作為城市交通運輸工具的垂直起降飛行器

未來，一些城市上空可能會出現(xiàn)載客垂直起降（VTOL）飛行器的身影，作為城市交通的一部分往返于各個站點之間。這些垂直起降飛行器，是航空工業(yè)與汽車工業(yè)結(jié)合的產(chǎn)物，有的與汽車很相像，因此又被稱為“飛行汽車”（Flying Car）。很多垂直起降飛行器被用于出租服務(wù)，稱為“空中的士”（Air Taxi）。這些垂直起降飛行器絕大多數(shù)采用電推進(jìn)，即以蓄電池為動力，而且大多數(shù)采用自主控制的方式，即不需要駕駛員駕駛。有的雖然在開始時需要配備駕駛員，但也只是為了使這種飛行器能更快取得航空管理部門的適航認(rèn)證，或能更快地為公眾所接受。這類垂直起降飛行器的關(guān)鍵技術(shù)包括氣動設(shè)計、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、飛行控制、探測和回避、高能蓄電池等。

空客研發(fā)的垂直起降飛行器

歐洲航空工業(yè)巨頭空客公司為改變?nèi)藗冊诔鞘兄械某鲂蟹绞剑诖罅Πl(fā)展電推進(jìn)垂直起降（e-VTOL）飛行器，將在今年年底前試飛單座“伐訶納”（Vahana）驗證機，在2018年年底前試飛能攜帶多名乘客的“城市空中客車”（CityAirbus）驗證機?？湛凸具€與意大利設(shè)計（Italdesign）公司聯(lián)合設(shè)計了Pop.Up地/空運載工具的概念。

“伐訶納”驗證機

“伐訶納”由空客研發(fā)中心A3公司研制，采用傾轉(zhuǎn)機翼設(shè)計，可運載貨物或一名乘客。這種自主控制飛行器的前機翼、主機翼和機身采用復(fù)合材料。每一機翼上的4個變速、變距螺旋槳由8個電動機驅(qū)動。垂直起飛時兩機翼傾轉(zhuǎn)，起飛后轉(zhuǎn)到水平用于前向飛行。選用這種布局而不是直升機布局，是因為機翼承載飛行的氣動效率高，能在以蓄電池作為動力的條件下飛得更遠(yuǎn)。

其全尺寸驗證機將進(jìn)行3個月的試飛。關(guān)鍵飛行包括：垂直起飛，過渡到前向飛行，巡航期間探測和規(guī)避空中障礙物，返回到垂直飛行，在降落時自動探測和回避地面障礙物。

在巡航階段，自主探測和規(guī)避系統(tǒng)通過雷達(dá)和相機完成既定功能，在著陸時，系統(tǒng)則采用威力登（Velodyne）公司供應(yīng)的激光雷達(dá)。其中，雷達(dá)的探測距離為1km，相機基本上采用褶積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機械視覺，A3公司融合來自各傳感器的數(shù)據(jù)，將它們整合成一個視覺；激光雷達(dá)集中用于著陸區(qū)的理由是現(xiàn)今激光雷達(dá)的探測距離不是很遠(yuǎn)。

“伐訶納”的一個設(shè)計目標(biāo)是使它在垂直和前向飛行過渡期間具有或多或少的線性氣動特性。機翼在所有時刻都沉浸在螺旋槳下洗氣流中，保持氣流的附著，防止失速?！胺ピX納”采用變速電動機與變距螺旋槳，以及前機翼上的升降舵和主機翼上的副翼，進(jìn)行垂直和前向飛行時的飛行控制。

在過渡飛行期間要對螺旋槳進(jìn)行變距主要是由于前進(jìn)比的差別很大。前進(jìn)比是指飛行器的前向速度除以螺旋槳葉梢的速度，它隨飛行器的加速而增加。飛行器在經(jīng)過過渡飛行階段時，每一空速具有對應(yīng)的機翼角和螺旋槳角。然后采用螺旋槳的轉(zhuǎn)速進(jìn)行配平。

驗證機將采用45kW電動機和鋰聚合物蓄電池，蓄電池的能量密度為200Wh/kg，足以完成設(shè)計任務(wù)。為保證有余量，電動機被設(shè)計成能提供典型靜止懸停所需1.7倍的推力。飛行器能在單個電動機故障的情況下仍有足夠的控制能力。

A3公司預(yù)計，在3年內(nèi)，當(dāng)“伐訶納”試飛達(dá)到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)時，蓄電池能量密度將達(dá)到230Wh/kg，飛行器具有更長的飛行距離。蓄電池的充電時間需要15～60min，這對運行是一個相當(dāng)大的限制，因此，A3公司決定采用可更換蓄電池。安裝在機身下內(nèi)側(cè)兩起落架后支柱間的兩塊蓄電池可以拉出，更換，并在地面上充電。蓄電池管理系統(tǒng)作為蓄電池塊的一部分，不裝在飛行器上。它監(jiān)控蓄電池的健康、充電情況和溫度。最初，蓄電池將在每次飛行后更換，但隨著其性能的提高，將能承擔(dān)多次飛行而無需更換。

蓄電池達(dá)到充電次數(shù)極限就不能使用，故應(yīng)將它計入“伐訶納”的直接運行成本（DOC）中。DOC包括了“伐訶納”的成電費和蓄電池為每次飛行分?jǐn)偟某杀?，設(shè)計目標(biāo)是每飛行小時約250美元，而直升機的DOC則在每小時1000～2000美元的范圍內(nèi)。

“伐訶納”的設(shè)計目標(biāo)之一是用小尺寸來降低運行成本。為緊湊起見，驗證機是單座的。但A3公司計劃在2020年進(jìn)行的第二次測試，達(dá)到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)要求的雙座。

A3公司認(rèn)為，城市70%～80%的通勤量為單座機，占市場的大部分，用雙座機可爭奪其余30%左右的市場，而且費用可由兩人分擔(dān)。

在空客公司的幫助下，A3公司正在與FAA及標(biāo)準(zhǔn)制定者們一起工作，以便為“伐訶納”取得適航證鋪平道路。

“城市空中客車”驗證機

“城市空中客車”是一種四座電推進(jìn)垂直起降飛行器，采用4個涵道風(fēng)扇。該項目由空客公司的技術(shù)辦公室負(fù)責(zé)實施。與直升機相比，“城市空中客車”最關(guān)鍵的特點是降低了機械復(fù)雜性，能大大降低DOC。飛行器是全電的，蓄電池為具有固定槳距的螺旋槳提供動力，去除了發(fā)動機、傳動裝置、驅(qū)動軸和旋翼輪轂。涵道提高了效率，允許采用直徑較小的風(fēng)扇，從而使飛行器更加緊湊。涵道還通過減少葉梢速度和消除暴露的槳葉來降低噪聲，提高了安全性。每一涵道內(nèi)冗余的電動機（可能還有螺旋槳）與直升機相比安全性也得到了提高?！俺鞘锌罩锌蛙嚒本哂泻軓姷娜蒎e性，在一個螺旋槳或一個電動機發(fā)生故障的情況下仍然不會墜落，保證安全。

因為城市交通的距離有限，50～ 60km的距離就能覆蓋所有主要城市，因此速度并不重要?！俺鞘锌罩锌蛙嚒辈捎枚叹嚯x和低速運行方式（最大速度150km/h）?！俺鞘锌罩锌蛙嚒痹O(shè)計飛行距離為10～15km，用時15min。其功率與空客的H120輕型直升機相似，而DOC降低了50%以上。

對電推進(jìn)持批評態(tài)度的人指出，蓄電池與航空燃油相比能量密度低，限制了飛行距離。但電推進(jìn)擁護(hù)者指出，電的低價和零排放是其優(yōu)點?？湛凸菊J(rèn)為在未來5～10年內(nèi)，蓄電池的能量足以滿足要求。

“城市空中客車”打算設(shè)計成自主飛行，但在剛投入使用時，為了使獲取認(rèn)證更容易以及獲得公眾的認(rèn)可，預(yù)計將采用有人駕駛方式。用于驗證設(shè)計概念的驗證機是無人駕駛的，起飛、飛經(jīng)航路點和著陸都是自主完成的，這些將根據(jù)“伐訶納”的經(jīng)驗研制。到2019年，空客公司打算通過增加電傳飛行控制通道和其他系統(tǒng)使“城市空中客車”適合有人駕駛飛行。

空客公司既發(fā)展單座“伐訶納”，又發(fā)展四座“城市空中客車”，是希望探索哪一種垂直起降飛行器更能滿足城市交通的需求，因為每一座城市對垂直起降飛行器的速度、飛行距離和尺寸有不同的要求。

Pop.Up概念

Pop.Up只是一種設(shè)計概念，空客并不打算研制實際的垂直起降飛行器進(jìn)行試驗。Pop.Up具有一個雙座乘客艙，可與單獨的空中模塊（一種采用四涵道風(fēng)扇的垂直起降飛行器）或地面模塊（一種電動地面車）連接。乘客艙還可與其他交通運輸工具，如火車和超回路高速軌道交通相連接。用戶將通過一個APP對旅行進(jìn)行訂票。系統(tǒng)將基于時間、交通情況、費用和乘坐分擔(dān)需求自動提示最佳的運輸解決方案，并將乘客艙連接到地面或空中模塊，或連接到其他交通運輸工具。

優(yōu)步的Elevate空中的士服務(wù)項目

網(wǎng)絡(luò)出租車巨頭優(yōu)步公司（Uber）推出了Elevate空中的士服務(wù)概念，計劃組建一個電推進(jìn)垂直起降空中的士網(wǎng)。這些垂直起降飛行器最初將是有人駕駛的，最終將自主飛行。其最長飛行距離80km，速度為地面出租車的4倍。優(yōu)步公司計劃于2020年在達(dá)拉斯/沃思堡和迪拜啟動電推進(jìn)垂直起降空中的士的打的服務(wù)（UberAIR服務(wù)），已確定了一些合作伙伴負(fù)責(zé)技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)。優(yōu)步公司在達(dá)拉斯/沃思堡將建造25個垂直起降飛行器機場，這些機場由300條路線相連，其中144條長度在32～88km間。

Elevate峰會

2017年4月，在達(dá)拉斯召開的Elevate峰會上，來自城市空中交通運輸研究各方面的代表認(rèn)為，用于電推進(jìn)垂直起降空中的士的蓄電池技術(shù)即將可用，但需要將蓄電池、蓄電池管理系統(tǒng)和充電器組成一個優(yōu)化系統(tǒng)。以蓄電池為動力的飛行器與采用燃油的飛行器有很大不同，從蓄電池獲得的能量取決于使用能量的速率，用得越快，則得到的能量越低。

優(yōu)步公司評估了9種具有不同速度和航程的垂直起降飛行器方案，這些方案包括直升機和傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器在內(nèi)的各種垂直起降飛行器，可搭載4名乘客，重量小于2270kg。對外公布的關(guān)鍵因素包括電推進(jìn)垂直起降飛行器懸停時間以及優(yōu)步希望在交通高峰期間再次出動的準(zhǔn)備時間，其中，準(zhǔn)備時間為5min。懸停時間從120s減到60s甚至30s，可顯著減少所需能量，有利于飛行器過渡到前向飛行，而且可以更快和更高的效率巡航。

飛行器高速飛行需要有較大的功率，但飛行速度較快的飛行器具有較高的升阻比，所需的巡航功率較低。每種方案需要以不同的方式平衡懸停與巡航功率。在不同的市場中，甚至在市場的不同部分，不同的飛行器將脫穎而出，具有最好性能。因此，優(yōu)步公司最終可能采購幾種不同的飛行器。

每種方案在懸停和巡航時的效率高低，以及每種方案從垂直飛行到水平飛行所需過渡時間關(guān)系到誰優(yōu)誰劣。大多數(shù)蓄電池以恒定電流供電，但飛行器并不以恒定電流飛行，它們在懸?；蜓埠綍r會以恒定功率飛行，蓄電池要做到以恒定功率放電是很困難的。

蓄電池在放電時，電壓下降，為保持恒定功率，電流必須增加，造成電壓降得更快。Elevate飛行器需要大容量蓄電池，它們可在大功率懸停時快速放電，并在短的準(zhǔn)備時間內(nèi)迅速充電。

不是所有的蓄電池容量都可使用，因為其電壓下降很快的部分是不能使用的。在電壓迅速下降時保持懸停功率會產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。因此，至少要留10%的充電量不被侵占；而且不能對蓄電池充滿電，因為達(dá)到90%以上時充電緩慢，且會產(chǎn)生降低循環(huán)壽命的化學(xué)變化。這意味著蓄電池的容量只有80%可用。飛行中使用的能量較少意味著可少充點電，并可在較低功率下減少充電時間。

在運載工具充電領(lǐng)域中居領(lǐng)先地位的ChargePoint公司稱，它可為垂直起降飛行器供應(yīng)400kW充電站，充電站采用自主控制的連接器，既充電又能對蓄電池進(jìn)行冷卻，使它在起飛時具有安全和最大性能。在蓄電池方面，鋰離子蓄電池的能量密度約為240Wh/kg，有多家公司正在研制能量密度超過300Wh/kg的鋰硫和鋰金屬蓄電池。

穆尼/卡特空中出租車

穆尼國際公司（Mooney International）與卡特航空技術(shù)公司（Carter Aviation Technologies）達(dá)成合作，在卡特公司的慢速旋翼/復(fù)合布局（SR/C）基礎(chǔ)上為優(yōu)步公司Elevate概念開發(fā)電推進(jìn)垂直起降飛行器。穆尼/卡特的空中出租車采用四座設(shè)計，其旋翼為垂直起降提供動力，但在前向飛行中自轉(zhuǎn)。前向推力由一個推力螺旋槳提供。隨著飛行器加速，推力從旋翼轉(zhuǎn)到機翼上，旋翼的轉(zhuǎn)速減慢，以降低旋轉(zhuǎn)阻力。

作為城市空中出租車，SR/C的首選方案是有一個直徑10.4m的高慣量雙槳旋翼及翼展為10.4m的高展弦比機翼。在懸停期間，用一個直徑3.05m的螺旋槳產(chǎn)生反扭矩，然后當(dāng)飛行器加速時，轉(zhuǎn)過來提供推力。飛行器在速度大于100km/h的情況下，不會對旋翼產(chǎn)生扭矩。

這種飛行器攜帶蓄電池時空重為1450kg，最大起飛重量為1810kg，使得這種空中出租車能夠攜帶4名90kg重的乘客，在1500m高度以280km/h的速度巡航，300Wh/kg的蓄電池使得其飛行距離達(dá)到18.2km，135m/s的旋翼葉梢速度也減小了起降時的噪聲。

太空X公司MOBi設(shè)計概念

底特律飛機公司設(shè)立的太空X公司（AirspaceX）正在研發(fā)尾坐式電推進(jìn)垂直起降飛行器。該飛行器將攜帶模塊化任務(wù)載荷，其中包括用于空中的士運營的四座客艙。這種MOBi設(shè)計概念在優(yōu)步的Elevate峰會期間對外公布，AirspaceX公司在那里展示了一個用于試飛的四分之一縮比模型。

MOBi概念與空客的Pop.Up概念有點相似，也由分開的飛行模塊、客艙模塊和地面模塊構(gòu)成，但其飛行模塊采用傾轉(zhuǎn)旋翼而非涵道風(fēng)扇。其客艙模塊正在生產(chǎn)中，而且已進(jìn)行了墜落試驗?？团摰奶攸c是：主動降噪、為每一乘客提供增強現(xiàn)實顯示器，座椅下面寬裕的行李空間及易于進(jìn)出的寬推拉門。

客艙模塊可吊掛在機翼下面，為緊湊起見最小化了機翼翼展。整個機翼處于4個螺旋槳的下洗氣流中，以保證垂直與前向飛行過渡期間的升力。后緣襟翼帶動螺旋槳的下洗，以便在垂直和前向飛行中實施控制。

這種布局已在密歇根大學(xué)完成風(fēng)洞試驗。AirspaceX公司正在優(yōu)化螺旋槳設(shè)計，目標(biāo)是從30kg的電動機得到4.45kN推力。性能目標(biāo)包括以240km/h的速度飛行1～2h，攜帶400kg的任務(wù)載荷，飛行距離達(dá)160km。

AirspaceX公司計劃采用汽車工業(yè)的設(shè)計和制造技術(shù)在大批量生產(chǎn)同時將飛行器成本降到10萬美元以下。計劃于2020年開始生產(chǎn)。

極光公司的雙座多旋翼VTOL飛行器

極光飛行科學(xué)公司（簡稱極光公司）也在為優(yōu)步公司開發(fā)雙座多旋翼垂直起降飛行器，重約680kg。這種有翼飛行器具有8個旋翼用于垂直起降，前向飛行用一個推力螺旋槳，速度為200km/h。這種飛行器的自主飛行制導(dǎo)技術(shù)源自極光公司的“人馬座”可選有人駕駛或無人駕駛的飛機，而其感知和規(guī)避系統(tǒng)則在美國海軍研究辦公室的“自主空中貨運/通用系統(tǒng)”（AACUS）項目下發(fā)展。

以色列城市航空公司的“城市鷹”飛行汽車

以色列城市航空公司的“城市鷹”（C i t y H a w k）四座飛行汽車是基于現(xiàn)已在進(jìn)行原型試飛的“鸕鶿”（Cormorant）垂直起降無人運輸機的布局和尺寸發(fā)展的。

“城市鷹”的發(fā)展預(yù)計將用5年時間。它最初將采用有人駕駛，但其飛行控制和飛行管理系統(tǒng)從一開始就具有高度自主能力，最終將通過自主飛行運送乘客?！俺鞘喧棥痹谇啊⒑髾C身中采用涵道風(fēng)扇提供升力和飛行控制。

“城市鷹”由一臺渦軸發(fā)動機提供動力，最初將采用噴氣飛機燃油，但它一開始為了零排放而設(shè)計成可采用液氫燃料，一旦液氫燃料在商業(yè)上可行時即可使用。此外，“城市鷹”設(shè)計時將滿足美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）和歐洲的適航認(rèn)證要求。

德國Lillium公司的涵道風(fēng)扇式電推進(jìn)VTOL飛行器

德國Lillium公司已開始試飛其電推進(jìn)VTOL空中的士的無人原型機，五座的生產(chǎn)型預(yù)計將在2019年試飛。全尺寸原型機稱為“鷹”（Eagle），以蓄電池為動力，具有后機翼傾轉(zhuǎn)襟翼上的以及前翼中的電動涵道風(fēng)扇，涵道風(fēng)扇可從垂直轉(zhuǎn)到水平方向。

2014年成立的Lillium公司是由歐洲航天局孵化出來的。該公司全電垂直起降飛行器已經(jīng)獲得了經(jīng)過修改的歐洲CS-23規(guī)章認(rèn)證。

在Lillium公司發(fā)布的一個視頻中，此原型機垂直起飛，并過渡到前向飛行，然后垂直降落，但在飛行期間，其機翼和前翼似乎沒有完全由垂直升力轉(zhuǎn)換到水平推力模式。

在其五座生產(chǎn)型設(shè)計中，旋轉(zhuǎn)圓筒形前翼由前機翼所取代，而且與主機翼相似，在每側(cè)的翼展方向一排裝6個涵道風(fēng)扇。前機翼和后機翼（即主機翼）上的風(fēng)扇，以3個為一組，裝在12個帶鉸鏈的襟翼上。

襟翼和固定槳距風(fēng)扇提供垂直和前向飛行中的所有飛行控制。此飛行器沒有垂尾，因為可用差分推力進(jìn)行航向穩(wěn)定與控制。有人駕駛的生產(chǎn)型飛行器具有多余度電傳飛控系統(tǒng)。

Lillium公司稱，其生產(chǎn)型飛行器具有300km航程，飛行速度300km/h。