电动垂直起降飞行器和城市空中交通的发展

2019-07-30宋刚

无人机 2019年6期

宋刚

中国航空工业发展研究中心，北京市朝阳区 100028

以电动垂直起降飞行器为载体的未来城市空中交通已成为美国、欧盟等国家航空运输业发展的重要方向。电动垂直起降飞行器在机翼倾转控制技术、自动驾驶技术、高性能电池和电机技术的配合下，其便捷性、高效性、多样性、安全性和耐用性正在逐步提升，为未来城市空中交通打下了坚实的平台基础。

近期，美国宇航局“先进城市空中交通试验台”（Advanced Urban Air Mobility Test Beds）项目研发的电动垂直起降无人机“兰利机场”（Langley Aerodrome-8，下文简称LA-8）在兰利研究中心的3.6m低速风洞中完成了第一次风洞试验，并计划在2019年8月底之前进行飞行试验。LA-8项目的持续推进表明美国宇航局在城市空中交通（Urban Air Mobility，UAM）方面的积极探索和尝试。

“先进城市空运试验台”项目

“先进城市空中交通试验台”项目旨在探索最高效的未来城市空中交通方式，研究新构型飞机在城市空中交通中的可行性，研究范围既包括可用于包裹运送的无人机，也包括可搭载六至八人的有人机。研究目的是获取试验数据并简化飞机设计流程，从而帮助私营企业加速推进整个城市空运工作。

LA-8为电动垂直起降（eVTOL）无人机，8个螺旋桨沿机翼前缘和尾翼前缘对称分布，为了实现垂直起降，机翼和尾翼均可绕翼根与机身的连接轴整体倾转。起飞降落阶段，机翼和尾翼产生90°倾转，螺旋桨提供垂直向上的升力，前飞阶段，机翼和尾翼恢复至常规构型，螺旋桨提供向前的推力。LA-8既能像直升机一样起飞、悬停，又能像飞机一样快速前飞。从控制的角度来看，从悬停到前飞的构型转换非常困难，美国宇航局对这种新概念开展研究，不仅能探索新的城市空中交通飞行方式，还能帮助私营企业获得经过认证、有运营价值和安全性的飞行器。

该飞机被命名为“ Langley Aerodrome”不仅仅是因为它是在美国宇航局位于弗吉尼亚州汉普顿的兰利研究中心设计和建造的，更是为了纪念塞缪尔·P·兰利（Samuel P. Langley）教授，他在19世纪90年代后期命名他的无人机系列时创造了“aerodrome”一词。在莱特兄弟成功于北卡罗来纳州小鹰镇试飞“飞行者”1号之前，兰利教授设计的无人机已经在波托马克河上空翱翔了，他的5号无人机（Aerodrome -5）成功飞行了约0.8km，航时90s。因此，兰利研究中心在探索新无人系统时，充分尊重了兰利教授曾经完成的工作，体现了航空科研工作的传承性。

图2 NASA 新型电动垂直起降无人机Langley Aerodrome-8

LA-8无人机采用模块化设计，利用计算机辅助设计（CAD）和3D打印技术，无人机的任何部件几乎都可以重新设计并更换。在设计与制造过程中，美国宇航局非常重视3D打印技术，LA-8大约80%的零部件采用3D打印制造而成。直接从CAD文件中将零部件打印出来，能大幅减少生产加工的工作量，而且工程师能够非常快速地对机翼、机身和其他部分进行更换。如果想要更换零件，只需要对CAD文件进行更改，然后按下按钮将其打印出来即可。美国宇航局还将制造LA-8的第二架和第三架原型机，用于开展不同的研究工作。

Langley Aerodrome的重新设计有助于美国宇航局提高此类飞机的安全性，并能与私营企业共享设计和试验数据。例如，当飞机在飞行中螺旋桨毁坏或电机停止运转时，如何控制飞机安全返回地面，当遭遇突风载荷时，飞机如何平稳飞行等，这也是美国宇航局建造该技术试验台的目的。

“先进城市空运试验台”项目开展的研究工作作为美国宇航局“变革性航空概念计划”（TACP）下“聚合航空解决方案”（CAS）项目的一部分，开发了快速设计、制造和测试此类新构型无人机的能力。同时，还得到了“空域运行与安全性计划”（AOSP）下“空中交通管理-探索”（ATM-X）项目和“变革性航空概念计划”下“变革性工具和技术”（TTT）项目的资助。

电动垂直起降飞行器发展现状

根据不同机构的测算，目前民航碳排放约占全球碳排放的2.5%～4%，随着航空旅客量的快速增长，民航正成为碳排放上升势头最快的行业之一。国际民航组织2017年制定的减排规划明确规定，至2028年，民航碳排放相比2017年降低4%，国际航空运输协会承诺，从2020年开始，全球航空碳排放将实现零增长，到2050年，航空碳排放量将比2005年净减少50%，美国环保署也计划于2019年9月公布对美国民航的二氧化碳减排规划。由此可见，在绿色航空理念的引导下，节能、减排、降噪正逐渐成为现代航空运输业的重要关注点，大幅降低二氧化碳和氮氧化物的排放量，将噪声抑制在机场范围内成为未来航空运输业面临的重大挑战。同时，随着人们出行需求的逐年增加，世界各大城市均面临地面交通拥堵的问题。寻找更环保、更高效、更便捷的出行方式，成为运输行业急需解决的关键问题。

电动垂直起降飞行器既能满足节省燃油、降低污染和排放的要求，又没有大的起飞降落场地约束，成为解决地面交通拥堵，打造城市立体交通的重要手段，具有广阔的市场前景，被形象地称为“飞行出租车”。

图3 NASA 工程师正在制造模块化无人机系统Langley Aerodrome

当前，电动垂直起降飞行器在全世界范围内得到广泛的研究，相对较为成熟的产品包括美国初创公司Kitty Hawk的“科拉”(Cora)，Joby Aviation公司的Joby S4，Terrafugia公司的TF-2，以及德国Lilium公司的Lilium jet和亿航公司的亿航AAV等。

从外形上来看，“科拉”与传统飞机相同，采用普通的直翼设计，没有后掠，略微上翘，翼尖还带有减少空气阻力的设计，翼展宽度达11m。卵形的机舱可容纳两名乘客，机舱后部为电池组件。飞行方面，“科拉”采用自动驾驶技术，能实现全自动飞行，借助12个旋翼叶片垂直起降，利用尾部的单个螺旋桨提供前进动力，速度可达180km/h，飞行高度150～900m左右，最大飞行距离约100km。"科拉"采用了冗余式设计，搭载了3台独立的飞行控制电脑，配备了两台独立运行的发动机。即便3台电脑和两台发动机都发生故障，飞行机也能借助装备的降落伞紧急降落，无需螺旋桨。

Joby Aviation公司与Kitty Hawk公司同时获得美国军方资助，竞相研发用于城市空中交通的自主飞行器，同时还获得了英特尔等公司的投资。Joby S4可以搭载4名乘客，目续航里程为150nm，Joby S4机长7.3m，翼展为10.6m，沿机翼前缘安装六个水平旋翼，为了应对鸟撞等突发事故，控制系统具有预设的安全返回程序，此外，还配备了一个全机降落伞，防止在遭遇灾难性事故坠毁。

图4 小鹰航空的“科拉”

2018年，Terrafugia公布了其垂直起降飞机TF-2设计概念，TF-2由可拆卸客舱、飞行组件、地面车辆组件三部分构成，其中，可拆卸座舱能容纳1名驾驶员和4名乘客；飞行组件安装有8个螺旋桨，在飞行模式中，其中6个螺旋桨在起降时旋转提供垂直起降的升力，另外两个螺旋桨在平飞时提供前进的拉力，当平飞速度达到一定大小以后垂直起降的6个螺旋桨停止转动，仅靠拉力螺旋桨实现快速飞行；到达目的地之后，TF-2的自动对接系统可以在两分钟内将坐有乘客的吊舱放置到地面车辆组件上，然后将另一个坐有乘客的吊舱带上天空。虽然TF-2配备了驾驶员，但也有自动驾驶能力。TF-2最大飞行速度231km/h，最大航程300km，据Terrafugia公司称，TF-2运营成本约为每小时400美元。

Lilium jet为纯电动垂直起降飞机，采用双座设计，重量约600kg，采用类似于鸭翼的总体布局，沿主机翼展向和前方鸭翼展向共安装36个涵道风扇，由电动机驱动。由于机翼可倾转，起飞时风扇处于垂直方向，平飞时旋转至水平方向。据报道，该飞行汽车采用Lilium航空公司的“超冗余”概念，从安全性出发，该飞机任何一个组件的故障都不会影响正常垂直着陆。研究人员介绍，在飞行中，飞行员操作的任何不安全指令都会被飞行保护系统拒绝。数据显示，该飞机能携带181kg有效载荷，巡航速度高达306km/h，最大航程为306km。

2019年4月4日，亿航载人级自动驾驶飞行器（Autonomous Aerial Vehicle，AAV）在奥地利维也纳进行了全球首次公开载人飞行演示（如图 7），亿航AAV是由亿航智能全球首创的纯电力低空中短途载人级自动驾驶飞行器，2016年在美国消费电子展上首次发布，截至目前已经完成超过2000架次的载人飞行。以空中立体交通的方式帮助优化城市公共交通，亿航智能同时独立研发一套无人机指挥调度中心，可实现对于无人机的实时远距监视、调度、控制和干预。亿航AAV分为单人版型号“亿航”184和双人版型号“亿航”216，均采用共轴双桨动力设计，分别具有4个外伸机械臂、8个螺旋桨和8个外伸机械臂、16个螺旋桨，其中，“亿航”184由碳纤维和环氧树脂复合材料制成，飞行均速约100km/h，飞行直线距离理论上可达到50km，而1小时的充电就可以以130km/h的速度飞行25min，最高可以爬升到300m 的高度。“亿航”216充电时间约为2～3h，续航时间为15～40min，平均飞行速度在130km/h，实用升限达到1000m。

2019年5月，美国加州的 Alaka'i Technologies公司公布了其研制的Skai六旋翼五座氢燃料电池电动垂直起降飞机（图 8），作为世界首架氢燃料电池eVTOL载人飞机，Skai原型机为5座，续航4h，航程640km，商载450km，如改为无人机，只搭载移动通信中继，最大续航可达10h。

除此之外，德国Volocopter公司、瑞士Passenger Drone公司等均已研制了自己的电动垂直起降飞机，并开展了不同程度的载人或不载人飞行测试，包括波音、空客、罗·罗等世界航空巨头在内的众多大型企业均宣布计划研发城市空中交通飞行器，城市空中交通展现了蓬勃的市场前景和激烈的技术竞争态势。

图5 Terrafugia公司的TF-2

图6 德国Lilium公司的Lilium jet

未来城市空中交通面临的挑战

虽然目前在全世界范围内，已掀起了电动垂直起降飞行器研究热潮，并不断有让人眼前一亮的新产品问世，但用于城市空中交通的电动垂直起降飞行器仍面临例如空域开放与管理、适航标准、续航时间、安全可靠性等问题与挑战。为了提高加速美国在该领域的研发进度，获取竞争优势，加速推进城市空中交通关键技术突破，美国宇航局航空研究任务理事会提出了城市空中交通的框架与将会遇到的技术挑战。

从该框架可以看出，美国宇航局认为，除了飞行器产品研发以外，在空域设计与执行、社区管理、飞行器运营管理等方面，仍然有诸多困难有待解决，城市空中交通不仅仅是研发更高效、新颖的飞机平台，更应该关注在实际运营过程中不能回避的安全性、可承受性、噪声、自动化、UAM站点设计与运营规则和适航标准等问题。

基于对未来城市空中交通的全面认识，美国宇航局提出了面向2040年的城市空中交通发展理念：

（1）争取政府的稳定投资用于先进技术研发，同时对新兴初创公司或系统提供技术支持。

（2）与工业界开展广泛合作，共同探索未来航空业的发展方向。

（3）与美国航空业密切合作，开发和演示能改造亚音速客机市场的关键使能技术；

（4）开发和演示可确保美国在打开可扩展、安全、高效和环保的市场方面领导地位的关键使能技术，这将缓解未来地面交通拥堵，改善当地空气质量，改造城市区域；

向国际和美国标准与规则制定组织（例如国际民航组织，美国联邦航空局）提供相关数据，用于制定未来城市空中交通规则。