城市空运的发展现状与前景

刘正 吴昊

为了更好地缓解城市交通拥堵、提高出行效率、实现节能减排，全球很多国家都加入“城市空运”计划，很多企业也纷纷开始设计制造形态各异的垂直起降飞机。然而成功实现“城市空运”计划还要面临适航认证、空管、基础设施建设、电池和社会认可度等方面的挑战，因此当下我们的首要任务便是破解这些难题，实现城市内或城市之间迅速而可靠的交通。

大型城市的交通拥堵已成为一个全球性的现象。根据创立于1994年的德国保时捷管理咨询有限公司研究的数据，洛杉矶每位居民平均每年都会因交通堵塞而浪费大约102h的时间，莫斯科和纽约紧随其后（91h），紧接着便是圣保罗（86h）。尽管地面交通堵塞问题日益严重，但城市的吸引力却并未因此而降低。据联合国估计，到2050年将有70%～80%的世界人口被城市化，这无疑将为如何制定更高效、更可持续的交通运输解决方案带来全新的挑战和机会。其中一些方案就包括避开地面交通堵塞，转而采用垂直交通運输的方式，即“城市空运”（Urban AirMobility），一种由垂直起降、静音、安全、高效飞机构成的运行网络。

根据保时捷管理咨询有限公司对2035年城市垂直交通运输市场规模的预测，面向巡检、货运和客运无人机（无人驾驶飞机）以及支持服务的整体市场将在2035年达到大约740亿美元的规模。其中巡检无人机将占据340亿美元的市场，客运无人机将占据320亿美元（城市内部和城市之间的市场分别为210亿美元和110亿美元）、货运无人机将占据40亿美元以及支持服务将占据40亿美元的市场。对于城市客运无人机，其市场将从2025年（10亿美元、500架VTOL飞行器）开始起步，以350的年复合增长率快速发展，2030年达到40亿美元和2000架，2035年达到210亿美元和1.5万架。

发展现状

近年来，技术的发展使研制城市空运飞行器变得切实可行。除空客、巴航工业、贝尔等传统航空企业纷纷研发垂直起降（VTOL）飞行器外，随着大量风险投资的涌入，该领域还出现了一大批新兴创业企业，其中包括像互联网大佬谷歌联合创始人拉里·佩奇投资成立的企业（Kitty Hawk和Zee.Aero）以及汽车共享服务巨头优步的“提升（Elevate）”计划。优步的“提升”计划将在大型城市利用数以百架的电动垂直起降（eVTOL）空中出租车沿着预定航线通过预设起降场的方式将数以万计乘客运往各地，并与其地面车辆网络接驳。该计划的目标和发展速度令人震惊。优步将在2020年开始城市飞行演示（目前悉尼、墨尔本、里约热内卢、圣保罗、巴黎、班加罗尔、孟买、新德里、大阪和东京10个城市已进入优步提升计划首批运营国际城市名单，其中获选城市将于6个月内被宣布），2023年提供经认证的飞机，2025年在FAA的批准下开始市场运营（2028年奥运会前在洛杉矶运营）。优步从2017年开始已连续两年召开了“提升”计划峰会，与飞机制造商、监管机构、城市和国家政府及其他社区利益相关者共同探讨打造城市空运网络的所有问题。

总体研发情况

法国著名航空航天孵化机构“星光加速器”（StarburstAccelerator，2012年由前空中客车电气工程师兼航空航天战略顾问弗朗索瓦·肖邦在巴黎创办）2017年发布的城市空运研究报告指出：城市空运正在全球范围内萌芽。该报告统计了包括折叠机翼飞行汽车、多旋翼载人飞行器、垂直起降飞行器、喷气背包、飞行伞车、个人悬浮车等在内的几乎所有类型的城市空运飞行器研发项目（共47项），其中欧洲、北美、亚洲分别为23个、20个和4个。47个项目的飞行器中，可作为城市空运主力平台的折叠机翼飞行汽车、多旋翼载人飞行器和垂直起降飞行器有29个。相比之下，主要用于个人娱乐飞行的飞行背包、飞行伞车和个人悬浮车等则占比较小。下图给出了47个项目所处的研发阶段、最大航程及所采用的能源类型。

从所处的研发阶段看，超过80%的项目目前处于设计、原型机和试飞阶段，只有2个飞行汽车、5个飞行伞车、1个飞行三轮摩托进入了商业化阶段;

从最大航程看，绝大多数飞行器都在1000km以内，主要用于满足短距离运输;

从能源类型看，50%、35%、15%的飞行器分别采用燃油、电力和混合动力，已经商业化的项目中没有采用纯电动的（这也说明目前电推进技术还不够成熟）;

从投资规模来看，根据星光加速器发布的报告，截至2017年6月底，城市空运领域已获风险投资2.07亿美元。2017年8月，汽车制造商戴姆勒集团向德国多旋翼私人飞行器制造商Volocopter投资3000万美元;2017年9月，德国百合航空（ Lilium）在腾讯领投的B轮融资中获得9000万美元，总融资规模达1亿美元;2018年2月，美国廉价航空捷蓝航空、日本丰田集团、美国英特尔集团的风险投资部门，以及EDBI（一家投资移动性、机器人和人工智能的新加坡公司）等共同向美国乔比（ Joby）航空投资1亿美元，这是目前为止空中出租车领域获得的最大一笔融资，这笔资金使得乔比航空的总融资规模达到1.3亿美元。综上，全球城市空运领域目前获得的投资至少在4亿美元以上。

主要飞行器介绍

由于当前城市空运没有进入商业运营阶段，还没有形成统一的全球性市场，故而各家公司的技术及运营方案仍没有统一或典型的模式可以遵循。下面就目前几家主要企业推出的城市空运飞行器做简要介绍。

优步的城市空运飞行器

当前优步公司对城市空运市场的理解和布局在深度和广度上都远远超出其他竞争对手。优步认为城市空运业务所需飞行器的主流技术路线是电动垂直起降飞机。优步提出的技术要求包括：能够在早晚各3h的交通高峰期内连续运营，其中每次飞行10min，充电5min，并且剩余电量不得低于FAA要求的保持20min储备飞行时间所必须的300电量，而在此之后才需要进行更长时间、更深度的充电。优步计划2023年量产的4座eVTOL飞机巡航高度为305m，巡航速度为280km/h，航程为160km，可载360kg载荷，安全性指标要达到地面车辆的两倍，比直升机和固定翼飞机执行的空中出租服务的安全性高4倍。噪声指标为居民区道路上行驶的中型卡车噪声的一半，比与其相同重量的直升机安静4倍。

目前已有7家飞行器制造商加入优步“提升”计划，分别是巴航工业、美国贝尔、极光飞行科学、AirspaceX、穆尼/卡特、卡雷姆（2018年加入）以及斯洛文尼亚蝙蝠公司。

空客的城市空运飞行器

作为传统干线飞机巨无霸企业的空客近年来逐渐表现出对城市空运的兴趣。201 8年5月底，空客组建了一个城市空运业务部门（UAM），整合其所有的城市空运活动，具体包括：由美国硅谷A3分部开发的单座eVOTL“Vahana”，由位于德国多瑙沃尔特的空客直升机开发的4座eVTOL“CityAirbus”以及直升机预定按需服务项目Voom。

Vahana是一款单座、自动驾驶、可垂直起降的电动小型飞行器，该机拥有两组倾转机翼，每组机翼上装有4个45kW的电机，配装3桨叶的螺旋桨。Vahana于2018年1月31日成功完成首次悬停飞行测试，9月将开展悬停一巡航转换飞行试验。

CityAirbus是一款4座电动垂直起降4旋翼飞行器，设计航程60km，巡航速度120km/h，由8台100kW的西门子SP200D电动机驱动，最大的总输出功率是其悬停需用功率的2倍。空客于2017年底开展了该机推进系统和飞行控制系统地面试验台测试，并计划在2018年底开始验证机飞行试验。

Voom最初是A3分部启动的一项空中直升机预定按需服务研究项目，现已成为空客直升机公司的子公司。Voom已经在圣保罗和墨西哥城推出了直升机预订服务。其中Voom在圣保罗的运营已超过一年，积累了丰富的城市空运经验，为空客未来建立eVTOL城市空运网络奠定了基础。

乔比航空5座eVTOL

乔比航空公司成立于2009年，总部位于加利福尼亚州圣克鲁兹。目前公司已秘密地对其全尺寸eVTOL进行了1年左右的试飞。据悉，乔比航空最初在2015年推出的两座级S2飞机采用了12倾转/折叠旋翼提供升力（部分旋翼在巡航阶段可以折叠以降低阻力），并在机翼和尾翼梢部增加了4个推进桨提供推力。而新推出的5座级S4采用了6倾转旋翼。据较早向乔比投资的品趣志联合创始人保罗·斯埃拉介绍，S4的飞行速度比直升机快，能够单次充电飞行240km。

百合航空的百合喷气飞机

德国创业公司百合航空设计的百合喷气个人电动飞行器于2016年10月获得了欧洲“Hello Tomorrow”挑战赛大奖。该机使用36个小型倾转涵道电动风扇（主翼24个，鸭翼12个）作为推进系统，商载200kg，巡航速度300km/h，航程300km。百合喷气的两座版本于2017年4月首飞。随后，公司的工作重心转移至加大版5座电动飞机的设计和生产。公司计划2025年将5座型电动飞机投入商业运营。

Zee.Aero和Kitty Hawk的城市空运飞行器

谷歌联合创始人拉里·佩奇投资了两家公司开发飞行汽车，分别是Zee.Aero和Kitty Hawk。Kitty Hawk当前已发布了Flyer单座水上飞行器和两座的Cora空中出租飞机两款飞行器。

Flyer于2018年6月初发布，采用多旋翼布局，在4个3.96m长的支撑臂上共安装了10个旋翼，中机身采用赛车构型，可容纳一名驾驶员，机身两侧有帮助在水上起降的船体机构。该机采用锂聚合物电池，可以在32km/h时速下飞行12～20min。Cora于2018年3月发布，该机采用12旋翼复合推进构型，最大速度约为1 80km/h，航程约100km，飞行高度为150～910m之间。Cora首架测试机已于2017年10月运往新西兰并进行了初步测试。目前该公司已经在新西兰和美国取得了Cora的‘实验类适航证”。

Zee.Aero公司的机型尚未发布，仅有在试飞阶段被拍摄到的照片流出。验证机采用了上单翼布局，有12个旋翼提供升力，分布在沿翼展方向、位于机翼下方的6个支杆上，每个支杆前后各一个旋翼。尾部还安装有一个提供前飞推力的推进式螺旋桨。

其他公司的多旋翼类空中出租车

目前面向城市空运市场提供多旋翼机型较活跃的公司包括德国Volocopter、中国深圳亿航和美国Workhorse等。

德国Volocop十er公司于2016年在德国首次推出具有18个旋翼的双座VC200空中出租车原型机。该机最大飞行速度为100km/h，试飞时在空中200m的高度可停留大约5min。2017年，该公司又在VC200的基础上推出了Volocopter2X，后者可携带160kg载荷，以50km/h飞行时，续航时间为27min。公司目前正在进行Volocopter 2X的认证。

中国深圳亿航在2016年消费电子展上展示了其研发的亿航184多旋翼机，该机最大起飞重量为363kg，可载客]名进行自主飞行。该机在4个悬臂端安装有4对旋翼，巡航速度为100km/h，巡航高度914m，续航时间30min。据悉亿航已经生产了30～40架亿航184用于测试，而且其双座16旋翼亿航216已完成1000架次飞行试验。

美国Workhorse集团开发了世界首架电动混合直升机SureFly，该机采用类似无人机的4旋翼设计，可载2人，有效载荷1800kg，航程约为112km。SureFly在2018消费电子展上成功首飞，目前正在开展美国联邦航空局（FAA）取证工作。

挑战和发展前景

近年来，美国国家航空航天局（NASA）和FAA举办了一系列城市空运研讨会，将VTOL生态系统（VTOL飞机制造商、联邦机构、私人投资者、专业学会、大学和国际航空组织）聚在一起，共同找出推行城市空运服务的壁垒（见下图）。图中第一行给出了衡量市场壁垒的参数目标，第二行给出了业界需要研究的目标，第三行则是可能满足目标的新兴技术。

总的来看，为了使城市空運成为现实，这一系统将面临4个方面的挑战。

首先，需要研制出满足安全、经济、环保指标要求的城市空运平台。业界普遍认为分布式电推进垂直起降飞行器（DEP VTOL）将是未来的主流发展方向。DEP VTOL飞机将采用分布式电力驱动系统，具有飞行零排放、低噪声、高安全、高飞行效率等优势。然而，研制该飞行器并非易事，需要总体气动布局设计、储能技术、电机技术、充电技术、自动驾驶技术等均有所突破。具体来说，城市空运飞行器要短时间悬停和长时间巡航，且对旋翼载荷较高，因此对气动布局设计和动力提出了更高的要求;现有的锂电池在能量密度（最大为200W ·h/kg）、循环次数（最多为几百次）、成本（至少为400美元/W·h）等方面都不满足要求，高功率密度电机、大容量快速充电等技术也有差距。

其次，通过适航当局的认证，扫除市场运营的法规障碍。无论在哪个国家运营，城市空运飞行器都必须首先符合航空安全管理机构的规定，其中美国FAA和欧洲EASA分别管理着500和300的世界航空活动，因此需要获得这两个机构的认证。从认证角度来说，城市空运飞行器是全新的概念，尽管认证流程正不断改变，能够大幅提高速度，但就以往来看，全新飞机概念的认证流程都十分缓慢。

再次，在涉及到噪声、安防以及用户和城市居民的安全时，还存在社会认可度这一关键问题。城市空中交通的兴起还必须得到社会的认可，主要涉及噪声、安全和安保、隐私以及视觉污染等方面。具体来说：噪声方面，必须确定为了享受到城市空运带来的利益，社区可以接受其噪声水平，这需要在飞机设计、着陆点和航线之间进行规劃和密切协调，并动态调度每次飞行;安全和安保方面，除了运营商需要表明飞行器设计中固有的保障措施来建立所需的信任水平，当地社区也会关注飞机的安全性，包括它们易受劫持和黑客攻击的弱点;隐私方面，运营商需要动态且精确地将每个航班路线设置在较不敏感的区域，确保始终在私人领地之上留有适当的距离;视觉污染方面，城市空运飞行器将对城市天际和自然美景带来巨大的影响。

最后，如何构建基础设施网络。城市空运需要包含多个起降点的网络以及空中交通管理、充电和停放飞机的资源，因此基础设施是非常重要的要素。在城市中部署空运机队的最大运营障碍是缺少安置起落场的充足场地。即使城市空运飞行器现在获得批准，城市里也没有足够的起飞和降落站点供其以机队规模运行。少数城市已建立多个直升飞机场，可能有足够的空间提供有限的初始空运服务，前提是这些机场位置合适，容易从街道进出，并有可用空间增设充电站。但是，如果想要发挥全部潜力，则需要增加基础设施。此外，城市空运的潜在需求很可能需要同时大幅提高大都市地区运营的飞机效率和空域密度，管理空域的运营复杂程度因此将呈指数级增长，远超现今的运营活动。

尽管城市空运面临上述挑战，但目前的良好发展势头仍然令人们信心百倍。

从投资和技术方面来看，优步于2018年5月底在法国巴黎建立了一个先进技术研究中心（ATCP），未来5年将投入2000万欧元聚焦城市空运的使能技术研究，包括空域管理、自动化、实时通信网络、能量存储和充电系统等，该中心还将同欧洲城市规划师和监管者一道建立电气化交通运输的基础设施需求模型。除了优步，针对核心的储能技术，全球多家机构和企业都在开展相关研究。2016年美国能源部启动了“Battery 500”计划，将在未来5年内投入5000万美元，研发能量密度达到500W·h/kg的电池以及350kW大容量充电器。索尼公司的目标是到2020年，将能量密度为400W ·h/kg的锂硫电池组商业化。另外，有关研究已经证明脉冲充电器可以改善循环寿命。

从适航认证方面来看，2017年8月生效的FAR23部64号修正案允许工业界开发相关标准，对电推进系统、储能系统、先进飞控和其他城市空运关键技术进行认证。

从基础设施布局方面来看，已经有人提出将停车场的房顶、现有的直升机停机坪甚至包括立交桥周边未利用的土地善加利用，便可为建设广泛的分布式“垂直起落场”（有多个起飞和着陆平台以及充电设施）或单机“垂直起落站”（单个起落平台，几乎不用建设其他设施）网络奠定基础。

从空管方面来看，优步已与NASA达成了空域行为协议，计划使用NASA为低空无人机运营开发的空管系统（UTM）为其电动垂直起降飞机运营提供服务。

综上，城市空运前景广阔，尽管面临着多方面的挑战，但在飞机开发商、监管机构、城市和国家政府以及社区利益相关者的合作努力下，相信它终将会融人人们的生活。