无人驾驶城市空中交通理想与现实之间的几道坎

李悦霖

航空工业成都飞机设计所，四川 成都 610091

尽管无人驾驶城市空中交通备受资本和大众的青睐，但是获得认证的飞机能否在2023年投入商业服务的确定性较低，城市空中交通行业能否在2025年启动大规模生产也存在很大的不确定性。电池技术的发展或许足以保证试验型飞行器在城市上空飞行，可以评估噪声和衡量公众的接受程度，但电力推进技术尚未得到认证，而能满足高速商业运营所需的安全性、容量、充电率和寿命周期的储能系统尚未问世。

有人和无人驾驶城市空中交通已经成为航空领域最热门的创新领域，但这一新兴领域将走向成熟市场还是最终走向失败，取决于制造商、运营商和监管机构能否成功应对在技术、运营和社会学方面的各种挑战。

噪声问题：能达到足够安静吗？

公众的接受度可以说是无人城市空中交通(城市空中模块)的关键问题：电力推进垂直起降飞行器是否安全到人们可以乘坐其飞行？它们是否足够安静以免制造噪声麻烦？这两个问题阻碍了直升机在城市的使用。电动马达本质上是安静的。分布式推进降低了旋翼叶尖速度，屏蔽了涵道噪声，不过推进与机身的相互作用会产生噪声。

优步公司的发展目标是研制至少比同等直升机安静四倍的电力推进垂直起降飞行器，降噪途径第一是融入垂直停机坪的背景噪声中，在巡航中听不到，第二是分布式电力推进降低源噪声，改变其特性。而复杂的“虚拟噪声”因素很重要，很难测量。

图1 发动机开发商西门子（Siemens）公司表示，通过比较内燃机型和电动型的330 多架特技飞行飞机的飞越噪声，可以看出噪声水平和质量有了显著改善。

仅次于安全性和公共适航性，噪声和公众接受度是城市空中运输面临的第二大挑战。公众对噪声的反对限制了城市的直升机服务，在许多情况下甚至取消了。除非电力推进垂直起降飞行器的噪声显著降低，否则不可能实现无处不在的按需城市航空服务。

ESAero设计公司总裁安迪·吉布森表示：“我以为最难的地方是电池问题，现在我认为是噪声问题。如果没有社区的认可，Uber Elevate也就无法生存”。ESAero是NASA X-57 Maxwell电力推进验证机的主承包商。乔治亚理工学院副教授布赖恩·德尔曼表示：“噪声问题存在巨大的不确定性，我们甚至没有一个衡量标准来获悉人们是怎么想的”。

与四座电力推进垂直起降飞行器同重量级别的直升机的噪声限值是85dB。优步公司设定的目标是，到2025年开始商业运营，噪声不超过70dB，是住宅道路上中型卡车的一半，比同等直升机安静四倍。通过这种方式，优步公司希望重新开放许多因噪声投诉而闲置的城市直升机停机坪。

优步公司航空工程总监马克·摩尔表示：“分布式电力推进汽车的噪声水平，将与城市地区的背景噪声相匹配。”但事情并没有那么简单。问题不仅在于噪声水平，还包括公众对飞机安全和乘客特权的负面看法所引发的噪声性质和复杂的“虚拟噪声”因素。

噪声专业顾问大卫·约瑟夫森说，虽然人们可以容忍空中救护车和执法直升机的噪声，但不是每个人都必须要乘坐优步公司电力推进垂直起降飞行器的。如果社区认为电力推进垂直起降飞行器不够安静，电力推进垂直起降飞行器就无法生存。但同时，城市空中运输提供了一个独特的机会，可以专门设计出一种被认为是安静的飞机。这是一个新的设计理念，减噪是首要目标，而不是事后再来考虑。

大卫·约瑟夫森说，“一般是用指标来比较飞行器和计划运行情况，但是现在用这种方法来测量距机场某处的平均噪声将不起作用，因为垂直停机坪在社区内，而个人活动将很重要。噪声设计目标是完全不被注意到，这很困难，但我认为我们可以做到。固有的静音电机和低转速推进器将有帮助。他说，测量垂直停机坪和屋顶周围环境噪声的水平、频谱和时间行为，对于预测和控制噪声以便限制声音的长期暴露水平和避免短期峰值至关重要。由于虚拟噪声是一种主观反应，因此它更为复杂。人们听到飞机的声音说它很吵，但真的如此吗？噪声还引发了其他什么反应？”

飞行时的转子脉冲噪声、低空飞行时的惊吓、对坠机的恐惧，甚至只因直升机不需遵循既定的飞行路线而认为直升机“无法控制”，这些都是能激发虚拟噪声的原因。烦恼甚至可以由视觉触发。声学专业顾问约翰·列夫顿说：“有些人会抱怨他们听不到飞机的声音。”他补充道：“非声学意义上的虚拟噪声与实际噪声水平同等重要，甚至更为重要。”

约翰·列夫顿说，研究表明，在相同的噪声水平下，飞机噪声比公路或铁路噪声更烦人，而直升机的噪声甚至更令人讨厌。他说，烦恼与声级没有直接关系，可以在很远的地方被噪声的特性触发。因为在发动机、转子和尾桨噪声源的组合上不同，分布式推进的电力推进垂直起降飞行器的噪声和直升机有所区别，但作为“大众陪审团”的居民仍然在烦恼电力推进垂直起降飞行器的噪声到底是什么样的。

电池技术准备好了吗？

在推进技术上，目前分为两个阵营：以优步公司为代表的公司希望研发全电动城市空中模块，认为到2023年电池技术即有能力为短途飞行的小型电力推进垂直起降飞行器提供动力，而其他公司认为在最近几年混合动力推进技术才是更好的选择，且能跨越城际短途飞行实现更大的操作范围。这些分歧在很大程度上取决于新化学物质的高能量密度电池能否按预期问世，尽管问世初期可能成本高、寿命短。

电池的化学性质决定了能量密度的高低。一般地，特斯拉电池、松下锂离子电池的能量密度为250～320Wh/kg，先进的锂聚合物固体电解质的能量密度＞350Wh/ kg，镁离子电池的能量密度为360Wh/kg ，带阳极保护的锂金属等固体能源的能量密度＞420Wh/kg。

由于汽车工业的进步，电池技术已经达到了小型、短程飞机可以使用的程度。现在的电池已经足够用于原型电力推进垂直起降飞行器，但如果要在本世纪20年代初开始商业运营，还需要取得更多进展。

优步公司航空工程总监马克·摩尔表示：“我们正处在攻克电池技术的边缘。有了一些概念，电池可能已经出现了”。但是，为了实现快速的空中出租车运营，需要在广泛领域进行改进。

能量密度是关键参数，因为它决定了汽车能在空中停留多长时间，但充电时间、循环寿命、安全性和电池成本是关键标准，并以复杂的方式相互关联。快速周转、高功率的垂直起降操作需要快速的充放电速度，这不仅会降低电池寿命，还会产生高温，必须经安全管理，以避免热失控。

乔治亚理工学院副教授布赖恩·德尔曼表示：“电池驱动的飞机与燃油驱动的飞机是个物种。电池与燃料的方式不同，你获得的能量取决于你索取能量的速度。要求的越快，得到的就越少。电池不会随着能量消耗而变轻，所以飞机垂直降落时和起飞时一样重。

图2 锂金属被认为有潜力改善电池的发展速度，前提是克服了不稳定性。

优步公司已经为2023年投产的四座电力推进垂直起降飞行器设定了目标。包括：电池级的能量密度为350Wh/kg，电池组级的能量密度为300Wh/kg, 15min内可从30%充电至90%，使用寿命为500次，成本为400美元/千瓦时。优步公司还设定了长期目标，包括到2028年前达到使用寿命1000次，2032年达到2000次，2030年成本达到200美元/千瓦时。

能量密度是至关重要的，因为它决定着飞行器的尺寸。波音技术研究员马蒂·布拉德利说，400Wh/kg的目标经常被引用，“400Wh/kg的水平将使许多飞机马上进入设计阶段”，但这远远超出了目前的技术水平。先进电池开发商镁离子技术公司（Pellion Technologies）首席执行官大卫·伊格尔沙姆说：“据我所知，还没有哪家公司将电池功率超过250Wh/kg的电池用于垂直起降。”

特斯拉电动汽车的锂离子电池设定了这一基准，约为250Wh/kg，成本低于200/kWh，且其最新电池的级别高于300Wh/kg。空中客车公司在硅谷的A3创新中心正在其“瓦哈娜”（Vahana）电力推进垂直起降飞行器上使用锂聚合物电池，该飞机将于2017年晚些时候起飞。这些电池组的能量密度低于200Wh/kg，包括电池管理系统。

锂离子电池的进步使电动汽车成为可能，但它们的性能每年只提高5%左右。更高的能量密度需要新的化学物质。锂硫电池和锂金属电池是主要的候选电池，在原型研制阶段，多家公司的电池功率超过300Wh/kg。

三星支持的Seeo正在开发先进的锂聚合物电池，该电池使用固体、不易燃的电解质以确保安全。该公司正在测试350Wh/kg的电池，目标是400Wh/kg。大卫·伊格尔沙姆说，镁离子技术公司于2016年开始在无人机上飞行镁离子电池，电池级别为360Wh/kg，并有信心支持2018年开展的电力推进垂直起降飞行器演示。美国锂电池新星公司SolidEnergy首席执行官胡启朝表示，公司已经展示了电池级426Wh/kg的锂金属电池，并将在2017年底达到优步公司的目标。Argonne国家实验室能源存储科学中心主任文卡特·斯里尼瓦桑说，“可充电锂金属电池曾有工作不稳定的历史，但过去五年取得了巨大的成果。锂金属是下一个前沿领域，我们将拭目以待。”

罗尔斯·罗伊斯自由工场视觉系统主管迈克尔·阿姆斯特朗表示：“大多数电力推进垂直起降飞行器制造商都在关注锂金属电池，并相信它们能够在优步公司希望的时间框架内实现能源密度目标。”

图3 A3 的单座倾斜翼“瓦哈娜”电力推进垂直起降飞行器有两个200Wh/kg 的锂聚合物电池组，每次飞行后更换。

大多数先进电池都面临充电速度和使用寿命方面的挑战，这是优步公司高利用率模式的两大关键。摩尔说，大量的经济性分析表明，即使电池必须每500次使用后更换一次，相当于运行3～4个月，这项服务也是可行的。而寿命和成本是可以计算的，“一次寿命周期可使用500次、成本300美元/kWh，两次寿命周期的使用次数翻倍、成本也就翻倍。”

快速充电至关重要，优步公司正在与ChargePoint公司合作，为垂直停机坪开发400kW的电动汽车充电站。将自动连接到电力推进垂直起降飞行器，以高流速通过蓄电池，循环冷却液，使温度保持在安全水平。在5min的周转过程中，冷却液至少加满了25%。在垂直起降操作中需要高的放电速率，预冷却电池也能提供更高的电能。

足够安全吗？

你会让你的家人也参加吗？这是任何有关城市航空运输的讨论中都无法回避的问题。答案对这个新的商业航空市场的未来至关重要。城市空中交通是商业航空运输，但通用航空（固定翼或旋转翼）的安全水平不足以满足每天在城市上空进行数千次低空飞行，需要拥有客机级的安全性。有些电力推进垂直起降飞行器不能像直升机那样自动驾驶，也不能像飞机那样在停电时滑翔。虽然这些风险可以通过增加电推进系统的冗余度或在极低高度和速度下部署弹道降落伞来降低，但安全性将是关键的设计驱动因素。

安全性是第一个提出的议题，而且在技术取得的进展比当下即时显现的问题更多。业内人士表示，监管机构正积极推进，为电力推进和确保自主等创新提供认证，因为这些创新有能力提供更安全的设计。

公众接受度是非常关键的，优步公司的目标是比私家车安全两倍，比直升机和固定翼空中出租车安全四倍。分布式电力推进提供的冗余度和飞行员通过部分自主动作提供的加持被视为关键因素。

一个重要的变化是，从原先直升机的动力系统转变为现在的电力传动系统，原先的系统是几个点中单一故障就可能导致飞机的损失，而在电力传动系统中，从电源、传输总线、功率电子设备到转子和推进器都预留了冗余度。

倾斜机翼或倾斜旋翼那样的过渡性电力推进垂直起降飞行器，不能像直升机一样自动实现安全着陆，但大多数设计都配置了至少6个支柱，使飞机能够承受推进器的损失，安全着陆。优步公司航空工程总监马克·摩尔说：“我们可以设计出对单次故障冗余度高的飞行器。”

这些飞行器也足够轻，可以携带弹道降落伞，在完全断电的情况下安全回收飞机及乘员。目前，设计的机身降落伞存在一个最小的展开高度，但制造商正在努力降低这一高度。

图4 在很短的停场过程中，电池的自动充电能力和液体冷却能力将是安全操作的关键之一。

认证问题

很多电力推进垂直起降飞行器都有一些还未经认证的功能，部分电力推进垂直起降飞行器甚至更多。这些功能包括分布式电力推进和自动飞行控制。计划使用仍处于制定中的行业标准来认证这些空中汽车。欧洲航空安全局于2018年10月发布了电力推进垂直起降飞行器适航标准草案，以征求意见。美国联邦航空局计划为这些飞行器颁发特殊的认证条件，为它们争取一个新的适航类别。

空中出租车开发商面临的最大挑战是安全，因此需要认证。早期的开发者可以证明他们的飞机符合第21.17(b)部规定，该法规适用于未制定适航标准的非常规飞机的特殊等级。但更多业界开发者希望能够根据2017年8月生效的重新编写的第23部64号修订版对电力推进垂直起降飞行器进行认证。

第23部64号修订版允许将工业开发的标准作为符合性的判断方式，而电力推进单元、能源存储系统、先进的飞行控制系统和城市空中模块的其他关键技术的标准正在开发中。该法规涵盖了上限19座、重16000 lb的固定翼飞机，但美国联邦航空局表示，将使用64号修订版作为有翼电力推进垂直起降飞行器L的认证基础。

重新编写后，第23部的80%适用于电力推进垂直起降飞行器, 10%不适用。对此，Terrafugia的联合创始人、电力推进垂直起降飞行器/城市空中模块政策专家安娜·梅拉切克·迪特里希说：“那10%可以用槌子硬塞进去”，她说还需要更多的工作，但“适合这些飞行器认证的法规绝对是第23部”。美国联邦航空局的意图是使用第23部，为飞行器独特的功能预留特殊条件，同时还在修改另一项修订版案，使电力推进垂直起降飞行器完全符合法规。

图5 空中客车公司A3创新团队研制的无人驾驶载人航空器

安娜·梅拉切克·迪特里希说：“如果符合度不能灵活地解释规则，我相信可能不会发生这种情况，那我们有另一种方法利用现有的文件来使用特殊条件。我们可以围绕这些产品的外观进行标准化，并就此达成行业和监管机构的协议。我们可以在制定适当的潜在65修订版的过程中继续前进，而不必等待下一个10年的法则制定周期。”

这些特殊条件仍然是电力推进垂直起降飞行器开发人员必须克服的一个尚未确定的障碍，以证明他们的飞机。2018年7月，美国联邦航空局通知业界，正在积极为“新型垂直起降飞行器提供政策和指导草案，它们是第23部法规的新成员。在我们的要求中，目前还没有考虑到许多问题，包括新的飞行员-飞行器接口、能量和推力管理的新型显示器以及操纵品质和独特的故障场景。”美国联邦航空局发布了关于电力、分布式电力和混合电推进系统和高增稳电传航迹飞控系统的类似通知，这些都是城市空中模块的关键。

非传统电池驱动的分布式推进垂直起降飞行器如何获得认证？这是一个共同关注的问题，行业相信答案已经有了，但还未付诸实践。这个答案就是，要对美国联邦航空局第23部认证法规以及等效的欧洲航空安全局CS-23标准进行根本性重写，使行业所开发的标准得到应用。优步公司航空工程总监马克·摩尔表示：“多年来，我们一直以美国联邦航空局和欧洲航空安全局在阻碍我们前进为借口，认为监管负担远大于汽车业或其他行业。这在过去可能如此，但你不能用这个借口来解释这个市场，因为美国联邦航空局和欧洲航空安全局已经走在了我们前面，他们完全改写了这些小型飞机的认证基础。从文件上看，电力推进垂直起降飞行器的美国联邦航空局认证选项包括旋翼飞机的第27部、飞机的第23部或“特殊等级”飞机的第21.17b部。通用航空制造商协会（General Aviation Manufacturers Association）负责全球创新和政策的副总裁格雷格·鲍尔斯表示：“没有人会走第21.17b部的路线。这不是未来的最佳途径，因为每一次认证都是独一无二的、一次性案例。”

图6 亿航研制的“亿航”184

图7 小鹰航空的“科拉”

相反，大多数电力推进垂直起降飞行器制造商正在转向第23/CS-23部。格雷格·鲍尔斯说：“美国联邦航空局和欧洲航空安全局称，如果机翼或机体升降是飞行的重要组成部分，他们将允许根据第23/CS-23部进行认证，这更适用于全球。”新规没有规定如何监管，而是设定了最高安全目标，并允许企业通过满足行业开发的标准来显示合规。欧洲航空安全局第CS-23部法规的修订版允许将飞机、发动机和螺旋桨视为一个整体进行认证，这对于推进力和空气动力学紧密结合的电力推进垂直起降飞行器来说非常重要。格雷格·鲍尔斯说，“美国联邦航空局正在考虑这一点，第23部法规是电力推进垂直起降飞行器的一个巨大机会。”

另外，自主化标准也急需出台，对飞行器的自主行为作出限制以确保安全。韦斯·瑞安承认，在对先进飞行路径控制和自动化系统的认证方面面临挑战，而自主化系统可以增强飞行员的能力或者取代飞行员，其关键之处是建立一种方法，让驾驶功能可随时间转移到系统中。但是，马克·摩尔强调：“无论需要花多长时间来证明软件是安全的，我们都还是会有一名商业飞行员驾驶这些飞行器。”

美国联邦航空局小型飞机管理局项目和流程经理韦斯·瑞安表示：“希望这些标准的发展速度快于政府监管，并跟上技术发展的步伐。

图8 空中客车公司A3创新团队研制的无人驾驶载人航空器

构型

目前，城市空中交通还没有一种能占主导地位的配置，电力推进垂直起降飞行器分为两大类：有翼和无翼。无翼电力推进垂直起降飞行器本质上是放大版的多旋翼无人机，它们在巡航时的空气动力学效率不高，最适合低速短途飞行。有翼电力推进垂直起降飞行器从旋翼垂直飞行过渡到翼载水平飞行，效率更高，速度更快，航程更远，但也更复杂，需要升力和巡航发动机或倾斜机翼、转子或涵道。

空域

如果对城市空中交通最乐观的预测成真，那么在现有空中交通管理系统之外的空域内，每天在一个城市上空飞行的航班数量可能会超过整个美国。未来目标将是扩大无人交通管理的建设，以管理低空无人机操作，利用商业实体提供的空域服务实现城市空中交通。

虽然飞行器认证是实现大胆愿景的重要一步，但优步公司面临许多挑战。其中之一就是空域准入。优步公司的设想是，在几十条专用空中车道上，空中出租车在各个机场之间穿梭，间隔仅15s，但航空界并不认为空域隔离是长期解决方案。另一个是自主性。优步公司的空中出租车在数年内仍将是有人驾驶，而在后台运行自主权，建立对算法的信任。但优步公司希望尽快转向简化、高增稳的驾驶舱操作，以减轻培训负担，并推动使商用飞行员数量不断减少。行业和监管机构正朝着这一方向发展，但步伐缓慢了些。

制造能力和水平

为了实现高密度城市运营的愿景，电力推进垂直起降飞行器必须以高产量和低成本建造，达到每年5000～10000架飞机，而航空业没有这方面的经验，如今的飞机制造量只有100～500架。制造商们正在将目光投向汽车行业和像宝马i3这样的碳纤维汽车的高速自动化装配技术，但所要求的性能和由此带来的复杂性将给飞机结构的自动化制造带来挑战。

图9 Volocopter研制的无人驾驶载人航空器

图10 优步公司设想的“空中之塔”

图11 Terrafugia公司研制的无人驾驶载人航空器

图12 Lilium公司研制的无人驾驶载人航空器

基础设施

城市空中出租车服务将启动使用现成的直升机停机坪，但更高密度的运营则需要新的基础设施。在发展初期，可以重新启用闲置的屋顶直升机停机坪，或重新调整停车场上层建筑的用途，但最终需要专用的高吞吐量中转站，要能解决乘客上车、为飞行器充电并接驳到其他运输方式。

资金

现有的电力推进垂直起降飞行器项目有100多个，其中大多数由初创企业研发，但将来只有少数能存活下来。2017年，Lilium公司获得了9000万美元，Volocopter公司获得了3000万美元，资金来自戴姆勒公司和英特尔公司。2018年，Joby Aviation从丰田公司、捷蓝航空（JetBlue Airways）和英特尔公司融资1亿美元。谷歌联合创始人拉里·佩奇也为“小鹰号”（Kitty Hawk）的“飞行者”（Flyer）和“科拉”(Cora)电力推进垂直起降飞行器提供资金支持。目前，资本正在流入新兴行业，但要从飞行模型转向生产型空中出租车，还需要大量资金的投入。■

“小鹰号”（Kitty Hawk）的“飞行者”（Flyer）