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2023-01-31
電動空中出租車，2024年進(jìn)入市場？
更新時間：2022-12-26 00:40:06作者：智慧百科
“這是繼第二次世界大戰(zhàn)以及噴氣式發(fā)動機(jī)發(fā)明以來，航空領(lǐng)域最令人激動的時刻。這就像特技飛行的黃金時代?！?/p>
Rolls-Royce公司的“創(chuàng)新精神”號全自動飛機(jī)在英國國防部Boscombe Down軍事基地打破飛行速度紀(jì)錄。來源：Rolls-Royce
文 | Sean O’Neill
按：電動空中出租車是新興電動垂直起降 （eVTOL） 飛行器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。不同于直升機(jī)，eVTOL飛行器通過利用更多小型發(fā)動機(jī)旋翼，實(shí)現(xiàn)減重目的；升空后，部分或全部旋翼會向前傾斜，轉(zhuǎn)變?yōu)轱w機(jī)的節(jié)能巡航模式，此時，飛行器的機(jī)翼提供了大部分升力。eVTOL飛行器可用于運(yùn)送在城鎮(zhèn)與機(jī)場間、市區(qū)內(nèi)或相鄰城市間往返的乘客，或者用來運(yùn)送貨物。
近年來，eVTOL飛行器產(chǎn)業(yè)的各種大型投資和伙伴關(guān)系不斷涌現(xiàn)，擁有較好的發(fā)展前景，預(yù)計(jì)在2024年可以完成安全規(guī)格認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)飛行器載人飛行。
下為正文。
對新興電動垂直起降 （eVTOL） 飛行器產(chǎn)業(yè)而言，2021年具有里程碑意義，這一年各種大型投資以及伙伴關(guān)系不斷涌現(xiàn)。幾個eVTOL飛行器開發(fā)商雄心勃勃——可以說是極度樂觀——他們希望最早在2024年就完成安全規(guī)格認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)飛行器載人。
2021年，4個eVTOL飛行器制造商接連上市，通過與特殊目的收購公司 （SPAC） 合作，共募集資金數(shù)十億美元。這4家制造商分別為：總部在美國加利福尼亞的Archer Aviation 公司 （帕洛阿爾托） 、總部在英國布里斯托的Joby Aviation 公司 （圣克魯茲） 與Vertical Aerospace公司，以及總部在德國慕尼黑的Lilium Air Mobility公司。
eVTOL飛行器制造商已經(jīng)和幾條主要航空公司達(dá)成合作。2021年2月，美國聯(lián)合航空公司 （United Airlines） 宣布與Archer Aviation 公司一起研發(fā)飛行器，并表示一旦飛行器可以運(yùn)行且達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，將購置200架飛行器。
2021年6月，美國航空公司宣稱若Vertical Aerospace公司取得特定成果，將向其投資2500萬美元，并提前預(yù)訂250架以上飛行器 （即潛在承諾支付其10億美元） 。該公司聲明當(dāng)前預(yù)訂量已經(jīng)達(dá)到1350架，價值高達(dá)54億美元。Lilium Air Mobility公司于2021年8月宣布與巴西蔚藍(lán)航空公司 （Brazilian airline Azul） 達(dá)成了一份10億美元的潛在協(xié)議，而2022年2月Joby Aviation 公司宣布與日本全日空航空公司 （ANA） 達(dá)成合作。
另外，2022年1月波音公司宣布為Wisk Aero公司投資4.5億美元。Wisk Aero公司位于美國加利福尼亞山景城，是波音公司與小鷹航空公司 （Kitty Hawk Corporation，美國加利福尼亞帕洛阿爾托） 共同創(chuàng)辦的合資公司；也是除中國廣東廣州的億航智能公司 （EHang） 外，少數(shù)選擇制造空中無人駕駛出租車的eVTOL制造商。
一般來說，小機(jī)翼飛行器的垂直升降方式與直升機(jī)類似，而其中eVTOL飛行器通過利用更多小型發(fā)動機(jī)旋翼，實(shí)現(xiàn)減重目的。升空后，部分或全部旋翼會向前傾斜，轉(zhuǎn)變?yōu)轱w機(jī)的節(jié)能巡航模式，此時，飛行器的機(jī)翼提供了大部分升力。研發(fā)人員計(jì)劃利用此類飛行器運(yùn)送在城鎮(zhèn)與機(jī)場間、市區(qū)內(nèi)或相鄰城市間往返的乘客，或者用來運(yùn)送貨物。
大規(guī)模交易與合作需要相應(yīng)的市場以及相關(guān)地面基礎(chǔ)設(shè)施支撐。投資銀行摩根士丹利 （Morgan Stanley） 預(yù)測，到2040年，城市空中交通市場中飛行器規(guī)模將達(dá)1萬億美元，2050年將達(dá)9萬億美元。除了經(jīng)濟(jì)利益，電動飛行器的研發(fā)還推動航天產(chǎn)業(yè)尋找減排辦法，這將積極助力緩解氣候變化。
由于上述原因，世界各地設(shè)計(jì)的不同種類的eVTOL飛行器的數(shù)量前所未有。由垂直飛行協(xié)會 [Vertical Flight Society, VES；前身是美國直升機(jī)協(xié)會（American Helicopter Society），總部位于美國弗吉尼亞州費(fèi)爾法克斯] 推出的世界eVTOL飛行器名錄中，截至2022年1月共收錄了600余種設(shè)計(jì)，僅2021年就新收錄了200余種。
Pat Anderson說：“這是繼第二次世界大戰(zhàn)以及噴氣式發(fā)動機(jī)發(fā)明以來，航空領(lǐng)域最令人激動的時刻。這就像特技飛行的黃金時代。”Pat Anderson是一位航空航天工程專業(yè)教授，兼任美國佛羅里達(dá)州代托納比奇恩布里·里德爾航空大學(xué)鷹飛行研究中心 （Eagle Flight Research Center at Embry-Riddle Aeronautical University） 主任。
當(dāng)前設(shè)計(jì)中的差異范圍較大，例如，Archer Aviation 公司推出的與真機(jī)相似度達(dá)80%的兩座式演示樣機(jī) （圖1） Maker，有12個水平旋翼，分別位于主翼前后兩側(cè)；前側(cè)旋翼可前傾，負(fù)責(zé)在飛機(jī)升空后，為其提供向前的動力。該公司計(jì)劃于2023年制作大量可配駕駛員的4座式飛行器，而Lilium Air Mobility公司的噴氣式 （Jet） 飛行器則相反，該機(jī)型配有36個涵道電驅(qū)動螺旋槳，其中12個置于前翼，24個橫跨機(jī)翼 （圖2） 。不過該公司下一代機(jī)型的螺旋槳數(shù)量更少 （30個） ，動力更強(qiáng) （圖2） 。涵道中螺旋槳轉(zhuǎn)動，使得飛行器能垂直起飛，并為其提供向前的推力。
圖1. （a）Archer Aviation公司的Maker飛行器，是一種與真機(jī)相似度達(dá)80%的樣機(jī)，圖中正在進(jìn)行懸停實(shí)驗(yàn)。其主翼前側(cè)的6個旋翼在飛行器轉(zhuǎn)為水平飛行模式時能夠前傾，作為推進(jìn)器提供高能效的向前推力。來源：Archer Aviation（公有領(lǐng)域）。（b）與之設(shè)計(jì)相似的Vertical Aerospace公司的 VA-X4將于2022年進(jìn)行第一次試飛。來源：Vertical Aerospace（公有領(lǐng)域）。
圖2. （a）從后方拍攝的全比例7座式Lilium Jet飛行器，拍攝地點(diǎn)位于Lilium Air Mobility公司在德國慕尼黑的總部，該飛行器內(nèi)嵌分布式推進(jìn)控制系統(tǒng)，且無機(jī)尾。（b）2021年，Lilium Air Mobility公司的技術(shù)樣機(jī)在德國進(jìn)行飛行測試，憑借36個縱向排列的涵道電動螺旋槳，飛行器得以在空中懸停。來源：Lilium（公有領(lǐng)域）。
美國馬里蘭大學(xué) （位于美國馬里蘭州） 工程學(xué)院副教授、VFS的eVTOL技術(shù)委員會主席Anubhav Datta說道，當(dāng)前電池技術(shù)發(fā)展水平——部分歸功于電動汽車行業(yè)——已經(jīng)可以為飛行器提供動力，但其有效載荷和航程非常有限。對于汽車電池的依賴會繼續(xù)限制這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，Datta稱：“你不能把為汽車制造的電池直接拿來給飛機(jī)用。尤其是對于eVTOL來說，發(fā)電裝置必須和飛行器一同進(jìn)行設(shè)計(jì)，而不能相互割裂。我們距離最佳成果還有很長一段距離?！?/p>
雖然電池的質(zhì)量并不是限制電動地面交通工具的主要因素，但是對航空工具而言，質(zhì)量至關(guān)重要。主要任務(wù)是將盡量多的能源裝進(jìn)質(zhì)量盡量小的電池結(jié)構(gòu)中——以實(shí)現(xiàn)特定能源的最大化利用——以便將足夠能量供給飛行器旋翼。全電池供能的eVTOL飛行器市場能否起飛，取決于能否有更輕型的電池。Anderson說：“而這一點(diǎn)需要重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)?！盇nderson還是VerdeGo Aero公司 （美國佛羅里達(dá)州代托納比奇） 的聯(lián)合創(chuàng)始人和首席技術(shù)官，該公司負(fù)責(zé)為新一代飛行器提供混合動力電力推進(jìn)技術(shù)。
確實(shí)，“里程焦慮”是早期電車車主的主要擔(dān)憂，現(xiàn)在則成為了eVTOL飛行器工程師要考慮的一個重要因素。Archer Aviation 公司的Maker飛行器可搭載一名飛行員以及4名乘客，該公司聲稱該飛行器能以241 km?h-1的速度行駛97 km （巡航模式） 。與7座式Lilium Jet飛行器相比，該機(jī)型承諾能以282 km?h-1的速度行駛250 km。
2021年7月，Joby Aviation公司公布了一份等比例樣機(jī)的測試數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)，該飛行器僅憑一節(jié)電池供電就飛行了248 km，其中還包括垂直起降等，以及無乘客時的遠(yuǎn)程操控等環(huán)節(jié)。有了這樣的成果，該公司的主要創(chuàng)始人兼首要執(zhí)行官JoeBen Bevirt稍許夸張地宣稱：“許多人認(rèn)為當(dāng)今的電池技術(shù)不可實(shí)現(xiàn)的成就，我們成功實(shí)現(xiàn)了。通過這次機(jī)會，我們已經(jīng)邁出了第一步，實(shí)現(xiàn)了舊金山和太浩湖、休斯頓和奧斯汀、洛杉磯和圣地亞哥之間的便捷，讓零排放的空中旅行成為日?，F(xiàn)實(shí)?！?/p>
此類飛行器要實(shí)現(xiàn)商業(yè)載人，需要滿足一定的安全規(guī)則，而現(xiàn)如今未有一架飛行器完全通過檢驗(yàn)。Anderson表示，考慮到要滿足監(jiān)管機(jī)構(gòu)的要求，里程數(shù)就是一大問題。例如，美國聯(lián)邦航空管理局 （FAA） 要求，在白天目視飛行規(guī)則下，配備充足燃料的飛行器需要有30 min的日間備用飛行能源，以及45 min的夜間 （或僅借助儀器飛行） 備用飛行能源。若eVTOL飛行器制造商同樣受到這種規(guī)則的束縛，其電池存儲的大部分能源將只能用于預(yù)防緊急情況。這將大大削減飛行器的實(shí)際飛行里程。Anderson說：“對于這種嚴(yán)苛規(guī)定的修改，F(xiàn)AA非常謹(jǐn)慎。如果商業(yè)飛機(jī)的備用能源本可以滿足45 min的飛行時間，但是FAA被成功說服，從而將備用能源使用時間縮減到僅剩5 min，你真的愿意乘坐這種飛機(jī)嗎？”
Datta認(rèn)為，像FAA這類監(jiān)管機(jī)構(gòu)可以促進(jìn)這一新興產(chǎn)業(yè)的成長，但eVTOL飛行器制造商需要證明其飛行器安全性。Datta說：“當(dāng)前并未有針對電動飛行器的法規(guī)，因此需要制定新的法規(guī)。樣機(jī)運(yùn)行測試的次數(shù)越多，我們就越能在規(guī)則制定方面更快達(dá)成一致?！?/p>
規(guī)格認(rèn)證要求對此類飛行器的商業(yè)飛行進(jìn)行規(guī)范，而認(rèn)證流程可能因地域不同會有所差別。在美國，eVTOL飛行器可按照現(xiàn)存的FAA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行認(rèn)證，而其他方面，如分布式推進(jìn)器、電傳飛行控制系統(tǒng)、噪聲標(biāo)準(zhǔn)，則需要各監(jiān)管機(jī)構(gòu)通力合作。
而歐洲航空安全局 （European Union Aviation Safety Agency, EASA） 審查了“處于不同發(fā)展階段的150多個VTOL項(xiàng)目配置”，從而開發(fā)出一整套專用于eVTOL種類的飛行器技術(shù)規(guī)格，該規(guī)格種類被命名為“特殊種類”。EASA也盡力尋求與FAA標(biāo)準(zhǔn)第23部分“大體保持一致”，該部分涉及小型飛行器的適航性。采用多個發(fā)動機(jī)反而很安全，因?yàn)槠渲锌蓜咏Y(jié)構(gòu)較少，再加上許多獨(dú)立控制旋翼上的分布式推進(jìn)器。這一點(diǎn)可能有助于通過認(rèn)證流程。發(fā)動機(jī)無需太多維護(hù)，而且在一個發(fā)動機(jī)失效的情況下，發(fā)動機(jī)數(shù)量越多，可用冗余也越多。
最后，這種正在開發(fā)的無人駕駛電動飛行器，無疑還會面臨更多的審查，因此距離實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用還有很長一段路要走。不過中國民用航空局 （Chinese Aviation Administration） 已經(jīng)于2022年2月正式采納并發(fā)布“特殊條款” （ Special Conditions） ，億航智能公司聲明該條款將為兩座式的EH216-S自動飛行器提供規(guī)格驗(yàn)證的基礎(chǔ)。
Archer Aviation 公司預(yù)計(jì)，到2024年其飛行器均可以完成規(guī)格認(rèn)證，并將在美國多個城市間運(yùn)輸客戶。Lilium Air Mobility公司同樣將其商業(yè)產(chǎn)品的發(fā)布定在2024年。但由于目前eVTOL飛行器的新式設(shè)計(jì)越來越多，難以對這些飛行器進(jìn)行快速的規(guī)格認(rèn)證。
Anderson表示：“由于對于此類僅由電池供電的eVTOL飛行器而言，上述設(shè)定的目標(biāo)時間非常不現(xiàn)實(shí)，因此至少要到2030年才能見到成果?！?/strong>
Datta表示，將eVTOL飛行器規(guī)格認(rèn)證完成日期設(shè)定如此之近，可能還有其他目的：“除了加速脫碳，可能還迫使監(jiān)管機(jī)構(gòu)迅速采取行動，幫助投資者樹立信心?！?/p>
當(dāng)然，投資方信心高漲，甚至有些不合理。航空行業(yè)分析師Richard Aboulafia于2021年3月在航空周 （Aviation Week） 廣播頻道6說道：“目前市場還未實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行，但是已經(jīng)有數(shù)十億資金流入，這將導(dǎo)致泡沫的出現(xiàn)?！?/p>
eVTOL飛行器制造商要想開拓一個成功的市場，就要確保產(chǎn)品不僅符合監(jiān)管驗(yàn)收，還要確保公眾能夠接受。eVTOL飛行器要想融入城市生活，其發(fā)展應(yīng)循序漸進(jìn)。英國索爾福德大學(xué)聲學(xué)研究中心 （University of Salford Acoustics Research Centre） 教授、美國國家航空航天局領(lǐng)導(dǎo)的城市空氣流動噪聲工作組 （Urban Air Mobility Noise Working Group） 成員Antonio Torija-Martinez說：“這種新型交通工具雖然可以帶來經(jīng)濟(jì)、社會及環(huán)境效益，但是可能會給沿途的社區(qū)帶來噪聲問題?！?/p>
雖然發(fā)動機(jī)固有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的噪聲比內(nèi)燃機(jī)更小，但其基本構(gòu)造通過旋翼驅(qū)動空氣，意味著噪聲是不可避免的。發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的噪聲在整體噪聲中的占比并不確定，但制造商卻急切地想告知人們，他們制造的飛機(jī)不會過度打擾人們的生活。Lilium Air Mobility公司宣稱，當(dāng)他們制造的飛行器盤旋在距離地面100 m的高空時，產(chǎn)生的噪聲大概在60 dB，相當(dāng)于在一米外正常對話的音量。Archer Aviation 公司則表示，他們的飛行器在600 m高空巡航時對地面產(chǎn)生的噪聲為45 dB，相當(dāng)于冰箱的嗡嗡聲。Torija-Martinez說：“eVTOL飛行器比傳統(tǒng)直升機(jī)體積更小、扇葉數(shù)量更多，會產(chǎn)生高頻噪聲，更惹人厭煩。大氣吸收可以有效減弱噪聲，但對于沿途社區(qū)中產(chǎn)生的高頻噪聲問題，需要可驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?！?/p>
雖然eVTOL飛行器制造商引起了大量媒體關(guān)注，但并不是只有他們著眼于電動空中旅行業(yè)務(wù)。例如，美國聯(lián)合航空公司于2021年7月宣布了一項(xiàng)交易，即從瑞典哥德堡的Heart Aerospace公司購買100架符合特定標(biāo)準(zhǔn)的19座式電動飛機(jī)。該公司計(jì)劃于2026年將上述飛機(jī)投入運(yùn)行。而Kadima公司以及總部位于以色列的Eviation Aircraft公司將為一架名為Alice的9座式全電動推進(jìn)式飛機(jī)進(jìn)行測試。
另外，最先進(jìn)的飛行器要數(shù)由Rolls-Royce公司制造的全電動“創(chuàng)新精神” （Spirit of Innovation） 號飛行器 （見頭圖） 。該公司總部位于英國古德伍德，部分資金由英國政府支持的“加速飛行電氣化 （Accelerating the Electrification of Flight, ACCEL） 項(xiàng)目”提供。在2021年11月，該飛機(jī)打破了兩項(xiàng)空中速度世界紀(jì)錄，3 km速度為556 km?h-1 （之前的紀(jì)錄是213 km?h-1） ，15 km速度為532 km?h-1，最高速度可達(dá)623 km?h-1，成為世界速度最快的純電動載具。
對于eVTOL空中出租車及短途電動通勤飛機(jī)還需要多長時間才能在天空中自由行駛，我們?nèi)圆淮_定；但我們相信這一天終會到來，只是不要期望太高，不要急于求成。
Datta說道：“對于新興科技，這是一個老生常談的話題；但我認(rèn)為，目前各公司都高估了短期影響，而政府又低估了長期影響?！?/p>
（本文選自中國工程院院刊《Engineering》2022年第6期）