城市交通变革可能比预期来得更早

李韵

我们是否正处在城市交通大变革的风口浪尖？持怀疑态度的人，一直很关注直升机在城市环境飞行的负面问题，包括噪声、空中交通管理、对驾乘人员和地面人员的安全风险、以及高昂的使用成本等。

虽然有负面问题，但在2019年6月12日于华盛顿举行的Uber Elevate峰会上，美国联邦航空局（FAA）f弋理局长丹·埃尔威尔（Dan Elwell）的讲话还是引入深思，“很高兴参加此次峰会，感受全新一代交通方式的能量、创造性和创新。我认为大家对未来的愿景令人耳目一新，甚至可以说令人激动，但这也不好说。美国联邦航空局一直以来对新飞行器的认证审批都是很严苛的，但情况正在迅速改变。我们必须做出改变，因为这种能量、创新和愿景将是航空航天产业未来发展的动力。可以说，你们让航空航天产业再次变得酷了起来。”

考虑到他本人职位的政治敏感性和媒体曝光度，丹·埃尔威尔的以上讲话仅是出于礼貌和客套吗？还是他的话预示着电动垂直起降飞行产业的发展之快已经超出大多数人的想象？

支持者对未来的愿景是由电动垂直起降飞行器（eVTOL）组成密集的交通网络，安全可靠地连接郊区和市区，并最终实现市区范围内的空中交通，这种飞行器在分类上属于一个更大的范围，即城市空中交通（UAM）飞行器，预计在低噪声、安全性、使用成本和环境友好性方面将比传统直升机高一个数量级。支持者相信从远期看来，这种交通方式将成为公众可负担的日常出行方式，有人甚至认为可以做到比拥有一辆车更便宜。

丹·埃尔威尔在本次峰会上的讲话颇具讽刺意味的是会议举办地在华盛顿，而《1987年直升机起降场公害法》正是在此颁布的，该项法案从当年7月14日起禁止在华盛顿特区新建任何直升机起降场。这项法案至今仍然有效，许多城市也有类似法规禁止新建任何直升机起降场。

优步公司在2016年的Uber Elevate峰会上发布的白皮书《向未来空中按需出行快速前进》中深入探讨了电动垂直起降飞行器必须克服的诸多问题，包括技术、监管、环境、经济和社会层面的问题。要在实际应用中获得成功，电动垂直起降飞行器厂商必须让这些前所未有的全新类型的飞行器获得监管部门的适航性认证，这些飞行器采用的技术是联邦航空局从未见过的，评估和背书更是无从谈起。

在新的更强的空中交通管理系统方面，有一些很有前景的新倡议正在实施过程中，但这些系统的研发速度可能将拖累行业增长。这是一个令人担心的问题，因为电动垂直起降飞行器/城市空中交通的经济性取决于规模，要实现经济可承受性目标，部署规模必须足够大。但现在的城市仍旧没有对大规模空中交通进行管理的基础设施。

虽然电推进技术提供了巨大的应用潜力，但当前电池技术能提供的性能仍然有限，电池技术仍需大幅度进步。

2019年6月10日，一架直升机坠毁在纽约一栋大楼楼顶的事故再次唤起了消防员和纽约市民心对911恐怖袭击的心理阴影。虽然此次事故显然是飞行员在低能见度天气下迷航所致，飞行员也是事故中唯一的遇难者，但此次事故无疑再次引发了对旋翼类飞行器在人口密集区飞行的潜在安全威胁的思考。电动垂直起降飞行器能否达到足以让质疑者对安全性放心的性能标准？要知道在安全性和噪声扰民这两个问题上是没有妥协空间的。

在讲话中，丹·埃尔威尔例举了一个小型无人机的应用已经对经济、社区和社会产生重大改变的案例。南加利福尼亚州丘拉维斯塔市警局和红杉市的无人机企业Cape Aerial Telepresence公司合作，用无人机协助警察从空中记录出警现场和搜救失踪人员。在此前的8个月里，他们在500次出警中出动了无人机，其中67次实施了抓捕。在半数出动中，无人机都是首先到达现场的，平均用时仅96s。同样值得一提的是，在其中75次出警中，无人机即可完成任务，无需地面人员出警。

不仅是这一个案例，据《航空周刊&空间技术》报道，华盛顿州巡警现有111架四轴无人机，警察们将无人机放在巡逻车内随时携带，这可能是迄今为止拥有无人机数量最多的美国执法机构。巴德学院无人机研究中心2018年5月进行的一项研究显示，599个美国执法机构已经装备了无人机。

当丹·埃尔威尔向参会者表示“我有强烈的预感，城市空中交通飞行器将带来的改变不会比无人机产生的影响逊色，”时。这无疑强烈预示着这一领域的巨大发展潜力，现场参会者也这么认为。

美国宇航局航空研究计划署（ARMD）出资进行了2项城市空中交通市场调研，涉及多个城市空中交通应用领域，特别是空中出租车/城市机型、空中应急救援、以及最后一千米包裹递送。研究结论认为，这些领域的应用是可行和可盈利的。预计到2030年，城市空中交通业务将在15个城市落地，实现7.5亿人次的年客运量，最后一千米包裹递送市场将达到每年5亿个包裹的物流量。

航空航天业界巨头企业对城市空中交通概念及其市场潜力是完全认可的。波音公司的NeXT项目正在研发自动驾驶和先进推进技术，将打造适用于未来城市、区域和洲际空中运输的未来机型。2019年1月22日，波音的自动驾驶载人飞行器进行了首飞。2018年11月，波音和SparkCognition公司组建了新的合资企业SkyGrid，新合资公司将研发基于人工智能的动态交通路径规划、数据分析和网络安全技术，这些技术将被用于多个领域，包括包裹递送、工业巡检和紧急救援。

在2018年的范堡罗航展上，罗尔斯·罗伊斯和阿斯顿马丁公司宣布将共同研发新的城市空中交通飞行器。此外，空客在2018年5月组建了一个新的事业部从事这方面的业务，日本政府也宣布将投资4000万美元加速城市空中交通产业发展。

与此同时，共享出行巨头优步公司也在牵头研发用于空中共享出行的飞行器和技术，并计划在2023年初步开始商业运营。优步及其合作伙伴計划首先在达拉斯、洛杉矶和另一个尚未选定的外国城市首先开始试运营。优步的合作伙伴包括波音旗下的极光飞行科学、贝尔直升机、EmbraerX、卡里姆飞机公司和斯洛文尼亚的蝙蝠飞机公司，这些伙伴企业都在飞机制造领域有丰富经验。此外，优步还在和美国陆军研究实验室合作，进行同轴同向螺旋桨技术的分析和研发工作。

此外，多个大学也在进行旋翼飞行器空气动力学课题研究。佐治亚理工学院正在与优步合作进行系统安全分析和多项城市空中交通市场研究。得克萨斯州立大学奥斯丁分校在进行同轴同向螺旋桨的研发、分析和测试。巴黎综合理工学院在研究城市复合交通课题。大型商业地产开发商希尔伍德公司也在与优步合作在得克萨斯州北部兴建垂直起降场。

在本届峰会上，Signature FlightSupport公司宣布正在与优步合作。优步城市空中交通事业部（ Uber Elevate）主管埃里克·阿里森（ Eric A…son）表示：“高效、安全的垂直起降场是我们商业模式中的一个关键组成部分，我们与Signature Flight Support公司的合作将实现乘客从抵达垂直起降场的那一刻起到飞行器起飞之间的无缝化服务体验。”

管理情况

优步与美国宇航局签订了一项合作协议，后者将研发一套无人机交通管理系统。按需服务的城市空中交通业务的成功和最优化运营将意味着大量飞行器同时在城市空域低空飞行，因此空中交通管理是一个关键问题。为应对这一复杂性骤升的空管问题，必须研发新的空中交通管理系统。当前的空中交通管理系统依赖的广播式自动相关监视（ADS-B）系统适用于相对低密度的空管应用，未来复杂的城市空中交通场景必须有更全面的低空空域管理解决方案。

丹·埃尔威尔表示，美国联邦航空局和美国宇航局今年将合作举办“无人机大挑战”比赛，目的是“汇集政府和企业界的优秀创意，对精心设计的应用场景进行实际测试，对各种飞行器和空管系统的协同配合效果进行检验。”丹·埃尔威尔表示比赛的目的是低空高密度空域管理。“通过类似网络服务请求的系统，能够对全局交通冲突进行解决，同时允许无人机和载人电动垂直起降飞行器在各种天气情况下，基于类似目视飞行规则（VFR）的规则自行处理任何潜在的局部交通冲突。”

要充分发挥城市低空空域高密度空中交通管理系统的潜力，3个方面的技术研发必不可少，分别是：高密度非语音空管交互技术;解决与载人通航飞机的交汇干涉问题的类似UTM系统的技术;以及在城市机场周边进出场航道空域、无缝化解决电动垂直起降载人飞行器和无人机与民航飞机的交汇干涉问题的技术。

大洛杉矶地区的空域类型包括B级、C级和D级空域。据报道，“这些空管覆盖空域大多利用率很低，麻省理工学院进行的一项研究发现，民航飞机只使用了其中5%的空域面积。”这些数据表明，枢纽机场允许民航空管覆盖之外的飞行器借道通行是可行的，例如在当地很有名的从洛杉矶国际机场（ KLAX）上空经过的目视飞行规则空中走廊就是这种模式。这种空管方法将使用动态资源分配取代固定的空域边界。

噪声问题

城市空中交通要发展壮大，市民的认可和接受是必不可少的，飞行器噪声是其中的一个重要影响因素。对电动垂直起降飞行器的负面看法之一源自许多社区居民过去曾饱受直升机噪声扰民的困扰。电动垂直起降飞行器要尽量与直升机刺耳的高分贝噪声制造者形象划清界限，尤其是悬停和起降阶段的噪声问题。正如后文将谈到的，电动垂直起降飞行器将能够从设计上解决噪声扰民问题。

在此前的一项关于伦敦直升机机场的研究中，作者研究了伦敦市政府用来管理直升机噪声扰民问题的一套官方噪声扰民反馈系统收集的市民意见，其中涉及伦敦直升机机场的意见反馈就有几百起。市民特别恼怒的是在夜深人静的时候被直升机噪声吵醒。在洛杉矶盆地，居民对于美国联邦航空局不能有效解决直升机噪声扰民问题很愤怒，和纽约地区的居民一样，他们已经把这个问题提到了国会层面寻求解决。

要让市民接受规模庞大的电动垂直起降飞行器在城市空域飞行，飞行器的噪声水平需要做到基本融入城市背景噪声。优步对此的要求一直是产生的噪声不能高于中型卡车通过居民区的噪声（15m距离上75 - 80dB）。在此前发布的一份白皮书中，优步设定的目标是当飞行器在75m高度飞行时，地面噪声水平不超过67dB，相当于7.5m外一辆丰田普锐斯汽车以56km的时速驶过产生的噪声。在白皮书中，优步特别强调了这个噪声目标的重要性，要求对区域长期平均昼夜噪声水平（DNL）的增加值控制在1dB以内，1dB是人类能感知的最低音量变化值。

麦克·赫斯彻伯格（MikeHirschberg）是垂直飞行协会（前身是美国直升机协会）执行理事，他介绍了一些能够帮助电动垂直起降飞行器达到这一噪声指标的设计。首先是桨叶数量。桨叶数量越多噪声越小，原因是降低了单片桨叶的载荷。第二是电动垂直起降飞行器的平均重量预计将远低于常规直升机。

此外，桨尖线速度对噪声水平的影响很大。桨尖线速度越高噪声越大。噪声正比于桨尖线速度的5-6次方，桨尖线速度提高1.5倍，噪声水平将增大8-12倍。电动垂直起降飞行器的桨尖线速度可以做到常规直升机的约一半而不会出现桨叶失速问题。

另一个噪声来源是飞机的动力系统。直升机发动机产生的噪声水平与桨叶产生的噪声水平相当，而且是一种独特的高频噪声，这更进一步加重了噪声影响。而电动垂直起降飞行器和无人机的电推进技术将是解决这一问题的关键，包括发动机和推力系统两方面。电动机比要吸入和排出大量气体的发动机安静得多。电机取代发动机能极大降低噪声水平。

此外，直升机尾桨产生的噪声非常刺耳，尾桨的转速比主桨高几倍，其噪声频率恰好位于人耳最敏感的频率范围。迄今为止，绝大部分电动垂直起降飞行器都没有采用传统直升机的气动布局，当然也就不会有尾桨这部分噪声。

基础设施不足

在諸多阻碍在城市区域部署电动垂直起降飞行器的因素当中，缺乏足够的运营基地建设地点是其中之一。要支持大规模商业运营，大多数城市都没有足够的垂直起降场。少数城市有较多直升机起降场，或许可以分配一部分服务容量给电动垂直起降飞行器，但前提是位于合适的地址，还要靠近居住区而且有安装充电设施的空间。

兴建此类航空基础设施的成本将比建造道路、桥隧和轻轨系统低得多。除现有的直升机起降场外，拟议中的电动垂直起降飞行器起降场选址包括停车楼楼顶、甚至高速公路立交桥的绿化带。洛杉矶市区有40个位于高楼楼顶的直升机起降场，美国联邦航空局的数据是，整个洛杉矶盆地有138个直升机起降场。像旧金山这样的城市也有很多高楼楼顶建有直升机起降场，但由于噪声扰民等问题，其使用受到很大限制。

在美国宇航局的一项研究中，曾考虑在旧金山使用水上垂直起降平台来解决噪声扰民以及对地面的威胁和在高楼林立的市区飞行的安全问题。另一个同样是美国宇航局提出的新奇的解决方案是利用硅谷的高速公路立交桥的绿化带建设垂直起降场。典型的高速公路立交桥中央绿化带直径约70m，相比之下，美国联邦航空局对直升机起降场尺寸的指导意见是停机坪直径15m，最后进场和着陆区域直径35m，公众安全区域直径60m。飞机进出场航线可以设置在现有高速公路上方，这样就避免了从附近居民区上空经过。理论上来说，高速公路车流的背景噪声将能够掩盖飞行器的噪声，解决噪声扰民问题。

革命性设计

直升机是跟电动垂直起降飞行器最接近的，公众对直升机的印象是昂贵、噪声巨大、结构和操纵复杂以及使用效率太低无法用于大规模城市交通服务。所以，直升机的需求量并不大，从而导致产量也不大，进而导致单价高。相比之下，电动垂直起降飞行器更简单、小型化、安静，很快将以成百上千的数量投入使用，从而将价格降低到普通消费者可承受的水平。

目前，在美国和其它国家，许多公司在测试各种新的电动垂直起降飞行器概念设计。丹·埃尔威尔表示，“这些创新是航空航天业界自莱特兄弟以来最令人激动的创新和发展之一”。

以下我们将介绍这些创新中的一些典型案例，首先是分布式电推进（DEP）技术。

分布式电推进技术使用多个电机，通常至少是6个，控制器和电池组都有一倍的冗余，从而解决了常规飞行器发动机失效的灾难性故障问题。垂直飞行协会执行理事麦克·赫斯彻伯格表示，分布式电推进用电线取代了容易出问题的传动轴，带来了极大的设计灵活性。电动垂直起降飞行器和无人机的单个电机故障只会稍微影响飞行速度或爬升性能，不会影响到飞行安全。通过避免使用大直径螺旋桨，分布式电推进飞行器也更容易安装弹道降落伞系统。

分布式电推进技术提供的不仅是安全冗余，还有额外的控制可靠性，单独的任何一个推进器失效都不构成重大安全威胁，可以从容地降落，也更利于在强风或阵风条件下飞行，在高楼林立气流混乱的城市区域尤其如此。

电机在过热之前通常可以在1～2min的时间里提供额定最大功率1.5倍的功率输出。这一能力在电机故障的紧急降落条件下非常有用。对于采用分布式电推进技术、有6个电推进器的电动垂直起降飞行器，单个电机失效会导致总推力降低17%，此时其它电机可以提高输出功率维持飞行所需的动力。虽然直升机具备自旋降落能力，但如果在城市空域低空遭遇发动机故障，自旋降落将变得非常困难，因为自旋降落时直升机的滑翔比有限，必须在很短的距离上在建筑物密布的城市地形选定降落点。

直升机在接近垂直下降的飞行状态下有一个固有的问题就是容易陷入危险的涡环流状态。相比之下，由于下洗气流速度更高，电动垂直起降飞行器和无人机能够以更高的下沉率下降，多个螺旋桨的分布式设计也有助于避免陷入涡环流状态。

电推进技术有许多特别适合电动垂直起降飞行器和无人机的特性。当前电池技术的比能量密度不足以支持远程通勤应用，充电速度也无法满足空中共享出行的高频率快充要求。同时，电动垂直起降飞行器将配备容量很大的电池组，典型的4座飞行器通常会配备140kWh的电池组。如果起降场配备高压快充基础设施，就可以利用上下客的短暂停留给飞行器充电，从而扩展航程和任务频率。值得一提的是，美国能源部的“电池500计划”在未来5年内将投资5000万美元用于研发能量密度500Wh/kg的电池和大功率充电技术。

监管认证

在他的讲话中，丹·埃尔威尔强调了监管认证流程对确保飞行安全的重要性。他说：“在大家眼中看到的是城市空中交通的美好画卷，但在我眼中，我看到的是汽车那么大的旋翼类飞行器在人们头顶飞行。这是最大的挑战，航空航天业界的绝妙创意和日新月异的技术是我们乐见的，作为监管部门，改变世界的创新是我们希望看到的，但前提是必须能够确保在城市空域安全飞行。”

丹·埃尔威尔说：“基于性能的规定最终将成为城市空中交通飞行器技术标准的基础。对于需要获得认证的企业，我们从传统的监管框架开始，逐渐过渡到以使用场景为最重要考量因素的认证方式。在适用现有认证规则的地方适用现有规则，在没有现有规则的时候就制定新的规则。”

2019年7月，欧洲航空安全局（EASA）发布了针对混合电动飞行器和电动垂直起降飞行器安全认证的第一部分内容。欧洲航空安全局执行理事帕特里克.Ky（Patrick Ky）宣布：“我们正在积极与航空航天业界合作制定恰当的技术要求，确保这一新技术能以安全和对环境友好的形态服务社会。适用于这些新概念飞行器的适航性认证的通用标准的确立，将有利于欧洲市场的公平竞争，也有利于对未来的企业和投资者明确了解监管环境。”

正如已经验证过的那样，电动垂直起降飞行器将根据修订后的联邦航空局监管条例（FAR）第14部第135部分中更严格的要求进行制造、飞行和维护。至少在自动驾驶技术更成熟以前，其中大多数飞行活动将首先由持商照的飞行员驾驶。这些飞行员必须符合更高等级的训练、经验、飞行复测和身体条件要求。随着电动垂直起降飞行器按需服务规模的扩大，对飞行员的需求量也将扩大，这将进一步加剧商照飞行员紧缺的现状。目视飞行（VFR腰求至少500飞行小时的经验，仪表飞行（ IFR）要求至少1200飞行小时的经验。

“先学会爬、在学走和跑”的发展哲理

丹·埃尔威尔给电动垂直起降飞行器商业运营提供了宽松的进度安排，他告诉现场与会者说：“让我们首先从蹒跚学步开始，首先在非人口稠密区开展低风险业务，采集数据并评估安全性。当我们准备好之后，再逐渐系统性地过渡到在人口稠密区开展半自主化飞行服务，当自动驾驶技术成熟的时候，最终目标将是在繁忙的城市空域让飞行器完全实现自动驾驶。”

这个时间进度和积累经验的过程让用户和监管部门能够更了解这一新技术，通过对采集的飞行数据进行统计分析，判断自动驾驶是否能提供更高的安全性。一旦分析表明自动驾驶的电动垂直起降飞行器是一种更安全的飞行方式，它们将获得在城市空域運营的许可。

美国宇航局和联邦航空局正在积极与业界企业、联邦机构、私人投资者、专业组织、大学和国际航空组织合作，分析研究空中按需出行业务面临的阻碍。私营企业需要投入资金发展相关基础设施，这对于消费者、社区和可持续发展很重要。同样重要的是，运营企业必须与当地社区以及地方、州和国家政府机构积极交流，打消他们对噪声、安全和隐私问题的忧虑。