垂直起降飛行器熱鬧非凡，中國市場也同樣是電動(dòng)垂直起降飛行器發(fā)展的熱土。
在市場需求層面，相較于發(fā)達(dá)國家，中國重點(diǎn)城市的人口聚集效應(yīng)更加顯著。根據(jù)中國城市規(guī)劃研究院發(fā)布的《中國主要城市通勤監(jiān)測報(bào)告》，處于超過1小時(shí)極端通勤狀況的人口大于2500萬，人們對(duì)便捷交通的需求較西方更加旺盛。
在技術(shù)層面，近幾年來，汽車產(chǎn)業(yè)全面向新能源轉(zhuǎn)型風(fēng)潮推動(dòng)上游能源系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，而使航空分布式電力推進(jìn)技術(shù)（DEP）成為可能且趨于成熟。
在政策層面，考慮到電動(dòng)垂直起降飛行器產(chǎn)業(yè)作為能創(chuàng)造綠色GDP的新興制造產(chǎn)業(yè)和緩解城市擁堵病的未來解決方案，中國的相關(guān)管理部門也展現(xiàn)出了積極開放的態(tài)度，湖南、安徽等省份率先嘗試推動(dòng)低空域完全開放。
VOLANT eVTOL縮比樣機(jī)
此外，隨著ARJ21、C919 以及CR929、新舟系列等一批國家重大民機(jī)項(xiàng)目的開展，中國航空制造業(yè)取得了長足進(jìn)步，人才儲(chǔ)備和航空供應(yīng)鏈的支撐能力也不可同日而語。
此背景下，在這一條新賽道，中國電動(dòng)垂直起降飛行器飛機(jī)技術(shù)企業(yè)正與歐美發(fā)達(dá)國家企業(yè)齊頭并進(jìn)，以VOLANT沃蘭特為代表的高科技初創(chuàng)公司應(yīng)運(yùn)而生。
不同于諸多領(lǐng)域中國企業(yè)的“市場先行，技術(shù)補(bǔ)課”傳統(tǒng)發(fā)展思路，航空業(yè)作為高度監(jiān)管的行業(yè)，對(duì)于市場準(zhǔn)入有著嚴(yán)格的要求，世界各國監(jiān)管當(dāng)局代表公眾利益，對(duì)任何從業(yè)者，無論是央企還是初創(chuàng)公司都不會(huì)降低標(biāo)準(zhǔn)。這就使得沒有充足技術(shù)能力支撐的市場先行一定會(huì)變成無法交付的不可行，而技術(shù)補(bǔ)課的代價(jià)也高昂到絕大部分企業(yè)甚至整個(gè)行業(yè)都難以承受。
VOLANT團(tuán)隊(duì)主要來自中國商飛、中航工業(yè)、通用電氣、柯林斯宇航等國內(nèi)外頂尖航空企業(yè)，大多數(shù)具有國內(nèi)國際航空名校碩士及以上專業(yè)背景，各專業(yè)負(fù)責(zé)人經(jīng)過平均10多年的ARJ21、C919、Bombardier C Series等重大型號(hào)研制的鍛煉，對(duì)航空業(yè)的規(guī)律和航空產(chǎn)品的研制具有深刻的理解。
VOLANT在成立后短短兩個(gè)半月內(nèi)完成了1：3縮比樣機(jī)的研發(fā)制造，并順利完成了旋翼試飛，前后向轉(zhuǎn)換試飛和固定翼試飛工作，展現(xiàn)了扎實(shí)的技術(shù)功底和強(qiáng)大靈活的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)調(diào)能力。
東風(fēng)漸起，中國電動(dòng)垂直起降飛行器展翅
與3年～5年前的歐美市場相似，未來幾年，中國電動(dòng)垂直起降飛行器產(chǎn)業(yè)一定會(huì)面對(duì)許多挑戰(zhàn)和紛爭，然而，中國的電動(dòng)垂直起降飛行器行業(yè)能否健康發(fā)展，企業(yè)能否成長壯大，有賴于政府和監(jiān)管當(dāng)局的支持，資本的支撐，更取決于從業(yè)者對(duì)行業(yè)和市場的理解，對(duì)競爭的態(tài)度，對(duì)科學(xué)與專業(yè)的尊重，以及對(duì)一系列重大問題的抉擇，比如適航路徑和飛機(jī)等級(jí)的選擇，飛機(jī)和動(dòng)力構(gòu)型的選擇，以及要不要可操縱飛機(jī)的駕駛員等。
適航路徑和飛機(jī)等級(jí)的選擇本質(zhì)上是一個(gè)商業(yè)問題，而不是一個(gè)技術(shù)性問題。
根據(jù)CCAR21部民用航空產(chǎn)品和零部件合格審定規(guī)定第七章第21.171、21.175條和第八章的規(guī)定，有三種不同的情形可以允許航空器飛行：取得標(biāo)準(zhǔn)適航證，取得特殊適航證，或者取得特許飛行證，每種情形對(duì)應(yīng)完全不同的要求和限制，從而決定了其用途和商業(yè)前景。
標(biāo)準(zhǔn)適航證頒發(fā)給按照規(guī)定取得21.21條型號(hào)合格證或者21.29條型號(hào)認(rèn)可證的正常類、實(shí)用類、特技類、通勤類、運(yùn)輸類航空器，載人自由氣球，特殊類別航空器（如滑翔機(jī)、飛艇、甚輕型飛機(jī)和其他非常規(guī)航空器）。取得標(biāo)準(zhǔn)適航證是實(shí)現(xiàn)商業(yè)載客運(yùn)行的基礎(chǔ)條件。
特殊適航證頒發(fā)給上一條規(guī)定之外的，取得第21.24條、第21.25條或者第21.26條的型號(hào)合格證或者第21.29條的型號(hào)認(rèn)可證的初級(jí)類、限用類、輕型運(yùn)動(dòng)類航空器，以及局方同意的其他情況，特殊適航證分為初級(jí)類、限用類和輕型運(yùn)動(dòng)類三類。航空器取得特殊適航證后，不得從事商業(yè)性載客運(yùn)行，并且應(yīng)當(dāng)在局方規(guī)定的限制條件下進(jìn)行，通常應(yīng)避開空中交通繁忙的區(qū)域、人口稠密地區(qū)以及可能對(duì)公眾安全造成危害的區(qū)域。
貝爾 X-22A，1966年3月17日首飛
而對(duì)尚未取得適航證的飛機(jī)，包括試驗(yàn)類飛機(jī)，可以依據(jù)21.212條申請(qǐng)?zhí)卦S飛行證。取得特許飛行證的航空器不得用于以營利為目的的運(yùn)輸或者作業(yè)飛行，應(yīng)當(dāng)避開空中交通繁忙的區(qū)域、人口稠密地區(qū)以及可能對(duì)公眾安全造成危害的區(qū)域。
因此，如果以UAM市場為目標(biāo)，在城市等人員密集區(qū)運(yùn)行，或者是商業(yè)載客運(yùn)行，按高標(biāo)準(zhǔn)研制并取得標(biāo)準(zhǔn)適航證是唯一可行的路徑。輕型運(yùn)動(dòng)類，初級(jí)類，試驗(yàn)類飛行器，甚至一些按較低標(biāo)準(zhǔn)研制的標(biāo)準(zhǔn)適航證飛機(jī)，雖然可能研制難度較低，取證也較為容易，但在現(xiàn)行管理框架下低等級(jí)飛機(jī)無法也不應(yīng)該進(jìn)入真正的UAM市場。
飛機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型是電動(dòng)垂直起降飛行器飛機(jī)最直觀也是最重要的區(qū)別之一。不同的選項(xiàng)意味著在安全性、性能，優(yōu)化空間，適航風(fēng)險(xiǎn)，開發(fā)成本，研制及進(jìn)入市場時(shí)間等方面的巨大差異，每家電動(dòng)垂直起降飛行器企業(yè)應(yīng)該基于對(duì)市場和技術(shù)的理解，結(jié)合公司自身的情況審慎決策。
傾轉(zhuǎn)翼是一種歷史悠久的技術(shù)，起源于20世紀(jì)五六十年代，經(jīng)過多年發(fā)展，20世紀(jì)80年代末成功應(yīng)用于貝爾-波音V-22 Osprey多任務(wù)飛機(jī)，累計(jì)生產(chǎn)了400余架，但由于操縱復(fù)雜，維護(hù)要求高，安全記錄不佳，累計(jì)發(fā)生了12起全損事故，42人喪生。
近年來，Joby Aviation和Bell基于他們自身技術(shù)積累選擇再次嘗試將傾轉(zhuǎn)翼構(gòu)型 Tilt-X引入民用領(lǐng)域，其中Bell Nexus的設(shè)計(jì)與其上世紀(jì)60年代研制的X-22A非常相似。傾轉(zhuǎn)翼不需要專用推力系統(tǒng)，重量較輕，推力較大，由此可以獲得較遠(yuǎn)的航程，較快的飛行速度。
然而，在目前能源系統(tǒng)約束下，固定翼電動(dòng)垂直起降飛行器航程在150千米～350千米之間，傾轉(zhuǎn)翼技術(shù)航程遠(yuǎn)，航速快的優(yōu)勢無法得到有效發(fā)揮。
另一方面，傾轉(zhuǎn)翼復(fù)雜的控制，額外的傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和更高的維護(hù)要求，以及更加難以優(yōu)化的動(dòng)力系統(tǒng)，對(duì)研制、運(yùn)行、安全方面帶來了一系列難以解決的挑戰(zhàn)，對(duì)于沒有相關(guān)技術(shù)積累的公司則意味著非常高的研制風(fēng)險(xiǎn)和成本，更難的適航驗(yàn)證過程，更長的研制周期。因此，傾轉(zhuǎn)翼構(gòu)型并不適合沒有深厚相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備的公司冒然作為主技術(shù)構(gòu)型。
貝爾 Nexus
Volocopter采用了由18個(gè)獨(dú)立旋翼組成的多旋翼構(gòu)型，這一構(gòu)型技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和研制難度較低，相較于傳統(tǒng)直升機(jī)，大大簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高了安全性，降低了運(yùn)行成本和噪音，適合對(duì)航空技術(shù)和行業(yè)不夠熟悉的企業(yè)作為起步和學(xué)習(xí)，但多旋翼構(gòu)型在一定程度上沿襲了直升機(jī)飛行效率較低的缺點(diǎn)，所以航程較短、速度較慢、使用場景相對(duì)有限。
Volocopter的18旋翼結(jié)構(gòu)
Lilium選擇的技術(shù)路線最為吸引眼球，除傾轉(zhuǎn)翼外，還使用了小尺寸電涵道風(fēng)扇、完全矢量控制等技術(shù)，飛機(jī)由多達(dá)36個(gè)可傾轉(zhuǎn)小尺寸電涵道風(fēng)扇提供升力、推力和姿態(tài)控制，完全取消了傳統(tǒng)飛機(jī)的控制舵面，極具未來感。
涵道風(fēng)扇技術(shù)尤其是大尺寸涵道風(fēng)扇廣泛應(yīng)用于高亞音速飛機(jī)，在噪音隔離、故障包容、流場干擾等方面具有一定優(yōu)勢，在中低速飛機(jī)上卻因?yàn)橹亓?、成本、效率等方面的劣勢，而鮮有使用。
推力矢量控制技術(shù)一般應(yīng)用于追求高機(jī)動(dòng)性的戰(zhàn)斗機(jī)上，是戰(zhàn)斗機(jī)超機(jī)動(dòng)能力的重要來源，而無控制舵面的完全矢量控制技術(shù)卻未被任何飛機(jī)采用或者完全驗(yàn)證過，這意味著巨大的研制，適航、安全、周期等方面風(fēng)險(xiǎn)，而且，對(duì)于民用飛機(jī)而言，安全性、舒適性和成本控制比超機(jī)動(dòng)性更加重要。
總體而言，Lilium構(gòu)型技術(shù)、適航、商業(yè)化風(fēng)險(xiǎn)非常大，且其主要技術(shù)特征對(duì)中短航程、低速、民用電動(dòng)垂直起降飛行器的適用性需要深入研究和探討，更適合學(xué)校和軍用科研單位進(jìn)一步研究。
Lilium的小型管道式風(fēng)扇設(shè)計(jì)
復(fù)合翼構(gòu)型雖然是在分布式電動(dòng)力系統(tǒng)DEP后才出現(xiàn)的全新飛機(jī)構(gòu)型，卻最大程度上保留了傳統(tǒng)固定翼飛機(jī)的特征，而且在此基礎(chǔ)上顯著提高了飛機(jī)的安全特性，這意味著優(yōu)良的技術(shù)性能，較低的研制風(fēng)險(xiǎn)和成本，局方熟悉的適航路徑和符合性方法，以及較快的研制速度，是當(dāng)前技術(shù)市場條件下，最為平衡合理的選項(xiàng)，也是大部分具有深刻行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和洞見的公司包括中國VOLANT公司、美國Beta公司、巴西航空旗下的 EVE 公司、波音旗下的Aurora公司等不約而同的選擇，德國Volocopter和歐洲空中客車經(jīng)過多年摸索，也轉(zhuǎn)向了這一構(gòu)型。
Beta（左）及VOLANT（右）水平和垂直旋翼的復(fù)合結(jié)構(gòu)
至于是否需要飛行員，更合理的問題應(yīng)該是“什么時(shí)候以及該如何實(shí)現(xiàn)安全的無駕駛員全自主飛行？”，這個(gè)問題本質(zhì)上也是兩條截然不同的路線的選擇：一條路線是無人機(jī)載人化，甚至客運(yùn)化。這條路線貌似捷徑，實(shí)則非常激進(jìn)，技術(shù)障礙和管理風(fēng)險(xiǎn)巨大，雖然有企業(yè)嘗試參考低等級(jí)航空器進(jìn)行適航和運(yùn)行管理，但目前仍看不到可行的實(shí)現(xiàn)路徑，且即便得到低等級(jí)適航證，運(yùn)行區(qū)域和應(yīng)用場景也將極大受限，商業(yè)前景非常有限。
另一條路線是客運(yùn)飛機(jī)全自主化，即在現(xiàn)有高等級(jí)民用航空系統(tǒng)基礎(chǔ)上，以及傳統(tǒng)航空產(chǎn)品研制規(guī)范和體系下，不斷探索，穩(wěn)步研發(fā)，逐步實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的全自主飛行。
這條路線的完全實(shí)現(xiàn)樂觀估計(jì)需要10年～15年和多個(gè)中間步驟，第一步通過SVO等先進(jìn)飛控和駕駛艙技術(shù)降低對(duì)飛行員的要求，再逐步完善各系統(tǒng)功能，過渡到僅需系統(tǒng)操作員或者安全監(jiān)督員，最后實(shí)現(xiàn)無操作員飛行。
該路線在技術(shù)方面面臨許多挑戰(zhàn)，其中包括：一是對(duì)外界環(huán)境及其變化的可靠探測及處置；二是對(duì)飛機(jī)各系統(tǒng)的健康狀態(tài)監(jiān)測、故障隔離和復(fù)雜處置；正是因?yàn)檫@些問題，當(dāng)前民航飛機(jī)雖然具備完善的自動(dòng)飛行系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)，各系統(tǒng)健康監(jiān)控能力，故障隔離處置能力也遠(yuǎn)高于包括無人機(jī)在內(nèi)的絕大多數(shù)行業(yè)，飛機(jī)功能也完全具有全程自動(dòng)飛行能力，卻仍需配備兩名飛行員，且法規(guī)要求在關(guān)鍵飛行階段和某些情況下必須由飛行員操縱飛機(jī)。
與第一條路線相比，客運(yùn)飛機(jī)全自主化貌似更加復(fù)雜艱難， 保守緩慢， 但VOLANT和當(dāng)前幾乎所有主要?dú)W美電動(dòng)垂直起降飛行器企業(yè)（僅除Wisk 以外），F(xiàn)AA、EASA等監(jiān)管當(dāng)局和美國國家航空航天局等權(quán)威科研機(jī)構(gòu)一樣，堅(jiān)定的相信這才是最終實(shí)現(xiàn)無駕駛員全自主飛行的正確且最快的道路。
電動(dòng)垂直起降飛行器或?qū)⒏淖兙用袢粘３鲂蟹绞?/h2>
國外電動(dòng)垂直起降飛行器企業(yè)獲得資本青睞的同時(shí)，中國電動(dòng)垂直起降飛行器企業(yè)的發(fā)展?jié)摿ν瑯右脖毁Y本所看好。
近日，VOLANT成立不到一個(gè)月就完成了數(shù)千萬種子輪融資，由順為資本領(lǐng)投，Ventech China跟投。該輪融資資金將用于全力推進(jìn)全尺寸技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的研制工作、搭建專業(yè)完備、規(guī)模適當(dāng)?shù)墓こ剃?duì)伍、研發(fā)實(shí)驗(yàn)樓、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及總裝試飛設(shè)施購置等。
順為資本對(duì)VOLANT的投資，表明對(duì)電動(dòng)垂直起降飛行器未來投上了堅(jiān)定支持的一票，順為資本認(rèn)為：“順應(yīng)時(shí)代和產(chǎn)業(yè)的趨勢的時(shí)候到了，當(dāng)提前對(duì)城市空中交通展開布局。”
從更長的發(fā)展尺度來看，或許已有百年發(fā)展歷史的航空業(yè)也僅僅剛走過0～1的歷程，未來從1～N的發(fā)展道路上，電動(dòng)垂直起降飛行器很可能成為使居民日常出行方式發(fā)生改變的重要節(jié)點(diǎn)。
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