城市空中运输正在接近现实

格雷厄姆·沃里克（华盛顿）

城市空中运输越来越接近现实，多家制造商正在开展电动垂直起降飞行器原型机适航审定并制定扩大生产的计划，相关监管机构不断落实适航审定法规制定和空域管理，社区也在参与和学习新观念。

市场一直在变化，先进空中运输（AAM）生态系统具有更广泛的内涵，将电动垂直起降（eVTOL）、电动短距起降（eSTOL）以及电动常规起降（eCTOL）有人机和无人机及其创新技术，应用于城市、农村和区域运输。城市空中运输现在被视为先进空中运输生态系统的一部分。

新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情或许使空中出租飞车的热度降温，但并未消减新兴城市空中运输行业的热情。各型电动垂直起降飞行器测试正在加快步伐，首批型号适航审定和商业交付可能在未来三年内完成。

由于新冠肺炎疫情使经济持续低迷，引发企业融资困难，电动垂直起降飞行器行业已开始分化出第一波和第二波企业，第一波是行业引领者，在新冠肺炎疫情来袭时，其资金已到位，而第二波是追随者，仍在寻找资金或观望市场如何发展。

随着原型机适航审定陆续展开，第一波公司正在充实其商业计划，但这些计划并非全部聚焦于城际城市空中运输项目，还涉及城际航班、医疗物资运送、无人物流、应急救援和军事任务等新兴市场。

图1 先进空中运输生态系统具有更广泛的内涵。

电动垂直起降飞行器概况

根据《航空周刊》对垂直飞行协会电动垂直起降概念机目录的分析，截至2020年8月初，已有近130个商业项目启动，该数字并未包含学术和业余等项目的非商业概念机。

哪款电动垂直起降飞行器会胜出

由于技术尚不成熟，电动垂直起降飞行器市场尚未确定任何优选构型，多旋翼无人机仍然是最受欢迎的构型。但业界正在普及更高效的飞行器，如采用旋翼与固定翼相结合的布局设计，以提供垂直起降功能，并获得巡航速度和航程。

各型飞行器测试正在进行

乔比航空推进飞机测试

2019年底，乔比航空成为首家承诺运营飞机的电动垂直起降飞机开发商，以支持优步公司“提升”（Elevate）空中乘机共享方案。优步原计划在2023年推出首次商业服务，但据称因新冠疫情将推迟约6个月，少量空中出租飞车可能会于2024年初在个别城市投入运营，这一时间窗口得到不止一家电动垂直起降飞行器开发商支持。

表1 电动垂直起降飞行器行业有多少玩家？

图2 电动垂直起降飞行器主要构型。

2020年1月，乔比航空宣布获得5.9亿美元C轮融资，由汽车制造商丰田（Toyota）领投，至此该公司融资总额达到7.2亿美元。

电动垂直起降飞行器市场领军企业乔比航空总部位于美国加州圣克鲁斯（Santa Cruz）县，邦尼杜恩（Bonny Doon）小镇在圣克鲁斯西北部，2020年7月该公司认证原型机从邦尼杜恩（Bonny Doon）小镇一个废弃采石场，由直升机空运到旧金山南部的美国陆军亨特利格特堡（Fort Hunter Liggett）基地，并在该基地管制空域进行扩展飞行测试。

乔比航空计划在2023年之前获得美国联邦航空管理局（FAA）第23部全电动垂直起降倾转旋翼飞机适航审定。目前这架有人驾驶飞机一次充电后，可载运四名乘客，以322km/h的飞行速度能飞行241km。乔比航空还将依据美国联邦航空管理局第135部进行适航审定，成为该型飞机的商业运营商。

美国国家航空航天局（NASA）计划在2021年春季与乔比航空开展飞行测试，这是美国国家航空航天局先进空中运输全国竞赛（National Campaign）的启动阶段。第一届全国竞赛（NC-1）将在2022年之前举办，全国竞赛开发测试活动将在加州美国国家航空航天局阿姆斯特朗飞行研究中心举行。

全国竞赛系列活动旨在将电动垂直起降飞行器、空域服务商和机场集成于一体，在运营场景开展集成演示，以支持先进空中运输需求和系统开发，这是安全扩大商业运营的关键。

贝塔公司持续开展测试

2020年6月，贝塔（Beta）技术公司（下称贝塔公司）工程原型机从佛蒙特州伯灵顿的基地，由直升机空运到纽约普拉茨堡国际机场，途中曾飞越尚普兰湖，最后到达尚普兰湖和原战略空军司令部轰炸机基地，开始扩展飞行测试，贝塔正在设计认证原型机。

贝塔公司创始人凯尔·克拉克（Kyle Clark）2020年7月接受佛蒙特公共广播电台（Vermont Public Radio，VPR）采访时表示，贝塔公司是业内唯一一家接到商业订单的公司，已获得联合治疗（United Therapeutics）公司的启动资助，并开发“阿利亚”（Alia）电动垂直起降飞行器，最初用途是运送移植器官，下一个任务目标是货运，但开展空中出租飞车的飞行还很遥远。

“阿利亚”电动垂直起降飞行器具有升力加巡航功能，可以容纳6人，重量为2724kg，航程463km，一次充电后可携带两名乘客和一个医疗任务载荷，该医疗任务载荷放置在一个独立的载荷舱。

2020年5月，贝塔公司和乔比航空成为第一批进入美国空军“敏捷至上”项目“初始能力开放”第三阶段的电动垂直起降飞行器开发商。“敏捷至上”项目旨在加快开发商获得美国联邦航空管理局适航审定的进程，并确定国防部早期采购机会，进而帮助开发商启动生产。

在第三阶段，贝塔和乔比航空将提供飞行模拟器和测试数据，使空军了解其电动垂直起降飞行器的能力和潜在任务，从而获得签订原型机和飞行器生产合同的机会。贝塔公司的目标是，2020年交付模拟器，2023年交付飞行器。

沃洛考普特力推“沃洛城市”

在德国，2017年沃洛考普特（Volocopter）曾在迪拜进行了原型机无人演示，2019年9月在德国斯图加特梅赛德斯-奔驰博物馆开展电动垂直起降多旋翼飞行器首次城市公开演示，据悉戴姆勒公司是该博物馆的其中一家投资商，2019年10月该公司与英国天空港（Skyports）合作，在新加坡滨海湾一个浮船坞上展示了垂直起降机场原型设施。

按照2022年开始飞行的计划，该公司正在继续试飞其预备系列产品中的2X原型机，并计划2022年底与欧洲航空安全局（EASA）共同开展生产型“沃洛城市”（VoloCity）飞行器适航审定。这款电动垂直起降多旋翼飞行器可搭载两名乘客，重量901kg，飞行速度109km/h，最大航程35km。

当该架飞行器完成初始试飞后，将由沃洛考普特开展品牌服务运营，该公司目前已融资1.44亿美元，一直在与法兰克福机场运营商法兰克福机场集团（Fraport），就基础设施和运营开展合作，计划先提供城际空中出租飞车和机场接送服务。

图3 贝塔公司“阿利亚”的最初用途是运送移植器官。

图4 沃洛考普特正在测试2X原型机。

图5 天空港与沃洛考普特将合作建造一个移动式垂直起降机场。

图6 百合花期待其飞行器能为城市中心与高速运营网络提供运输服务。

图7 在新西兰进行乘客试飞前，威斯克已恢复“可拉”飞行测试。

百合花在行动

德国电动垂直起降飞行器开发商百合花（Lilium）公司也计划从2025年开始运营品牌服务，但目标市场有所不同。百合花的目标是，为城市中心与高速运营网络之间的运输提供服务，该公司认为在城市中运营对节省时间意义不大，也没有足够的空间供飞行器垂直起降。首席执行官丹尼尔·维根德（Daniel Wiegand ）甚至称城际运营也不可取。

根据所选市场模式，百合花为其垂直起降涵道风扇飞行器设定了很高的性能目标。这种5座飞行器设计飞行速度为297km/h，可将旅客运送到尽可能远的城市，并以足够快的飞行速度创造时间增益。百合花认为，它的产品能以低于高速铁路的运营成本，为城市中心提供空中运输服务。

维根德承认，全电动飞行器的飞行速度可能不会在一开始就达到300km/h的目标，但预计随着技术的成熟，每两至三年一次的电池升级将带来显著的产品改进。他表示，若使商业案例正常运营，在投入使用时，飞行速度必须至少达到149～179km/h，百合花能轻松突破这项技术瓶颈。

百合花第一架飞行器在2019年启动飞行后，在更换电池时因发生地面火灾而受损，目前正准备测试第二架全尺寸技术验证机，预计2022年底或2023年初，当认证原型机接近系列标准时，将开展首次飞行。

威斯克开发自主飞行器

尽管大多数第一波电动垂直起降飞行器公司都在开发有人驾驶空中出租飞车，至少在进行最初阶段的试点，以简化监管审批。

波音和小鹰航空（Kitty Hawk）的合资企业威斯克（Wisk）公司已经走上自动驾驶飞行器的开发之路。为获得新西兰民航局批准，威斯克正在努力开展“可拉”（Cora）双座、电动垂直起降自动驾驶飞行器的载客试验，该机将在预设航空旅游航线进行商业飞行，以了解乘客如何与自动驾驶飞行器交互。

目前，“可拉”最大起飞重量1271kg，航程约40km，其中包含备用航程。首席执行官加里·吉辛（Gary Gysin）表示，这架全电动飞行器具有半自主性，可在地面控制站操控员控制下，按预设航线飞行。威斯克正在开发更高等级的自主技术及产品，包括防撞系统和飞行中更改航线。当“可拉”拥有更高等级的自主性，在美国拥挤的城市上空提供城市空中运输服务时，一位地面操控员能控制多架“可拉”飞行。

吉辛称，最初的客运航班将由威斯克新西兰子公司在非常封闭的环境中运营，这意味“可拉”无人机将在新西兰南岛的一个偏远地区飞行，这是一条非常规航线，有预先确定的紧急降落点。他将这个运行过程描述为“爬行-行走-奔跑”中的爬行阶段，这种方法将能使威斯克公司飞行器最终在美国各大城市上空运营。

威斯克在设计第五代电动垂直起降飞行器时，同时升级了“可拉”性能，希望其在新西兰获得适航证。尽管新西兰的适航审定程序与美国不同，但非常严格，这促使威斯克改进内部业务运作和需要获得适航证的所有文件，也将是威斯克与美国联邦航空管理局合作的第一步。

谷歌联合创始人拉里·佩奇（Larry Page）和塞巴斯蒂安·特伦（Sebastian Thrun）创立小鹰航空时开发了三个项目，“可拉”是其中之一，后者曾领导谷歌自动驾驶汽车团队。

第一个项目是“飞行者”（Flyer）单座、超轻型休闲娱乐飞行器，该机是一种性能较低的载人型无人机。2020年6月该项目被终止，终止前小鹰航空已制造出100多架该型飞行器；

第二个项目便是“可拉”，现在被转到威斯克；

第三个项目是“海维赛德”（Heaviside）高性能单座、电动垂直起降飞行器，用于单人次空中运输，目前正在进行飞行测试。这型飞行器前置水平机翼和前掠翼共安装有8个倾转旋翼。小鹰航空已制造出大约10架原型机，用于飞行测试，出于安全考虑，最初设计成无人机，目标是三年内获得美国联邦航空管理局第23部型号适航证。

“海维赛德”以273～289km/h的速度能飞行193km，加上10%的备用航程。在离地366m的高度以巡航模式飞行时，噪音只有35dB。当飞行速度为193km/h时，能耗是65Wh/km，而特斯拉Model 3电动汽车以97km/h速度行驶时，能耗却是186Wh/km。

“海维赛德”的飞行速度更快、运营高效且易于飞行，瞄准短程运输、应急救援和军事市场。小鹰航空创始人特伦认为，“海维赛德”并不是一种可能取代直升机的新平台，很可能是替代汽车的飞行器。

虽然现在很多商业项目都在开发5座飞行器，而5座确实有其实用价值，但单座将变得更加通用，这两种观点目前还在公开辩论中。

随着市场发展，第一波浪潮的领导者开始制定生产计划。乔比航空正在加州蒙特雷郊外的玛丽娜（Marina）建造一个制造和测试工厂，并计划利用主投资商丰田公司在制造、质量和成本控制领域的专业知识。百合花公司已通过增量融资，募集资金超过3.75亿美元，在巴伐利亚州韦斯林建立了批量生产工厂。现在飞行的七架“可拉”是由加州帕洛阿尔托制造，但批量生产将在制造成本较低的地区，可能是现有的波音工厂。

到目前为止，大多数电动垂直起降飞行器初创公司均在公司内部开发关键系统，但当它们寻求批量生产时，有迹象表明会出现更传统的供应链。百合花已与东丽公司（Toray）签订碳纤维复合材料供货协议。沃洛考普特委托德国迪尔航宇公司（Diehl Aerospace）制造飞控计算机。霍尼韦尔新成立的城市空中运输部门将在第一批投产的电动垂直起降飞行器安装设备。

主要制造商仍在观望市场

与此同时，大多数主要制造商对城市空中运输持观望态度。

贝尔（Bell）和巴西航空工业公司（Embraer）还没有飞行其电动垂直起降飞行器演示样机。

空客公司虽然试飞了试验台，但和现代汽车公司一样，考虑成为第二波空中出租飞车制造商，预计2028～2030年期间投入使用。

航空金融（AirFinance）集团创始人兼首席执行官柯尔斯顿·巴托克·图（Kirsten Bartok Touw）表示，第二波公司正在观望，等待先行者即那些能获得融资的独立公司犯下错误，并铺平道路后紧随其后，一旦看到这条道路畅通清晰，便随时准备出发。她列举了日食（Eclipse）公司案例，这家初创公司开创了轻型飞机市场，后来却遭遇失败，但为塞斯纳“奖状野马”（Citation Mustan）公务机铺平了道路。

推进法规制定

在制造商制定生产计划的同时，监管机构也在不断开展适航审定。但目前为止，二者之间的步调并不一致，这是电动垂直起降飞行器行业关注的问题。

欧洲航空安全局适航审定

欧洲航空安全局于2019年7月发布了垂直起降特殊条件（Special Condition for VTOL，SC-VTOL）适航审定规则，为具有三个或更多升力/推力单元的小型垂直起降飞行器建立了一个新的适航审定类别。

随后，欧洲航空安全局在2020年1月提出适用于电动和混合动力推进系统的拟议特殊条件适航审定规则，并于6月截止公众意见征询。第三阶段是在2020年5月，欧洲航空安全局发布了第一个拟议垂直起降特殊条件的符合性方法（Means Of Compliance,MOC）并征询意见。

根据欧洲航空安全局要求，拟议符合性方法涵盖了结构总体设计、飞行载荷条件、坠毁承受性、鸟撞后的飞行能力、电传操纵系统设计、安全评估程序、防雷击和最低操纵性能等级等关键适航审定要求。

百合花和沃洛考普特均在根据垂直起降特殊条件，开展其电动垂直起降飞行器适航审定，垂直起降特殊条件为商业运营建立了一个增强性类别，该类别要求电动垂直起降飞行器与商业运输机具有相同的灾难性故障概率即10-9。

美国联邦航空管理局适航审定

美国联邦航空管理局采取的办法是，根据现有法规对电动垂直起降飞行器进行适航审定，并对产品特性附加特殊条件。大部分电动垂直起降飞行器需根据第23部第64号修正案进行适航审定。根据产品性能，该修正案对通用航空器管理规则进行修订，通用航空器允许使用行业共识作为符合性方法的标准。

图8 “海维赛德”很可能是一种替代汽车的飞行器。

美国联邦航空管理局无人机系统综合办公室主任杰伊·梅克尔（Jay Merkle）2020年1月曾表示，至少有6型电动垂直起降飞行器的型号适航审定进展顺利。虽然由于新冠疫情暂停了飞行测试，但几家城市空中运输领域的初创公司与美国联邦航空管理局官员召开线上会议，在适航审定工作中继续取得进展。

随着首批电动垂直起降飞行器通过基于标准修改内容的第23部适航审定。美国联邦航空管理局和工业界正在共同努力识别运营这些飞行器的其他监管障碍，包括研究如何减少类似第91部的运营规则，让电动垂直起降飞行器行业能够利用自动驾驶性能的提升，来简化飞行器操作和培训。

美国联邦航空管理局的不同办公室负责航空器适航审定和飞行标准服务，在基于标准的适航审定方法上可能会导致脱节。美国联邦航空管理局无人机和自动驾驶航空器技术负责人韦斯·瑞安（Wes Ryan）认为，美国联邦航空管理局面临的最大挑战之一是，该管理局虽然只能控制航空器适航审定的大部分流程，但能够在航空器设计阶段对新产品进行适航审定，并且可以帮助制造商开展适航审定，使飞行器获得更容易飞行的技术。这项技术的可接受性以及自动化如何集成到空域，实际上是美国联邦航空管理局和制造商正在共同努力解决的问题，而对操作规则的审查是首次尝试航空器自动化技术对规则的影响。

预计城市空中出租飞车服务将会按照现有飞行程序审批，在现有直升机航线开始运营。但要想扩大运营规模，使电动垂直起降航空器运营成本和机票价格，低到可以与出租车票价相竞争，需要提高空中出租飞车自主性等级和增强空域管理系统的自动化水平。

2020年6月下旬，美国联邦航空管理局发布了第一版城市空中运输运营方案（ConOps 1.0），该方案由该管理局、美国国家航空航天局和工业界共同规划。美国联邦航空管理局预计，方案将分三个阶段发展，首先是航空器在现有规则下运营，然后发展到第一版城市空中运输运营方案，即有人驾驶飞行器在城市空中运输专用航路运营，进而使用自动驾驶飞行器和远程操控飞行器开展大客流量、成熟运营。

最初阶段，低速城市空中运输服务将使用现有直升机的运营规则和基础设施。但美国联邦航空管理局预计，随着进程加快，有人驾驶空中出租飞车将在指定城市空中运输机场之间，利用专用航路飞行。

在这些专用航路内，空中出租飞车运营将遵守特定的城市空中运输规则、程序和飞行限定要求。在专用航路下方122m以下，为无人交通管理（UTM）空域，上方为现有空中交通管理（ATM）规则指定的空域。

在城市空中运输专用航路，基于社区而制定协同交通管理规则，并经美国联邦航空管理局批准。在城市空中运输运营期间，运营商将使用第三方城市空中运输服务商（Providers of services for UAM, PSUs）接收和交换信息。

城市空中运输服务商将支持运营计划、飞行计划共享、战略和战术冲突消除、空域管理和非常态运营。这些服务商将与无人交通管理空域的无人机系统服务商（USS）交换信息。

图9 第一版城市空中运输运营方案设定了专用航路。

图10 美国联邦航空管理局城市空中运输运营方案示意图。

第一版城市空中运输运营方案设计了三个自动化等级，第一是人在回路中，由一名机上飞行员直接控制飞行器；第二是人对回路中的飞行器进行监控和主动监控；第三是人在回路外，在需要自动驾驶时，由远程操控员进行监控。

图11 空客已扩展“城市空客”飞行包线。

巴西航空工业公司开发新系统

巴西航空工业公司的市场加速器部门即巴西航空工业公司X(EmbraerX)事业部，利用巴西制造商的空中交通管制专业技术，开发了一种城市空中交通管 理（Urban air traffic management，UATM）系统，该系统将弥合当今基于人员语音的空域管理与未来高度自主飞行之间的差距。

城市空中交通管理系统是一种基于程序的空域设计方法，并依赖当今基础设施而发展，但随着电动垂直起降飞行器和空中交通管理软件的发展，城市空中交通管理系统也具有拓展潜力。它是一个管理城市空中交通的核心系统，可与空中交通管理服务商和无人交通管理服务商交换信息。城市空中交通管理系统项目负责人大卫·罗特布拉特（David Rottblatt）表示，城市空中交通管理系统提供了扩展所需的程序和服务。

城市空中交通管理系统基于空域和程序设计、信息交换两项基本服务而发展。它提供飞行授权、流量管理、动态空域管理和一致性监控共四项运营服务。罗特布拉特称，巴西航空工业公司X事业部目前在与全球多家航空导航服务商合作，为不同城市量身定制城市空中交通管理运营方案。

巴西航空工业公司X事业部总经理兼首席执行官丹尼尔·莫奇德洛（Daniel Moczydlower）表示，针对自主性，该公司逐渐发展的愿景是，早期的商业运营将涉及远程操控无人机，但在人口密度不高的偏远地区运营，逐渐提高自主性等级。这有利于巴西航空工业公司收集数据。

莫奇德洛指出，下一个挑战是自主性解决方案，机上仍有飞行员，监控并与系统交互，但高度系统化运营，将由基于程序的城市空中交通管理系统实现。而下一代方案中，机上将不会有飞行员，但仍有高度系统化运营，为安全收集数据提供信心和运营经验。对于非系统化运营，巴西航空工业公司将对未来挑战做好准备，未来终级目标是随时随地实现完全自主飞行。

获得认可

随着制造商持续开展适航审定测试和推进生产计划，以及相关机构法规制定和空域管理不断取得进展，城市空中运输行业在推出商业服务之前，期待与社区紧密合作并找到基础设施的建设地点。

2020年1月，迪拜道路和运输管理局表示，计划2022年进行首次商业空中出租飞车运营。7月，阿联酋颁布了一项法规以支持“天穹”（Sky Dome）方案，为包括空中出租飞车在内的无人机创建一个模拟空域系统。

虽然百合花在2025年前不会开始运营，但透露了一种模块化垂直起降机场概念，该概念可以从小规模建设开始，随着市场增长可迅速扩大规模。这一构想可能会在世界各地推广，2020年7月，百合花已将此概念介绍给佛罗里达州坦帕湾地区区域交通管理局，此后该管理局开始投票决定商谈该地区成为美国的试验地点。

在欧洲，德国英戈尔施塔特和法国图卢兹等城市都主动提出成为城市空中运输的试验地点。英戈尔施塔特-曼欣格机场拥有一个军事测试中心，空客按计划在2020年7月底完成多瑙沃斯工厂的首次全自主飞行后，将在该军事测试中心开展“城市空客”（CityAirbus）电动垂直起降演示机的扩展包线飞行。

在美国，社区空中运输倡议（CAMI）非营利组织开始与当地机构接触和并开展宣教。社区空中运输倡议组织联合执行董事约兰卡·伍尔夫（Yolanka Wulff）表示，许多大城市有10至20年的规划时间窗口，要让城市空中运输在许多制造商期待的时间内推出，现在就必须将其纳入城市交通规划，因此必须特别关注公众的接受度。

尽管无人空中交通行业取得了明显进展，但仍需谨慎行事。社区空中运输倡议组织联合执行董事安娜·迪特里希（Anna Dietrich）说，往往是那些认为一夜间就能从0冲到60的人更有抵触情绪，而且更坚信城市空中运输根本行不通。需要强调的是，该行业对城市空中运输采取的是从爬行、到行走、再到奔跑的发展方式，这对公众逐渐接受城市空中运输非常重要。