探索飛行汽車通勤新模式的城市空中交通發(fā)展分析

王芳，白傑，楊麗平，饒兵，黃李波

（1.浙大城市學(xué)院 信息與電氣工程學(xué)院，杭州 310015；2.哈爾濱工程大學(xué) 水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實驗室，黑龍江，哈爾濱 150001）

隨著全球城市化進(jìn)程的加快，預(yù)計到2050 年，70%以上的歐洲人口和80%以上的北美人口將居住于城市地區(qū)，占較發(fā)達(dá)地區(qū)居民人口的近80%[1]，全球大城市將持續(xù)面臨日益嚴(yán)峻的交通和基礎(chǔ)設(shè)施問題.城市化所導(dǎo)致的擁堵、污染和沖突，對人們的健康和環(huán)境也產(chǎn)生破壞性影響.根據(jù)歐洲創(chuàng)新與技術(shù)研究所（European institute of innovation and technology,EIT)[2]的數(shù)據(jù)，這一現(xiàn)狀也帶來了擁堵成本的增長，僅歐洲每年就高達(dá)1 300 億歐元.紐約、倫敦、巴黎、東京等大都市紛紛報告了超額燃料和交通工具運(yùn)營成本的巨大經(jīng)濟(jì)損失[3?5].除交通堵塞的經(jīng)濟(jì)成本（包括時間成本）之外，人們還需要考慮污染方面的環(huán)境成本問題[6].未來城市需要探索新的交通概念和模式，繞過地面擁堵，以期縮短通勤時間.

城市空中交通（urban air mobility，UAM）有可能成為空中交通的變革性因素，為航空業(yè)、交通系統(tǒng)和城市規(guī)劃帶來顛覆性創(chuàng)新[7?9].這一概念的基礎(chǔ)是電池及電動分布式推進(jìn)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，而正是這一進(jìn)步促進(jìn)了具有垂直起降（vertical take-off and landing，VTOL）能力的新型飛機(jī)設(shè)計.為推進(jìn)垂直起降技術(shù)和原型機(jī)的發(fā)展，LILIUM、KITTY HAWK、優(yōu)步（Uber）[10]、空客（Airbus）[11]、中國億航智能[12]、小鵬匯天等公司紛紛入場，并大規(guī)模生產(chǎn)了以空中出租車服務(wù)為基礎(chǔ)的VTOL 飛行器.此外，美國、日本、新加坡、新西蘭、法國、印度，ZEPHYR Airworks、VOLOCOPTER GmbH 等公司已經(jīng)利用其電動垂直起降（electric vertical take-off and landing，eVTOL）示范機(jī)（Cora、Airbus-Vahana 和Volocopter 2x）進(jìn)行了廣泛的測試飛行[13].UAM 將顛覆人們固有的交通出行方式，徹底變革公路、鐵路、傳統(tǒng)航空和水路等行業(yè)現(xiàn)狀.根據(jù)摩根斯坦利2018 年藍(lán)皮書估算，到2040年全球UAM 的產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到1.5 萬億美元.

“垂直起降、自動駕駛、新能源”是未來UAM的3 大目標(biāo)，當(dāng)下正在經(jīng)歷的電動垂直起降（eVTOL）是飛行汽車必經(jīng)的一個階段.電動垂直起降（eVTOL）階段為低空交通提供了全新的智能化可持續(xù)發(fā)展路徑，同時作為一種前所未有的航空交通模式，將深刻影響著未來全新交通范式的構(gòu)建.隨著汽車和航空電氣化、智能化技術(shù)的跨界滲透與融合發(fā)展，智能交通設(shè)施的不斷發(fā)展與完善，未來飛行汽車的地面行駛屬性將得到實現(xiàn)與強(qiáng)化，逐步與地面道路交通形成互補(bǔ)和聯(lián)動，形成空地一體的新型城市綜合立體交通體系[14].當(dāng)前eVTOL 廠商和媒體出于營銷和易傳播等原因，已習(xí)慣性地將eVTOL 稱之為“飛行汽車”.本文提出的“飛行汽車”包含但不局限于飛行器與汽車融合的終極形態(tài)即陸空兩用飛行汽車，同時包含eVTOL 這一中間形態(tài).

1 飛行汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

20 世紀(jì)40 年代，汽車、航空技術(shù)迅速發(fā)展，福特汽車公司創(chuàng)始人亨利·福特提出了“飛行汽車”的預(yù)言.1917 年，飛行汽車之父格·冠蒂斯發(fā)明第一輛飛行汽車Autoplane，其裝備3 只12.2 m 長的機(jī)翼，但從未真正飛上藍(lán)天，僅實現(xiàn)了短距離飛行跳躍.1970年，莫爾·泰勒設(shè)計出歷史上較為著名的飛行汽車Aerocar，飛行時速可達(dá)193 km/h.2003 年，穆勒國際公司制造出Sky Car M400，是世界上第一輛可垂直起落的飛行汽車.2009 年，飛行汽車制造公司Terrafugia 的Transition 全球首次試飛成功，該汽車擁有可折疊機(jī)翼，被譽(yù)為“世界第一部飛天汽車”.2017 年，Terrafujia 公司被中國的吉利集團(tuán)收購，目前由沃飛長空科技有限公司(吉利集團(tuán)) 持續(xù)運(yùn)營.2018 年，全球首款量產(chǎn)飛行汽車PAL-V 開始接受預(yù)定.中國億航智能的旗下Ehang-216 和Ehang-116 自動駕駛飛行器已實現(xiàn)量產(chǎn)銷售，如圖1～4 所示.

圖2 Joby S4 原型機(jī)Fig.2 Joby S4 eVTOL

圖3 小鵬匯天的X2 飛行汽車Fig.3 XPENG AEROHT X2 eVTOL flying cars

圖4 億航Ehang-216 飛行汽車Fig.4 Ehang-216 eVTOL flying cars

相比較無人機(jī)，飛行汽車還涉及載人，因而涵蓋了客運(yùn)，是對無人機(jī)的拓展.相對于直升機(jī)，飛行汽車的主要優(yōu)勢在于成本、安全性和效率.表1 與表2分別列出了飛行汽車與無人機(jī)、直升機(jī)的對比優(yōu)勢.

表1 飛行汽車與無人機(jī)的對比Tab.1 The comparison of flying cars and drones

表2 飛行汽車與直升機(jī)的對比Tab.2 The comparison of flying cars and holicopter

2 城市空中交通(UAM)的發(fā)展

2.1 UAM 定義

根據(jù)NASA 發(fā)布的《城市空中交通空域整合概念和考慮因素》中的定義，城市空中交通（urban air mobility, UAM）為“城市內(nèi)適用于載人飛行器和無人飛行器系統(tǒng)的安全高效交通運(yùn)作方式”.UAM 同時指代幾個不同的領(lǐng)域，如無人機(jī)技術(shù)（也被稱為遙控駕駛飛行系統(tǒng)（remote piloted air systems, RPAS））在城市最后一英里物流中的應(yīng)用，以及未來城市內(nèi)(intra-urban)和城市間(inter-urban)環(huán)境中的客運(yùn)服務(wù).UAM 是一個相對新穎和新興的話題，仍存在大量的不確定性和未定義事項，為此須通過整體和多學(xué)科的方法加以考量，以充分挖掘其潛力.雖然面向飛行汽車的UAM 主要涉及客運(yùn)應(yīng)用，但也保留了這兩個概念之間的密切關(guān)系，因為許多最初為小型RPAS所開發(fā)的顛覆性技術(shù)有可能會在未來應(yīng)用于大型設(shè)備和交通工具.

在定義未來UAM 運(yùn)營服務(wù)方面，UBER Elevate通過分析eVTOL 飛行器的可行性、空中出租車市場的經(jīng)濟(jì)性，以及空中出租車運(yùn)營所需的地面基礎(chǔ)設(shè)施（如Vertiports、充電系統(tǒng)），提出了空中出租車服務(wù)（air taxi services）這一概念[15].此外，UBER 還詳細(xì)討論了UAM 空域整合的挑戰(zhàn)，如飛機(jī)進(jìn)出垂直升降機(jī)場的順序和調(diào)度，以及交通工具之間的互操作性.NASA 通過對更廣泛的長途旅行、飛機(jī)類型、空域和危險等需要考慮和平衡的重要方面的思考，揭示了其他運(yùn)營概念[16].JORDI 等[17]對處于兩個不同運(yùn)營成熟度的概念進(jìn)行了描述，旨在為新的UAM框架架立起點(diǎn).第一個概念設(shè)想低密度運(yùn)行，其頻率較低，類似于目視飛行規(guī)則（VFR）飛行，以及少數(shù)起飛和著陸區(qū)域之間的一組固定航線.第二個概念被設(shè)想為在一個小型垂直機(jī)場網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行高密度、高頻率的運(yùn)營，該網(wǎng)絡(luò)為公共樞紐位置提供服務(wù)，并由UAM 運(yùn)營商和第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)管理.空客藍(lán)圖（Airbus Blueprint）為自治飛行器的安全整合提供了詳細(xì)的路線圖，同時強(qiáng)調(diào)了利益相關(guān)者角色、空中交通配置、法規(guī)和系統(tǒng)架構(gòu)4 個運(yùn)營概念作為支柱的重要性[18].

2.2 UAM 的關(guān)鍵支撐要素

與其他任何交通運(yùn)輸系統(tǒng)一樣，UAM 向客戶提供的服務(wù)水平將在很大程度上取決于其他系統(tǒng)組成部分的進(jìn)展.JORDI 等[17]闡述了UAM 核心要素的服務(wù)與其他相關(guān)元素之間關(guān)系（圖5）.其中技術(shù)元素涵蓋了新交通工具設(shè)計和推進(jìn)系統(tǒng)與新的動力來源[19]和替代燃料相聯(lián)系的元素.同時，自主交通工具的發(fā)展將需要在通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是5G 網(wǎng)絡(luò)部署方面，取得更深入的進(jìn)展.基礎(chǔ)設(shè)施的提供與需要進(jìn)一步發(fā)展的垂直機(jī)場和地面基礎(chǔ)設(shè)施密切相關(guān)，從而適應(yīng)新的交通工具設(shè)計，這反過來又將對乘客提供的服務(wù)類型產(chǎn)生重大影響.然而，UAM 系統(tǒng)并不僅僅涉及物理基礎(chǔ)設(shè)施和交通工具，它還包括支持UAM服務(wù)協(xié)調(diào)的各種政策和機(jī)構(gòu)設(shè)置.作為一種新模式，UAM 的成功引入需要確保公眾的接受度和用戶的采用情況（即社會因素），這也是相關(guān)文獻(xiàn)中所提及的一個主要障礙.最后，上述所有組成部分都需要支持對乘客的服務(wù)，這是圍繞UAM 的核心理念，而安全則被認(rèn)為是當(dāng)代民用航空最重要的運(yùn)行特征之一.

圖5 支撐UAM 的關(guān)鍵元素Fig.5 Key elements of UAM

在運(yùn)營場景方面，POSTORINO 等[20]探討了UAM在點(diǎn)對點(diǎn)預(yù)定路線（如港口—機(jī)場—火車站，緊急救護(hù)）、城市之間的中長途旅程，以及城市內(nèi)部的短中途旅程等多種運(yùn)行模式，如圖6 的運(yùn)行模式主要側(cè)重城市內(nèi)的飛行側(cè)功能，圖7～圖8 的運(yùn)行模式需要兼顧空地模式（地面?zhèn)刃旭?飛行側(cè)飛行），即在不同階段采用不同的功能.除了城市中的應(yīng)用場景，UAM 將進(jìn)一步在地面基礎(chǔ)設(shè)施比較薄弱的鄉(xiāng)郊和農(nóng)村地區(qū)拓展應(yīng)用，特別在物流領(lǐng)域.除了交通運(yùn)輸外，UAM 飛行器將在醫(yī)療救護(hù)、消防滅火、應(yīng)急救援、公共安全、旅游等特定場景中發(fā)揮作用.

圖6 城市內(nèi)點(diǎn)對點(diǎn)服務(wù)的預(yù)定線路（側(cè)重飛行側(cè)）[20]Fig.6 Point-to-point services between pre-fixed points within cities(mainly flying mode)[20]

圖7 城市之間的中長旅程（城市間飛行側(cè)+城市內(nèi)地面?zhèn)龋20]Fig.7 Long/medium-distance inter-city trips（flying mode for the longer legs and ground mode within cities）[20]

圖8 城市內(nèi)的中短旅程（城市內(nèi)飛行側(cè)與地面?zhèn)冉Y(jié)合）[20]Fig.8 Short/medium-distance trips within cities (combining flying and ground modes）[20]

3 支撐UAM 發(fā)展的關(guān)鍵元素分析

與UAM 的開發(fā)和實現(xiàn)直接或間接相關(guān)的技術(shù)眾多，其中一些已存在于航空和無人機(jī)系統(tǒng)（UAS）領(lǐng)域，但仍需調(diào)整和等待成熟，以滿足UAM 的需求.此前對UAM 的審查已列出了需要考慮的項目.如前所述，UBER 公司在其Elevate 文件中指出，電池、交通工具設(shè)計和性能，以及空中交通管制是需要評估的關(guān)鍵性高層次技術(shù)[15].文件還提到了與前幾項相關(guān)的其他項目，即噪音和排放、效率、可靠性和安全性.AIRBUS 在其文件“天空藍(lán)圖”中指出，自動化、通信和空中交通管制（ATC）是UAM 實施進(jìn)展的關(guān)鍵因素[18].BOEING 在《未來交通白皮書》也將ATC、通信、自主交通工具和交通工具性能確定為關(guān)鍵議題[21].德國航空航天中心（DLR）則專注于U-Space 和空中交通管制問題[22].KELLERMANN 等[23]對有關(guān)UAS（Drones）的出版物進(jìn)行了廣泛的回顧，重點(diǎn)聚焦貨運(yùn)和客運(yùn).COURTIN 等[24]對使能技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，提到了短距起飛和著陸（short take-off and landing,STOL）能力、分布式電力推進(jìn)、電動馬達(dá)、飛行控制、揚(yáng)升（機(jī)翼空氣動力學(xué)）和電池.

廬山西海的旅游景點(diǎn)眾多但是開發(fā)較少，許多景點(diǎn)設(shè)置重復(fù)性高，布局也不太合理。許多旅游景點(diǎn)主要以觀光為主，養(yǎng)生旅游開發(fā)得較少，許多景區(qū)的代表性、感染力、參與度等都比較差。還處于低層次的發(fā)展階段，這樣就對廬山西海的旅游資源造成極大浪費(fèi)。

3.1 技術(shù)元素

3.1.1 交通工具配置和VTOL 飛行器

垂直起降飛行器應(yīng)該是UAM 服務(wù)中最為相關(guān)的一種載運(yùn)工具.直升機(jī)可被視為垂直起降飛行器的前身，雖然配置不同，但也具備垂直起降（VTOL）的能力.CAPRI 等[25]分析了應(yīng)急救援直升機(jī)的起降機(jī)場網(wǎng)絡(luò)，詳細(xì)闡述了垂直起降飛行器以及垂直起降機(jī)場的設(shè)計要求.COURTIN 等[24]所提的STOL 飛行器也是一種選擇，他們提出了一種權(quán)衡設(shè)計，以權(quán)衡跑道長度和交通工具性能.由于分布式推進(jìn)器的空氣動力學(xué)效應(yīng)與STOL 能力相關(guān)，因此在設(shè)計STOL 和VTOL飛行器時都需要將其納入考慮.PRADEEP 等和KLEINBEKMAN 等[26?27]提出了關(guān)于VTOL飛行器的到達(dá)運(yùn)營的概念.兩篇論文都討論了多旋翼VTOL 飛行器的幾種到達(dá)策略的能源效率問題.POLACZYK 等[28]對電動垂直起降（eVTOL）交通工具的當(dāng)前技術(shù)和發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)，列出了已公布的飛行器性能數(shù)據(jù)，同時描述了未來的挑戰(zhàn).由于提及的很多飛行器正在開發(fā)中，因此性能和特性列表并不完整.不同的推進(jìn)系統(tǒng)在電動飛行器中得到了展現(xiàn)，BRELJE 等[29]深入回顧了電池和推進(jìn)技術(shù)，及其對交通工具設(shè)計的影響.REN 等[30]討論了UAS 的分類，并將任務(wù)目的作為一個關(guān)鍵參數(shù).GUPTAS 等[31]專注于UAS的軍事應(yīng)用.

3.1.2 推進(jìn)系統(tǒng)

推進(jìn)技術(shù)是獲得更安全、更可靠的VTOL 飛行器的推動力，與電動交通工具的設(shè)計有著緊密而直接的聯(lián)系.SHAMIYEH 等[32]回顧了私人飛行器（personal air vehicle）的概念及其新的推進(jìn)系統(tǒng)，特別關(guān)注了VTOL 和個人航空運(yùn)輸系統(tǒng)（PATS）交通工具.SHAMIYEH 等[33]進(jìn)一步擴(kuò)展了之前所提出的設(shè)計概念，并闡述了分布式電力推進(jìn)與VTOL 飛行器新設(shè)計之間的關(guān)系KIM 等[34]提出了電力推進(jìn)的概念，描述了對傳統(tǒng)以及VTOL 飛行器設(shè)計的優(yōu)劣影響.HENDRICKS 等[35]提出了一個推進(jìn)分析工具，旨在設(shè)計適用于UAM 飛行器的推進(jìn)系統(tǒng)，特別是VTOL飛行器.NASA 聚焦特定的傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器，分析了螺旋槳的設(shè)計、電氣設(shè)置和若干電機(jī)和冷卻系統(tǒng)的連接，以及熱管理系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪機(jī)的熱力學(xué)分析.COURTIN 等[24]對電動STOL 飛行器的分析確定了飛行器在起飛和著陸能力方面的性能.

電力推進(jìn)需要高效的電池，其他可替代能源表現(xiàn)并不佳，未來氫氣航空燃料可能是一個選項[36].在任何情況下，由于噪音和排放，再加上社會影響，導(dǎo)致電源永遠(yuǎn)處于人們關(guān)注的中心.FREDERICKS 等[37]描述了飛行器性能與電動電池規(guī)格之間的關(guān)系，盡管這項技術(shù)在不斷進(jìn)步，但依舊路途漫漫，有待進(jìn)一步發(fā)展.BRELJE 等[29]確定了電力電池和電力推進(jìn)系統(tǒng)之間的關(guān)系.替代燃料是現(xiàn)今航空領(lǐng)域的一個熱門研究課題.YIIMAZ 等[38]描述了替代燃料的類型，喬金碩等[39]和BRAUN-UNKHOFF 等[40]分析了可生產(chǎn)替代燃料的原料生物質(zhì)（biomass）.考慮到電池技術(shù)將足夠成熟應(yīng)用到第一批飛行器，因此UAM 設(shè)計并未將上述燃料納入考慮.噪音和排放是這類燃料的主要缺點(diǎn)，因此在評估時并未真正慮及.此外，對于大型交通工具而言，在電力或氫氣無法使用后，替代燃料可能將成為早期采用的解決方案.

3.1.3 自主技術(shù)

3.1.4 通信與導(dǎo)航技術(shù)

UAS 的實施將為UAM 客運(yùn)帶來實質(zhì)性的問題.通信系統(tǒng)對于無人機(jī)的編隊飛行尤其重要[49?51].協(xié)調(diào)和共享多種類型數(shù)據(jù)的需要，加上大量的空域用戶，最終形成巨大的寬帶需求.眾所周知，5G 是解決方案之一，其研究涵蓋了多種主題：從航空用5G 信號的適配[52]，到航空通信5G 網(wǎng)絡(luò)的安全性[53].有趣的是，在處理5G 和UAS 時，要強(qiáng)調(diào)一種特殊的情況，這種情況可以擴(kuò)展至UAM 飛行器.研究人員指出，UAS 和UAM 不僅將成為空域用戶，還將充當(dāng)通信中繼[54?56].使用相同的交通工具作為中繼，有助于減弱建筑物的陰影效應(yīng).盡管由于其獨(dú)特的通信要求和信道特性，5G 及無線系統(tǒng)以外的無人機(jī)通信仍面臨大量挑戰(zhàn)，但毫無疑問，5G 技術(shù)已經(jīng)蓄勢待發(fā)[57?58].

3.1.5 空域管理

UAM 的實施意味著空域容量的增加.THIPPHAVONG 等[16]準(zhǔn)確定義了新場景，以及空域使用的演變.低空UAS 的開放將帶來巨大的需求, 空中交通管理（ATM）的現(xiàn)有工具和程序?qū)o法應(yīng)對這種增長，因此各國航空當(dāng)局（聯(lián)邦航空局（FAA）、歐洲管制組織、中國民航局（CAAC）等）都在試圖定義UTM和U-Space 概念.VASCIK 等[59]在ATM 系統(tǒng)層面進(jìn)行了分析，同時考慮了UAM 實施的其他相關(guān)方面.正在進(jìn)行的研究還包括自主UAM 網(wǎng)絡(luò)管理和分離服務(wù)、出發(fā)和到達(dá)調(diào)度、分離的連續(xù)軌跡管理、與傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的無縫整合、UTM 與機(jī)載軌跡管理（ABTM）的擴(kuò)展、角速度管理、可變分離[60?61]，同時還包括短期活動，例如如何改造直升機(jī)航線以供UAM 使用[62].在美國和歐洲，引領(lǐng)UAM 的實施研究的兩項計劃為NASA 和EC 所資助.最先進(jìn)的項目位于美國，即所謂的未來空中交通（AAM）長途旅行.AAM 的主要支柱之一是自動化[63?64]，它對ATM 產(chǎn)生直接影響,例如歐洲涉及低空空域自主設(shè)備整合的CORUS 項目.

3.2 城市基礎(chǔ)設(shè)施

將涉及UAM 運(yùn)營的主要基礎(chǔ)設(shè)施元素融入現(xiàn)有城市結(jié)構(gòu)可謂是最大的挑戰(zhàn)之一[65].在這方面，需要考慮起飛和著陸區(qū)（TOLA）的定位和尺寸——垂直起飛和著陸（VTOL）的地面空間，以及UAM 陸地基礎(chǔ)設(shè)施與現(xiàn)有交通系統(tǒng)的一致性.對于TOLA 的定義，在文獻(xiàn)中常見vertistop 和vertiport 等術(shù)語.NASA在《High-Density Automated Vertiport ConOps》（高密度自動化垂直起降機(jī)場運(yùn)營理念）一文中提出未來智慧機(jī)場包括了3 種形態(tài)：以停放與維護(hù)飛行器為主的垂直起降停機(jī)庫（Vertihub），以起降運(yùn)營飛行器為主的垂直起降機(jī)場（Vertiport），以及短時駐停飛行器為主的垂直起降航路站點(diǎn)（Vertistop）.Uber 公司的Elevate 項目提出了“Mega Skyport”(空港)的未來城市設(shè)計想法，他們建議Vertiport 的位置要跨過現(xiàn)有的道路.這些新的空港被設(shè)計成擁有大量面積，但在地面上的占地面積很小，因而普遍配置了164.592 m 高的橋梁設(shè)計.Uber 的空港空間作為一個“社區(qū)連接”，定位在城市中心.德國公司Volocopter 提出了對場地空間要求更小的Voloport.Volocopter 認(rèn)為Vertiport 需要盡可能小地減少地面設(shè)施的建設(shè)難度，盡可能利用現(xiàn)有樓宇頂層，配合現(xiàn)有的智能電網(wǎng)改造進(jìn)程，預(yù)留出自動充電系統(tǒng)與換乘通道，打造更加親民的Vertiport 模式.關(guān)于垂直升降機(jī)機(jī)場安置問題的研究可參見文獻(xiàn)[13, 59, 66 ? 69].

目前，用于eVTOL 飛機(jī)垂直升降機(jī)機(jī)場的發(fā)展僅表現(xiàn)為孤立案例（達(dá)拉斯行政機(jī)場，2021）或概念設(shè)計模型[70?71].建設(shè)新基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵在于空間的可用性，具有高吸引力的場所往往位于城市區(qū)域中央，可能面臨空間不足的問題.此外，最關(guān)鍵的問題依舊是安全，因為需要在城市區(qū)域中央進(jìn)行運(yùn)營.除了新基礎(chǔ)設(shè)施要素外，建筑物的屋頂、浮動的駁船和碼頭、高速公路空地以及現(xiàn)有土地基礎(chǔ)設(shè)施的頂部，均被視為垂直起降作業(yè)的潛在場地[59].當(dāng)前的直升機(jī)停機(jī)坪和直升機(jī)場也有可能成為未來垂直機(jī)場網(wǎng)絡(luò)的一部分.

3.3 社會公眾接受度

UAM 的一個重要方面在于其對人與環(huán)境的影響.安全、噪音、排放、隱私、土地使用和視覺干擾等都是UAM 服務(wù)最重要的社會與環(huán)境問題，涉及到社區(qū)并嚴(yán)重影響到接受度.根據(jù)EASA 關(guān)于歐洲社會對UAM 接受度的最新廣泛調(diào)查，安全、噪音和安全是最關(guān)注的問題之一.毋庸置疑，安全是要UAM實現(xiàn)的首要目標(biāo).在低空空域和高密度地區(qū)的空中作業(yè)，使得安全問題成為最重要的問題.自動駕駛，以及ATM 和通信等技術(shù)將為城市環(huán)境提供更高的安全水平.噪音的產(chǎn)生是UAM 發(fā)展的一個突出限制，當(dāng)UAM 實現(xiàn)全面運(yùn)行時，這一問題可能尤為突出.ANTCLIFF 等[66]與EI?FELDT 等[72]都強(qiáng)調(diào)了噪聲作為最相關(guān)的UAM 外部因素之一的重要性，而其中一些人還提出了減少噪聲的建議和程序.到目前為止，只有少數(shù)研究評估了VTOL 飛機(jī)的環(huán)境可持續(xù)性，大多是將其外部影響與乘用車進(jìn)行比較[73?74].可以預(yù)見，使用新能源（如電動、氫氣和太陽能）作為動力，將可能成為確保城市航空零排放和超靜音設(shè)計的有力保障.除上述因素外，社會公平和將UAM 擴(kuò)展為大眾服務(wù)的機(jī)會則取決于UAM 服務(wù)的合理價格.如果這項服務(wù)被視為精英服務(wù)，那么提高公眾接受度并實現(xiàn)與其他交通方式的真正競爭將成為一項重大挑戰(zhàn).CHEN 等[75]指出能左右出行方式選擇的3 類重要因素：社會人口、建筑環(huán)境（如密度、多樣性、設(shè)計和距離衰減效應(yīng)）和出行相關(guān)因素（如出行目的、出行時間和成本，或可靠性）.

因此，與UAM 相關(guān)的接受度和態(tài)度研究，有望隨著其服務(wù)的進(jìn)一步發(fā)展而得到更多探索.預(yù)計UAM 的接受度取決于大量不同性質(zhì)的因素（即社會人口學(xué)、心理學(xué)、產(chǎn)品和技術(shù)相關(guān)的因素等）影響，但也受許多其他新興或改進(jìn)的現(xiàn)有交通服務(wù)（如共享交通服務(wù)、出行即服務(wù)概念、自主交通工具、高速列車等）演變的影響.

3.4 政策因素

與其他顛覆性技術(shù)一樣，UAM 在安全和隱私方面引起了新的關(guān)注，這對現(xiàn)有的監(jiān)管框架提出了更高的要求，涉及從適航性、運(yùn)營商認(rèn)證到基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)等方面.SERRAO 等[76]對影響UAM 的法規(guī)和認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了全面概述，涉及英國、愛爾蘭、新西蘭和加拿大等國家，并重點(diǎn)介紹了發(fā)布UAS 和UAM實施條例的美國.美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）、歐洲航空安全局（EASA）和中國民用航空局（CAAC）均為全球航空安全的參考機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)建立UAM 不同方面的法規(guī)，以建立并增強(qiáng)公眾對新解決方案的信心.VTOL 飛機(jī)和相關(guān)的地面基礎(chǔ)設(shè)施與目前的飛機(jī)技術(shù)和地面解決方案有一些相似之處，特別是直升機(jī)和直升機(jī)場，這意味著現(xiàn)有的很大一部分法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)適用于垂直升降機(jī)機(jī)場的基礎(chǔ)設(shè)施.盡管如此，仍需針對VTOL 飛機(jī)的獨(dú)特特征（推進(jìn)手段和計劃的自主程度方面）緊急制定準(zhǔn)則或更嚴(yán)格的認(rèn)證.除了對自主和共享交通工具的期望外，對空域結(jié)構(gòu)的監(jiān)管和組織也至關(guān)重要.新法規(guī)不僅需要確保在低空和不同密度空域中的運(yùn)行，還需要確保與有人駕駛的航空、空中交通管理（ATM）和空中導(dǎo)航服務(wù)提供商（ANSP）的對接.CORUS 項目作為在SESAR 2020第一波計劃的背景下建立的探索性研究項目，可作為現(xiàn)有的一個典型案例.該項目旨在建立并明確描述歐洲層面上無人機(jī)在非管制空域（U-space）以及管制或保護(hù)空域（如機(jī)場）內(nèi)和周圍的運(yùn)營概念[63].

我國也在進(jìn)行類似的工作.目前的監(jiān)管框架包括《民用航空法》、《ATM 條例》（飛行通則）、《中國民用航空局通用航空規(guī)則ATM 條例》（CCAR）等.2015 年，民航局發(fā)布了《輕型和小型無人機(jī)運(yùn)行暫行規(guī)定》（UAS 運(yùn)行規(guī)定），對無人機(jī)系統(tǒng)（UAS）的運(yùn)行作出了一系列要求，包括最大空重116 kg 或以下，或最大起飛總重150 kg 或以下，以及修正空速不超過100 km/h.質(zhì)量為1.5 kg 或以下的無人機(jī)系統(tǒng)通常無需遵守該規(guī)則.

總體而言，所有當(dāng)局仍然對擁擠或城市地區(qū)的飛越有所限制，盡管隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這一情況預(yù)計會有所改變.目前主要關(guān)注的是貨運(yùn)無人機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)營，尚未考慮客運(yùn).而在處理客運(yùn)問題時，為了滿足高水平的安全要求，一些適用于無人機(jī)的現(xiàn)有或未來的規(guī)則可能會更加嚴(yán)格.

4 商業(yè)模式

世界各地已經(jīng)成功開發(fā)了許多基于直升機(jī)的出租車應(yīng)用，其中歐洲和美國是主要市場.這些應(yīng)用是最近出現(xiàn)的按需服務(wù)（on-demand service）交通概念的前身.Airbus Voom 在世界最擁擠的大都市地區(qū)（圣保羅、墨西哥城和舊金山）提供了首個上市的直升機(jī)預(yù)訂平臺，隨后推出的UBER Copter 則利用其便捷的3 段式旅程，實現(xiàn)了下曼哈頓與肯尼迪國際機(jī)場的連接.現(xiàn)有直升機(jī)公司的商業(yè)模式包括結(jié)合按需服務(wù)與傳統(tǒng)交通模式（即出租車），以提供無縫、可靠和個性化（即適合用途）的交通服務(wù).如此一來，按需直升機(jī)服務(wù)將為價格相對缺乏彈性的商務(wù)旅行者提供一種可行的選擇，此類乘客尋求一種能夠代替擁擠道路交通的便捷替代品，而且他們愿意為這種服務(wù)支付更多費(fèi)用.VASCIK[59]將ODM 運(yùn)輸服務(wù)確定為一種可行的商業(yè)模式，該模式從當(dāng)前仍然存在的幾個成功地面ODM 商業(yè)模式轉(zhuǎn)化為航空社區(qū)的商業(yè)模式.例如，UBER 引入了共享出行的概念，為乘客提供了共享航班的可能性，從而節(jié)省了乘坐成本[15].在客戶界面方面，客戶通常使用智能手機(jī)上的應(yīng)用程序預(yù)訂行程、指定接機(jī)地點(diǎn)、座位數(shù)量和首選行程.

盡管空中出租車直升機(jī)服務(wù)的價值毋庸置疑，但這種商業(yè)模式的可持續(xù)性仍然存在疑問.主要缺點(diǎn)在于端到端旅程節(jié)省的總時間可能并不符合客戶的期望，從而促使其選擇其他交通方式.RAJENDERAN[77]調(diào)查了2000 年代末在美國各地運(yùn)營的不同空中出租車初創(chuàng)公司的運(yùn)營特點(diǎn)和成本結(jié)構(gòu)，這些公司使用的是現(xiàn)有的飛機(jī)技術(shù)（即單引擎活塞飛機(jī)、雙渦輪風(fēng)扇飛機(jī)等）.這些飛機(jī)類型的低負(fù)載率、低利用率、高燃料/能源成本和高總運(yùn)營成本構(gòu)成了可持續(xù)發(fā)展的主要障礙.這些問題可通過部署電力推進(jìn)器作為顛覆性技術(shù)手段加以克服[37].鑒于最近完全eVTOL 飛行器領(lǐng)域的發(fā)展，空中出租車服務(wù)可以在未來提供更快、更可靠的運(yùn)輸方式，從根本上改變約束當(dāng)前飛機(jī)設(shè)計和運(yùn)營概念的桎梏和目標(biāo)功能[77 ? 78].

5 結(jié) 論

盡管仍存在諸多遏制UAM 成功實施的挑戰(zhàn)和多學(xué)科限制，但UAM 在改變市場規(guī)則方面具有巨大潛力.雖然技術(shù)推動因素已經(jīng)存在，但仍須對社會接受度、成本以及其他缺點(diǎn)進(jìn)行仔細(xì)分析并妥善解決.除了社會接受度和技術(shù)障礙外，還存在若干其他質(zhì)疑該概念可行性的重要問題.其中最重要的問題涉及環(huán)境可持續(xù)性、監(jiān)管限制、保險和責(zé)任任命、運(yùn)營安全、可負(fù)擔(dān)性，以及移動和城市化模式的變化.此外，在城市交通活動和多式聯(lián)運(yùn)戰(zhàn)略的背景下，還應(yīng)該思考UAM 新興交通方式與其他現(xiàn)有交通選擇方式的特定或完整的整合程度.憑借其創(chuàng)新的商業(yè)模式，UAM 可能將成為高速交通和用戶導(dǎo)向服務(wù)的合適解決方案.

雖然目前全世界范圍內(nèi)正在試飛或試運(yùn)營的飛行汽車大多不具備地面?zhèn)裙δ?，?dāng)前的技術(shù)與應(yīng)用場景更優(yōu)先支持飛行汽車的空中飛行功能屬性、突出飛行模式優(yōu)勢.但隨著汽車和航空電氣化、智能化技術(shù)的跨界滲透與融合發(fā)展，智能交通設(shè)施的不斷發(fā)展與完善，未來飛行汽車的地面行駛屬性將得到實現(xiàn)和強(qiáng)化.未來空地載人飛行汽車將逐漸由封閉或半封閉的應(yīng)用場景過渡到城市的開放場景中，完全實現(xiàn)空中載客運(yùn)輸?shù)闹悄荞{駛以及城市開放道路下的自主起降，逐步與地面道路交通形成互補(bǔ)和聯(lián)動，形成空地一體的新型城市綜合交通體系.