无人电动垂直起降飞行器在未来城市空中交通中的发展

王锋　杨金洋　佟刚　丁一宁

摘 要：随着城市化进程的高速推进，城市早晚高峰拥堵、环境污染等问题日益严重，城市空中交通作为一个新兴的航空领域应运而生，也推动了城市空中交通的主力军无人电动垂直起降飞行器的开发应用。无人电动垂直起降飞行器吸引了包括航空航天企业、汽车行业、运输行业、政府、军方及学术界的广泛关注。本文系统地综述了国内外对无人电动垂直起降飞行器的研究现状及城市空中交通面临的困难与挑战。展望未来，在全球各国政策的鼓励支持下，无人电动垂直起降飞行器的研究将改变人类的生活方式，带领人类进入飞行时代。

关键词：电动飞机;垂直起降飞行器;空中交通

中图分类号：V355.1文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）11-0082-04

Development of Unmanned Electric VTOL Aircraft in Future Urban Air Traffic

WANG Feng1 YANG Jinyang2 TONG Gang1，2 DING Yining1

（1.Liaoning General Aviation Academy，Shenyang Liaoning 110136;2.Mechanical and Electrical Engineering， Shenyang Aerospace University，Shenyang Liaoning 110136）

Abstract： With the rapid progress of urbanization， the problems of traffic congestion and environmental pollution are becoming more and more serious， urban air traffic as a new aviation field is emerging， it also promotes the development and application of the city's air traffic main force unmanned electric vertical takeoff and landing aircraft. Unmanned electric vertical takeoff and landing vehicles have attracted widespread interest from aerospace companies， the automotive industry， the transportation industry， government， the military and academia.In this paper， the research status of unmanned electric vertical take-off and landing vehicle at home and abroad and the difficulties and challenges of urban air traffic were systematically reviewed. Looking forward to the future， with the encouragement and support of global policies， the research of unmanned electric vertical take off and landing vehicle will change the way of human life and lead human beings into the era of flight.

Keywords： electric aircraft;vertical take-off and landing;air traffic

在如今快速发展的航空领域，各类飞行器的研发和应用都迎来了全球化高潮，而垂直起降（Vertical Take-Off and Landing，VTOL）飞行器凭借其对起降地点要求低的优势，在军事和民用领域应用都极为广泛[1-2]。此外，与有人驾驶的垂直起降飞行器相比，无人驾驶的垂直起降飞行器总体布局及方案等都較容易实现，先进的飞控技术也保障了无人垂直起降飞行器起降动作的精确性及可靠性。如今，国家更加重视生态文明建设，绿色能源、新型电动飞机的研制为“绿色航空”的实现带来了新的契机，以无人电动垂直起降飞行器为代表的新型飞机极大地改善了飞机的安全性、便捷性、经济性以及可靠性。作为较有前途的一类飞行器，无人电动垂直起降飞行器正呈井喷式增长。

未来几年，电动垂直起降飞行器将出现在城市上空。随着5G技术发展成熟，电动垂直起降飞行器穿梭在城市上空的场景将触手可及[3]。美国国家航空航天局（NASA）提出了“自由移动出行”的战略框架，愿景是“能够让任何人随时随地从一处飞向另一处”[4]。报告指出，垂直起降（VTOL）轻型载人飞行器甚至被认为是未来城市内部出行的交通方式之一[5]。德国咨询机构研究预测，2025—2049年，飞行出租将会在全球240个城市大规模应用[6]。目前，空客（Airbus）和波音（Boeing）等飞机制造商、通用电气（GE）等发动机制造商、西门子（SIEMENS）等系统供应商已开始了相关研发计划[7]，城市立体交通的发展将进一步推动人类技术革命的进程，这一领域将有机会成为航空领域最热门的创新领域。

1 电动垂直起降飞行器发展现状和趋势

垂直起降飞行器能够在自身动力系统的作用下完成垂直起降，并且可以在不依靠滑跑的情况下起降[8]。独特的空中定点悬停能力使其成为全球各大航空公司及研究机构的研究热点，并取得了极大进展。

1.1 国外研究现状

目前，国外对电动垂直起降载人飞行器的研究较为成熟[9]，一些航空企业如Airbus、Boeing前后推出过许多不同类别的飞行器。相关资料显示，大约有数十种不同型号的飞行器[10]，其中比较典型的有Airbus推出的Vahana，德国Volocopter推出的VoloCity等。

1.1.1 Vahana。Vahana于2018年1月31日成功试飞。Vahana的动力源由8个电动螺旋桨组成。该飞机长5.7 m、宽6.2 m、高2.8 m，重745 kg，可乘坐一人。为了确保乘客的安全，该飞行器还配备有低空降落伞。空客公司城市空中交通（UAM）系统副总裁扎克·洛弗林表示，2018年Vahana已完成了50次全尺寸飞行试验，总飞行时长超过5 h（缩比样机则已完成了1 277次试飞，累计飞行时长51 h）[11]。Vahana全自动自动驾驶垂直起降飞机见图1。

1.1.2 VoloCity。VoloCity适用于大部分城市地区的短途空运服务航班，航程仅为35 km，巡航速度为110 km/h。在运营初期，采用有人驾驶模式，而未来的运营目标是自主驾驶模式，进而满足搭载2名乘客并携带行李的需求。德国Volocopter公司2017年在迪拜展出了早期的自主驾驶原型机。Volocopter公司的工程师团队针对包括2X型在内的VoloCity早期原型机进行了1 000多次飞行测试，根据测试结果调整设计方案，调整内容包括进一步对其安装有18个旋翼的梁架结构的空气动力学设计的改进，以及可增加升力和稳定性的新型稳定器。Volocopter公司首席执行官Florian Reute表示：“通过投入使用VoloCity，我们将开辟首条商业航线，实现未来城市空中交通。”VoloCity的示意图如图2所示。

1.2 国内研究现状

政策的支持是我国发展航空事业的基石。中国民航局（CAAC）自2019年来先后发布eVTOL相关的重要文件，《促进民用无人驾驶航空发展的指导意见（征求意见稿）》指出：“在2035年之前，建立包括载人在内的无人驾驶航空交通运输系统。……重点开展低空无人机公共航线划设和运行研究，组织开展垂直起降载人（VTOL）及物流无人机试运行，为制定适航、飞标、空管运行规则、标准提供依据。在安全运行的基础上，拓展无人驾驶航空商业运营模式，扩展无人驾驶航空经营许可范围。”放眼全球，在VTOL领域，中国亿航公司（EHang）已经走在前列。EHang已在全球多地完成载人级自动驾驶飞行器试飞。EHang由此成为我国首个载人级无人机适航审定试点单位。接下来对中国亿航184进行分析。

中短距离交通出行工具是亿航184的定位，其类似于“空中出租车”。亿航184可解决短距离城市交通运输问题。亿航184飞行均速约100 km/h，在高速巡航测试中飞行速度可达130 km/h。亿航184自动驾驶载人飞行器代表着一种安全、节能的解决方案，可应对中短距离交通运输行业的许多挑战。亿航184不仅为私人出行方式创造了新的方案，而且对世界许多行业带来了深远影响。中国亿航184如图3和图4所示。亿航184性能参数如表1所示。

2 未来城市空中交通面临的挑战

目前，全世界范围内已经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然面临诸多问题与挑战[12]。

2.1 运行软硬件设施

2.1.1 硬件设施。城市设计初期，基本没有考虑空中交通网络的概念。在硬件设备比较完善的城市（例如，东京），虽然在城市设计和建造过程中考虑了空中交通网络的概念，但对城市容量的设计及其设计理念等远不能满足未来城市对空中交通网络的需求[13]。城市设计者和管理者当下急需解决的问题是如何合理地改良或设计新建城市的硬件设施。

2.1.2 软件设施。城市空中交通网络的设计与构建是在空中建立公共通道并为其设计和匹配恰当的管理系统[14]。新一代的通信导航监视网络能实时提供大容量、高速率、低延时和精确的数据传输，确保在城市低空区域运行的各类飞行器能安全高效飞行[15]。以此为基础，设计并建立城市空中交通管理系统，并妥善解决该系统与现有空中交通管理系统和城市飞行器管理系统之间的边界定义、融合策略、管理方法和程序等问题。另外，进行必要的测试，并验证各信息系统的安全冗余、全系统的安全冗余和系统性能下降、系统故障后的应急措施等。

2.2 全球性标准体系

未來城市空中交通的正常运行与无人空中交通管理系统、无人驾驶飞行器等许多无人概念紧密相关，世界上仍然没有统一、清晰的标准和规章体系[16]。为了应对这种窘境，我们必须与国际组织、地区、国家标准制定体合作，引入新的管理方法和管理模式，并努力通过新的手段和方式来加速和适应新环境下的要求和发展。由于缺乏全球统一的指导文件作为蓝本，各国都希望在全球标准制定中发挥领导作用，从而导致了“各为其政”的现象。这对未来的全球统一和一体化运行带来了一些问题和挑战。

2.3 市场和商业运行模式

城市空中交通是未来的一个新兴产业，当前没有用来参考和借鉴的先例。在商业模式的开发中，Uber和空客目前是处于最前沿的。单单就Uber来讲，由于其地面交通运行商业模式的成功运行，通过对其地面交通运行模式的深入研究，开发出其未来的城市空中交通商业模式。这种演化的商业模式在后期运行中具有一定实际意义，但如果没有足够的初期运能，这种商业模式则很难实现，并且需要定期过渡，这就需要探索其他商业模式。而未来城市空中交通的发展究竟适合哪种商业模式，还有待进一步研究和实践[17]。

航空产业运行初期，对资金需求度很高。当商业模式不确定且市场成熟度不够时，创业公司就会被轻易拖垮，行业先行者需要在产业发展初期投入大量资金开发市场，并探索合适的商业模式。对于有相对稳定资金状况的传统航空企业或类似Uber这种拥有多条产品线的企业而言，资金压力可能较小，多条产品线可以分摊前期运营和维护的风险。

2.4 社会和公众影响

人们对新事物的接纳度以及人与机器之间的信赖度需要在长期磨合中逐步建立。社会能否接受自主化的机器文明？我们到底能对机器有多坚实的信赖？这些问题一直没有答案。这对今后城市空中交通运行的发展和落实也会产生较大影响。

3 未来展望

基于电动垂直起降飞行器的未来城市空中交通已成为美国、欧盟等国家航空运输发展的重要方向，国外的重视和支持力度空前。我国也应继续保持研发投入与科技创新，政府要稳定投资，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;要持续探索先进技术在飞行平台上的应用，通过演示验证进一步提高技术成熟度。更重要的是，要快速推进空中交通管理系统开发与运营规则制定工作，为打造未来城市空中立体交通提供良好的发展环境。一旦未来城市立体交通生态建设成功，人类的出行方式也将正式跨入“飞行时代”。

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