优步持续推进城市空中交通稳步进展

李韵

如果说2017年的Uber日evate峰会的主题是电动垂直起降飞行器，2018年的Uber EIevate峰会的主题是数以千计的空中出租车在城市上空飞行的愿景，那么2019年的Uber日evate峰会的主题则是研发这些飞行器去实现这一愿景的可行性。

2019年的Uber Elevate峰会于6月在华盛顿举行，重点介绍了业界自2016年优步首次发布Uber Elevate白皮书至今取得的进展，同时也强调了要实现城市空中交通愿景需要应对的各项重大挑战。

在本次峰会上，业界合作伙伴展示了各自的原型机，介绍了研发进展;监管部门代表带来了监管认证方面令人振奋的消息，再次回应了外界对优步的宏伟目标是否可行的质疑;优步也详细介绍了自身的各项工作，包括电池测试和致力于降低噪声的模拟网络。

相关工作正取得的进展是毋庸置疑的，多个电动垂直起降飞行器（eVTOL）原型机已进行了试飞，此次峰会闭幕后仅一个月，欧洲航空安全局（EASA）就发布了首个适用于电动垂直起降飞行器的正式认证规则，即垂直起降飞行器特别条款（SC-VTOL）。

优步也部署了Uber EIevate计划的首批两个项目：纽约的Uber Copter网约直升机服务和加州圣迭戈的无人机快递服务。在出发和到达两端与优步现有的地面交通服务无缝衔接后，曼哈顿核心区和约翰肯尼迪国际机场之间的UberCopter航线将帮助证明Uber Elevate计划背后的多模复合交通理念。

但当前优步仍然面临不少困难和阻碍。大多数电动垂直起降飞行器厂商建造原型机还需要募集资金。垂直起降场和空管基础设施必须部署到位，飞行器必须通过监管部门的适航性认证，运营规则也必须建立起来。

虽然仍面临诸多挑战。但优步仍将按计划在2020年在达拉斯、洛杉矶和墨尔本开始验证飞行，随后将于2023年开始在这几个城市投入少量经过适航性认证的飞行器，开展小规模的试运营。

优步并非城市空中交通领域唯一的重量级选手，但目前是规模最大的。空客正在对其研发的电动垂直起降原型机进行测试，并与多个城市合作提升公众对城市空中交通的接受度。德国初创企业Volocopter和Lilium公司正在推动他们自有品牌的空中出租车服务，Lilium的5座电动垂直起降原型机Lilium Jet在2019年5月进行了试飞，两座的Volocopter 2X计划于今年年底在新加坡开始空中出租车运行试验。

在本次峰会上，我们可以看出为什么优步相信能够在2023年开始商业试运营。首先和最重要的是电池。优步对业界最先进的电池产品进行了详细测试，结果表明当前可通过适航性认证的电池技术在2023年之前能够提供满足需求的产品。

优步设定的初步性能要求包括：巡航速度240km/h，搭载4名乘客和1名飞行员，满电条件下能完成多趟40km的飞行。优步城市空中交通事业部飞行器系统设计总监马克·摩尔说：“关键不在于最大航程，而在于平均每次任务的飞行距离，以及连续不停地进行这种飞行的生产力，同时在于单趟飞行距离在40km内，上下客间隙只需5～7min即可补充能量的快充能力。”

当前的动力锂电池产品的能量密度约为230～250Wh/kg，但这只是电芯能量密度，不是届时优步的飞行器将使用的技术水平。电池组的热管理等附加功能意味着电芯组成电池组后重量会增加约25%，因此电池组能量密度将只有180～200Wh/kq。

此外，飞行器必须围绕电池组寿命末期（EOL）的性能指标而不是新电池组的性能指标来设计。在6个月的服役寿命期内，电池的内阻会增大，功率密度会降低。优步计划在电池组容量衰减至85%时将其退役，以2018年的电芯技术来算，此时电池组的能量密度仅为160Wh/kg。

通过与锂电池厂商的合作，优步相信锂电池的能量密度将以每年4%的水平增长，马克·摩尔说：“我们知道这些技术可以量产，我们近期的飞行器在设计上就是以此为准。”在留出2年时间用于认证的情况下，电池组寿命末期能量密度180Wh/kg的产品能够在2023年开始商業试运营之前投入使用，并在2025年提高到195Wh/kg。

马克·摩尔说，严重的能量限制和整机都需要围绕电池性能进行设计导致飞行器最大起飞重量不宜超过3.17t。优步计划在2030年将机队规模扩展至上万架，并寄希望于届时锂金属电池能够用于第二代飞行器，将拥有更轻、使用廉价的热塑性塑料机身。

电池的使用也是降低使用成本的一个关键因素。初期的业务会和现有的直升机服务差不多，以机场到商业核心区的航线为主，但优步希望纯电动飞行器能降低成本和价格，从而扩大服务范围。

曼哈顿到约翰肯尼迪国际机场之间的优步直升机服务的价格约为200～225美元。优步城市空中交通事业部主管埃里克·阿里森说“直升机仍只有富裕阶层才消费得起，开始商业运营后，电动垂直起降飞行器的服务价格能降到这一水平的三分之一。”

优步的目标是达到每飞行小时700美元的成本，马克·摩尔说，载客量相当的贝尔407GXi直升机的使用成本约为每小时1250美元。单发涡轴直升机的使用成本主要在于燃料和维修成本，而电动垂直起降飞行器的这两项成本极低，我们很有信心达到预定的成本目标。

几乎所有预计的成本削减都来自燃料和维修。电动垂直起降飞行器的能量成本有两部分。最小的部分是电力成本，优步预计每小时的电力成本仅为21美元，而贝尔407GXi直升机的燃料成本是每小时270美元。最大的成本是电池衰减折旧成本，因为锂电池的服役寿命还是比较短的。

“锂电池是很贵的，”马克·摩尔说。“我们都知道汽车电池的成本很高，但航空级电池产品的价格，我们认为至少还要高4倍，在600～700美元每千瓦·时左右。按照电池寿命1300个循环，在额定容量衰减A85%时退役，淘汰电池拆解电芯卖给储能市场售价按50美元每千瓦·时来算，优步预计电池折旧成本可以做到每小时75～90美元的水平。”

在维修方面，优步相信电动垂直起降飞行器的维修成本将介于双发涡轴直升机和固定翼通航飞机之间，比单发涡轴直升机低很多。马克·摩尔说，贝尔407GXi直升机的使用成本是每小时477美元，预计优步的电动垂直起降飞行器的使用成本是每小时112美元。贝尔407GXi的发动机每飞行小时的成本是100美元，而电动垂直起降飞行器的电机每飞行小时的成本只有5美元。

在以上的计算对比中，优步并未计入其它方面的成本节省，至少目前是这样的，包括最终实现无人驾驶时将节约的飞行员人工成本。至少在投入商业运营的前10年里，电动垂直起降飞行器都将由飞行员驾驶，虽然马克·摩尔预计，随着时间的推移和先进飞行控制技术的进步，飞行器的驾驶问题将得到极大简化，从而使飞行员人选不再局限于数量有限的商照飞行员。但最终，自动驾驶技术将完全成熟，预计到2030年，在积累了5000万～7500万架次的飞行后，采用自动驾驶技术的电动垂直起降飞行器将具备寻求商业运营许可的基础。

在采购成本方面，优步预计初期的采购成本将和直升机差不多。“直升机非常贵，以商用飞机的标准来看直升机的价格是非常贵的，因为产量有限，需要严格检查和经常更换的关键零件的数量又多，”马克·摩尔说，“从近期来看，电动垂直起降飞行器的采购价会和轻型直升机相当。虽然电动垂直起降飞行器不需要使用直升机上最昂贵的组件一涡轴发动机，但小批量生产的价格平摊了研发成本后还是很高的。”

如果优步按计划扩展业务规模，大批量生产将能够降低采购单价。届时最大的问题将是噪声问题，这对于公众接受程度至关重要。优步的目标是比轻型直升机的3级噪声限制低15dB。这并非随意选定的数值，联邦航空局对市区昼夜平均噪声标准（DNL）的指导意见是65dB。“降低飞行器的噪声水平意味着在同样的昼夜平均噪声标准下，可以飞行更多架次，”优步城市空中交通事业部飞行器设计总监罗博·麦克唐纳表示。

“起飞重量23t、噪声等级3级的直升机在昼夜平均噪声标准限制65dB的环境下每天只能飞行40架次。这对于直升机的飞行频率并不构成影响，”罗博·麦克唐纳说“相比之下，1个中型垂直起降机场的起降容量是每天500架次。更大的垂直起降场可达每天1200架次。要满足昼夜平均噪声标准限制，电动垂直起降飞行器的噪声需要比同级别直升机降低15dB。这也是我们给飞行器设定的目标。”优步已经有至少1架原型机的噪声水平达到了降低15dB的标准。

“这个降噪目标能够达到吗？目前看来还要很多困难要克服，”罗博·麦克唐纳说。分布式电推进设计可以从多方面降低飞行器噪声，包括：螺旋桨直径、桨尖线速度和桨叶刚性、桨叶展弦比、桨叶后掠和桨叶数量、电机驱动相位控制和飞行轨迹优化。“这些措施可能不能全部用到单一型号的电动垂直起降飞行器上，但我认为这些措施能够极大降低飞行器的噪声，”罗博·麦克唐纳说，“在巡航阶段极大降低噪声是可能的，我们预计未来还将设定更激进的降噪目标。”

除降低飞行器噪声外，优步也在研究对飞行活动进行管理，帮助将飞行器噪声融入城市背景噪声以最大限度减小对居民的影响。“我们设定了一个社会接受度可行性实施路径，包括飞行器设计、垂直起降场选址和设计、以及路径和运营规划，”优步城市空中交通事业部运营规划助理罗希特·戈亚尔说。

优步已经启动了一个名为“交响乐计划”的项目，内容是对城市噪声背景进行研究，在达拉斯和圣迭戈两个城市进行大规模的背景噪声统计分析。采集的数据将通过机器学习技术生成一个运营规划工具，该工具能预测任意地点在任何时间的背景噪声分贝值，进而分析飞行器经过该地点产生的影响。

“我们会用这个工具去优化运营决策，当背景噪声分贝值高的时候，飞行活动可以更频繁。在相对安静的时间段，我们可以改变飞行路径从背景哚声相对高的地方经过，实现尽可能减轻噪声扰民问题和尽量不影响运营的目标。”

降低成本和噪声非常重要，而安全性无疑是重中之重。“我们的电动垂直起降飞行器必须是由电池提供能量、必须相对安静，最重要的是必须非常安全，这是我们每一项工作的核心和前提，”埃里克·阿里森说。优步已经开发了一套安全管理系统，这是一套组织层面的正式风险管理系统，已经开始用于Ube rCopter和Uber Eats业务。

在安全方面，当前最紧迫的是监管认证问题。以下是这方面的一些最新进展：Lilium、Volocopter和其它一些欧洲企业会按照欧洲航空安全局（EASA）新制定的适用于电动垂直起降飞行器的首个正式认证规则，即垂直起降飞行器特别条款去进行适航性认证。在美国方面，联邦航空局截至目前的做法是按照联邦航空局监管条例（FAR）Part 21.17b中的特殊适航性认证规则，对提交的申请进行定制化审批。取决于飞行器的配置，申请人在认证过程中遵照的规则包括Part 23中的常规类通航飞机认证规则、Part 27中的轻型直升机认证规则以及特别条款。

联邦航空局正在为电动垂直起降飞行器制定新的认证规则，使相关认证工作标准化。相关内容尚未公开，但预计会和欧洲航空安全局的垂直起降飞行器特别条款类似。“只有一处明显不同，”通用航空制造商协会（GAMA）欧洲法规事务主管凯利·马丁说。

“欧洲航空安全局的硬件认证规则中包括了运营规则，联邦航空局预计将首先制定飞行器硬件的认证规则，随后再增加单独的运营认证规则。但最终产物还是会非常相似，”凯利·马丁说。

预计美国的认证规则都将大量借鉴联邦航空局监管条例Part 23中的内容，正如欧洲航空安全局制定的垂直起降飞行器特别条款大量借鉴了CS-23中的內容。这意味着业界能使用业界公认标准进行适航性认证，其中大多数都是ASTMInternational的F44T作组制定的。通用航空制造商协会的电推进和创新委员会（EPIC）的审核结论是“F44标准中有70%的内容适用于电动垂直起降飞行器。”

在欧洲，商用电动垂直起降飞行器将根据垂直起降飞行器特别条款中的商用级（Enhanced）分类进行适航性认证，其中对每飞行小时的功能性灾难性故障率的规定为10^-9。与民用飞机的标准相当。联邦航空局尚未发布任何具体规定，但预计将和联邦航空局监管条例Part 23中根据载客量分级的做法类似，将优步这一级别的电动垂直起降飞行器的功能性灾难性故障率规定为10^-8，相当于Pilatus PC-12这一级别的通航飞机的标准。优步认同联邦航空局的指导意见，但优步的飞行器研发伙伴企业表示他们会按照欧洲航空安全局制定的标准去研发飞行器。

飞行器认证只是第一步。“并不是说通过适航性认证就结束了。还有飞行员训练、空中交通管理、运营商和垂直起降场认证等。”凯利·马丁说。由于电动垂直起降飞行器和现有的固定翼和直升机都不一样，飞行员训练和认证，以及联邦航空局监管条例Part 135中关于空中出租车的运营规则都需要进行适配。“这一过程所需的时间通常比制定适航性认证规则更长，因为这一过程涉及的当事方又不一样，包括政客，”他说。新的运营规则的制定预计将用时5～7年。届时可能导致电动垂直起降飞行器商业运营推迟到20年代中期。

通用航空制造商协会的电推进和创新委员会新的飞行员训练认证委员会的乘员于2019年8月首次开会研究针对电动垂直起降飞行器的飞行员认证规则。目标是在今年年底初步拿出一份关于如何针对城市空中交通去适配相关训练和认证规则的报告。欧洲航空安全局已成立了一个新的工作组开始研究制定电动垂直起降飞行器运营规则，乘员包括Llilium和Volocopter公司。“我们希望他们能加快规则制定过程，”凯利·马丁说。

“联邦航空局监管条例Pa rt 23和Part 135是最适合的，”优步城市空中交通事业部航空政策总监凯特·弗雷泽说。“Part 23中基于业界共识的认证原则是最佳的适航性认证方式，Part 135中关于空中出租车的规则也是最适合我们的运营模式的。我们正在与监管部门和业界伙伴共同努力解决飞行员要求方面的核心问题。不解决这些问题商业运营就无从谈起，”她说，“我们要做的任何事都会遇到限制。但这是有明确原因的。那就是确保人们的安全。”