城市智能飞行的新构想

刘思静

1909年，法国人路易·布莱里奥驾驶著自己制造的飞机成功飞越英吉利海峡时，也许不曾想到，110年后的今天，航空技术的发展已经彻底改变了人们的生活方式。从木质低速小飞机到复合材料制成的大型客机，人类用自己的智慧让无数的奇思妙想得以实现。

如今，当站在第二个航空百年的起跑线时，城市智能飞行的概念成为飞机制造商们关注的焦点。或许有一天，“空中出租车”将会成为人们出行的首选，尽管这个念头现在看来仍有些天马行空。

“空中出租车”的构想最早可以追溯到2003年。当时，由于美国民航业效益不佳，一些航空公司为了降低成本，减少甚至取消了通往小城镇的航班服务，这其中就包括一些旅游资源十分丰富的城镇。为了满足旅游市场的需求，总部设在俄勒冈州的一家公司推出了“空中出租车”项目，旨在向游客提供不定期的飞行服务。

这一新颖的服务方式很快受到了市场的欢迎，美国其他地方的一些公司纷纷仿效。业界认为，这种按需运营的方式很可能成为美国民航业的新时尚。然而，这种运营方式有一个问题——如果采用传统的民航飞机，由于客流量较小，运营商的成本将居高不下。为此，一些飞机制造商将思路转向了垂直起降飞机。

2009年，美国特拉福嘉公司生产的全球首辆飞行汽车——“飞越”（Transition）成功首飞。在这一事件的影响下，全球掀起了研制垂直起降飞机的浪潮。

优步的未来战略

早在2016年，优步公司就开始研发城市飞行器，先后与多家飞机制造商合作研制电动垂直起降飞机。经过对多个方案的筛选后，优步最终选定了5家飞机制造商，并与其签订了合作协议。这5家公司分别是极光飞行科学公司、巴航工业、蝙蝠飞行公司、卡莱姆飞机公司和贝尔公司。根据优步的规划，这五家公司研制的电动垂直起降飞机将从2020年开始试飞，2023年左右投入商业运营。从已经公开的信息中可以看到，优步与这5家公司联合研制的飞机，各有特点。

极光飞行科学公司正在研制的几款垂直起降飞机基本都采用了4座设计，且全部都是全电动概念飞机。飞机两侧机翼的撑杆上各有4个电动旋翼用于提供垂直升力。飞机在爬升到15～30米后，再过渡到前向飞行阶段。此时，电动旋翼全部停止工作，飞机靠一个螺旋桨推进器推动其向前飞行。从目前掌握的信息来看，极光飞行科学公司所设计的几款飞机都能以190～210公里/小时的速度飞行50～65公里，飞机在450米高度飞行时，几乎不会产生噪音。

蝙蝠飞机公司已经公开的一款垂直起降飞机从外形上看更类似于翼身融合体，没有任何产生垂直升力的可见旋翼，这种设计与其他的垂直起降飞机相比有很大的差异。蝙蝠飞机公司表示，这款飞机实际上隐含了一套用于巡航和垂直起降的“完全集成”的专用推进系统，这使得飞机的维护成本更低，一般情况下可搭载2～6名乘客。

卡莱姆飞机公司公布了一款名为“蝴蝶”的垂直起降飞机。这款5座的飞机使用了优化转速倾转旋翼技术，使得其旋翼数量比一般的飞机要少得多。此外，这款飞机还可以调节旋翼的转速，从而降低悬停功率需求和噪音。

巴航工业通过旗下专注于拓展颠覆性新业务的机构Embraer X发布了其首款电动垂直起降飞机——“梦想制造者”。这是一款4座的垂直起降飞机，两个翼梢端各设有一个支杆，每个支杆上有4个旋翼，飞机垂直飞行的升力就由这8个旋翼提供，而向前飞行的推力则由机身尾部的大尺寸推进螺旋桨提供。

除了飞机的研制之外，在优步的设想中，要使城市空中交通计划在经济上可行，必须尽快扩大运营网络。因此，优步计划未来在达拉斯、沃斯堡和洛杉矶三个城市进行垂直起降飞机飞行试验，从而保证2023年全面开始商业运营。

此外，在城市空中交通计划中，优步还提出了一个“未来空港”的概念。所谓的“未来空港”，简单来说，就是要在城市中建立多个空中起降机场终端。根据规划，这种“空港”应该能在1.2万平方米的占地面积内每小时处理1400次飞机的起降，每小时运送超过4000名乘客，每架飞行器之间的起降间隔不超过15秒，同时还要满足噪音和环境的要求。

是飞机，也是汽车

从20世纪90年代开始，折叠式机翼便成为飞行汽车创新的核心问题。从技术和实际使用的角度来看，飞行汽车将是介于汽车与通用航空器之间的新一代交通工具。由于起降场所、噪音等因素的制约，通用航空器难以大规模进入城市，而汽车本身行驶速度较慢，在城市拥堵的环境下，效率更低。飞行汽车恰恰具备了两者的优势，因此被认为是未来解决城市交通拥堵的最佳方案。

在2012年纽约车展上，美国弗吉亚公司发布了一款陆空两用车型——“变形者”。这款两用车采用的是可折叠机翼结构，平时机翼收起，陆地行驶时的最高速度达到180公里/小时。当需要飞行时，按一个按钮就可以展开机翼，在滑行500米后便可以起飞，空中飞行时的最高速度可达184公里/小时，最大飞行距离达到740公里。

受此启发，空客公司也加入到研制飞行汽车的队伍中。2015年，为了研制飞行汽车，空客投资1.5亿美元在硅谷成立了一家名为A3的公司，着手进行“空中出租车”的研发。空客为这款飞机取名“Vahana”。这是一款单座、自动驾驶、可垂直起降的小型飞行器，可用于城市短途运输。Vahana拥有两组倾转机翼，每组机翼上装有4个电机，由电机带动桨叶提供升力或推力。2018年，这款飞机完成了首飞。

除了Vahana之外，空客还与一家意大利汽车设计公司（ItalDesign）共同推出了一款名为Pop.Up的全电动自动驾驶飞行汽车。Pop.Up由旋翼飞行模块和地面四轮行驶模块适配连接而成，可随时在空中模式与地面模式之间切换。

Pop.Up的飞行模块由8个电驱动的螺旋桨组成，成对共轴安装在顶部的四个涵道中。地面行驶模块的座舱内部设有两个座椅，但舱内并未配备方向盘或方向舵，仅配有一块125cm2的显示屏幕，乘客可以通过面部识别、眼睛跟踪以及触摸和语音等方式来控制Pop.Up的飞行或地面行驶。

知名汽车制造商德国奥迪公司也参与了这个项目。其为Pop.Up研制的新型电池和自主系统可用于“城市移动模块的共享服务”，该系统使Pop.Up搭载乘客抵达目的地之后，飞行模块会迅速与地面模块解锁并开启飞行状态，地面模块会立即自动行驶至下一个客户处或充电站，等待下一次使用。

此外，空客的另一个名为“City Airbus”的项目已经处于试飞阶段。这款全电动飞机由8台西门子SP100D电机提供动力，每台电机的功率为100kW，分别驱动8个固定桨距螺旋桨，两两一组以对转的方式安装在飞机上部四个角落的环状悬臂中。每个环状悬臂中，一个螺旋桨的安装位置位于碳纤维涵道内，另一个则略微超出涵道。

空客表示，City Airbus目前还未达到最优设计，包括发动机和冷却系统在内的许多机载系统的尺寸都过大，但即便如此，City Airbus已经具备了200～250公斤的运载能力。在噪音方面，由于其120～140米/秒的叶尖速度比一般直升机叶片200米/秒的速度要低得多，因此，City Airbus的噪音要低于其他在研项目。

与此同时，一些初创公司研制的飞行汽车也颇具特色。总部位于英国布里斯托尔的Vertical Aerospace公司推出了英国首款飞行出租车。这款飞行汽车重750公斤，配有4个大功率涵道风扇，可搭载2～4名乘客，飞行距离约为150公里，最高飞行速度达到80公里/小时。2018年6月，这款飞行汽车在英国完成了首飞，目前仍在进行其他飞行测试。根据计划，这款飞行汽车将在2022年投入市场。

2018年7月，谷歌聯合创始人拉里·佩奇投资的加拿大初创公司Opener正式对外展示了一款名为“Black Fly”的电动飞行汽车。作为一款自动驾驶电动飞行汽车，Black Fly的飞行速度为40公里/小时，电池可以在25分钟内完成充电。

其他新颖的设计

除了上述提到的几个项目之外，目前全球在研的30多款新型飞行器中，一些混合动力的垂直起降飞机也十分值得关注。美国VerdeGo公司正在研制的PAT200双座电动垂直起降飞机就是其中的代表。

PAT200飞机的有效载荷为227公斤，飞行距离为32～64公里，速度超过242公里/小时。这款飞机前后两个可倾转机翼上安装了铰接旋翼以及采用内燃机驱动发电机发电的混合动力系统，这是PAT200飞机最显著的特点。

目前，垂直起降飞机大多采用电池驱动，而PAT200采用了内燃机驱动发电的混合动力传动系统。虽然电推进系统是一种高效的推进装置，但是当前的电池能量密度还远不能满足电动垂直起降飞机进行商业飞行的需要。

当然，考虑到技术的发展，尤其是高能量密度电池、先进燃料电池和超级电容器等技术的发展，VerdeGo公司也在考虑未来将其他先进的发电技术引入到传动系统中，从而达到既能提供足够的能量又能盈利的目的。为此，公司在2018年进行了多个不同缩比的原型机飞行试验，并初步规划了一个为期6年的验证计划。

有待解决的问题

从理论上来讲，垂直起降飞机有诸多优点，但是要想在城市上空大规模使用，仍有很多问题有待解决。

首先是空中交通管制的问题。目前，在民航运输系统中，一名空中交通管制员同时要监控5～20架飞机。如果“空中出租车”大量使用的话，势必会对空中管制员有巨大的需求。

其次，电池技术急需突破。目前已有的电池技术，其能量密度无法满足长距离飞行的要求，即便制造出一种能量密度超高的电池，在充电速度和电池寿命上可能会有很大的妥协，而这会大大提高跨界飞机的制造成本和使用成本。从制造工艺的角度看，和垂直起降飞机在功能上最接近的交通工具是直升机，但两者之间有很大不同。大部分直升机采用燃油发动机驱动单旋翼，而垂直起降飞机则主要采用分布式电推进系统，即在固定翼飞机上安装多个电动引擎。这对制造和适航来说，都是一个新课题。

最后一个十分现实的问题是垂直起降飞机的停靠。垂直起降飞机也好，空中出租车也好，其出现的目的是为了缓解地面交通的压力，但这些飞机不可能一直停留在空中，这就需要一定的专业场地来服务这些飞机。从目前来看，除了已有的直升机起降点之外，几乎没有适合这一类航空器停放的区域。尽管最理想的状态是这些新型飞行器可以与地面汽车共用停车场、道路、桥梁等，如此才能体现其优越性，但要实现这一目标仍有很多障碍需要克服。