城市空中交通市場發展前景分析

■ 王翔宇/中國航發研究院

航空“第三時代”(Third Era)已經拉開了帷幕，而城市空中交通概念的興起，既體現了長期以來人們對于快捷的城市空中出行的固有需求，也是航空業界迫切希望電動飛行走進現實、搶占市場的必然反映。

來自全球的7家航空制造商（空客、波音、達索、GE航空、羅羅、賽峰和UTC）的首席技術官于2019年6月18日在巴黎航展上發表聯合聲明，在不斷追求常規動力燃油效率、支持可持續燃料的商業化使用的同時，將通過研發全新的飛機和推進系統，真正實現航空運輸行動集團（ATAG）確立的減少二氧化碳排放的宏偉目標，即到2020年限制二氧化碳凈排放量的增長，到2050年將二氧化碳排放量降低至2005年的一半。這是整個航空業界攜手關注氣候變化、保護地球生態的一步，更是從萊特兄弟時代的活塞式發動機到當今的燃氣渦輪發動機、再到方興未艾的電推進系統歷史性變革的一步。

20世紀早期萊特兄弟首架飛機成功上天標志著航空“第一時代”的到來。20世紀50年代噴氣式飛機的出現則開啟了航空“第二時代”。如今，以數字化和電氣化為典型特征的航空“第三時代”已經拉開了帷幕，電動飛行概念正席卷而來，更加清潔安靜、高效廉價的電氣化空中旅行作為未來航空業可持續發展的必然選擇，將深刻地改變人們的工作和生活方式。

城市空中交通應運而生

廣泛的行業研究表明，受制于當前兆瓦級高功率密度電動機、大能量密度儲能系統以及高效熱管理系統的發展，全電動飛行的初始商業應用似乎更可能在有效載荷、飛行速度和航程都較小的通用航空場景下率先實現，將隨著電氣化技術的成熟再逐步進入大型商業運輸領域。如果不了解在這條“漸進式”發展道路上孕育的全新商業模式和機會，既無法有效地對相關技術進行持續投資研究，更無法在瞬息萬變的航空市場搶占先機。在此情況下，城市空中交通（UAM）應運而生，成為當下航空業界關注的核心熱點。

所謂的城市空中交通，就是用一種小型的全電動或混合電動垂直起降飛行器（eVTOL）承載不超過1t的旅客和貨物，以比地面出行更快的巡航速度（200km/h左右）在城市空域飛行，到達15～100km以外的目的地。直觀上看，空中公交車（Air Metro）和空中出租車（Air Taxi）將是未來城市空中交通市場的主體組成部分。

據統計，目前已有近百個處于不同開發階段的UAM項目瞄準了未來城市空中交通市場，其中既有優步（Uber）公司等飛行新勢力的積極滲透，也有傳統航空制造商未雨綢繆的產業再布局。無論是出于短期的商業利益考慮還是為未來開展大型航空運輸業務做準備，大多數市場參與者均認為，10年內可以迎來電氣化城市空中交通的首次商業運營，而完整的城市空中交通生態體系的建立，則不僅需要合適的eVTOL產品投入市場，在空域管理、適航條例、基礎設施建設以及社會認知接受度等方面的完善與突破同樣至關重要。

城市空中交通飛行器競相推出

早在2016年，優步公司就發布了Uber Elevate白皮書，利用共享eVTOL飛行器為未來城市提供一鍵約飛機的空中交通服務，預計于2020年開展測試，自2023年起投入商業運營。優步公司將與極光飛行公司、貝爾公司、巴航工業、卡萊姆公司以及蝙蝠公司合作開展新型飛行器研制工作，每家公司都提出了自己的方案，其中極光公司的PAVX和貝爾公司的Nexus已完成首飛。Uber Elevate體系還納入了多個科研機構和高校伙伴協同推進電動飛行技術提升與城市空中交通環境建設，其中美國國家航空航天局（NASA）將參與開發無人駕駛交通管理（UTM）和無人機系統（UAS）；美國陸軍研究實驗室（ARL）將進行同向旋轉螺旋槳的研發；Molicel公司將參與生產飛行器所需鋰離子電池組；佐治亞理工大學則負責系統安全分析和UAM市場研究。事實上除優步公司以外，美國的Joby Aviation 、Kitty Hawk，德國的Volocopter、AutoFlightX和國內的億航等眾多的航空初創公司均在針對城市空中交通需求開展相應的eVTOL項目。

億航184（多旋翼，億航公司）

S2 eVOTL（傾轉旋翼，Joby Aviation公司）

eVTOL Multicopter（升力巡航，Aurora公司）

在這些飛行新勢力大舉進軍城市空中交通市場的同時，傳統航空制造商也對這一領域表現出了極為濃厚的興趣。2018年空客公司成立了專門的城市空中交通部門，同年其單座eVTOL驗證機Vahana進行了50余次試飛，飛行速度為220km/h，航程接近100km。到2019年又啟動了4座eVTOL飛行器City Airbus的研發計劃，設計巡航速度為120km/h，最大航程為50 km，8臺100kW電動機驅動的4組同軸反轉涵道風扇為該飛行器提供動力。此外，空客公司也與西門子公司合作研發了一款功率為60kW的小型雙座電動飛機E-Fan，雖然其最初的目的是用于評估支線客機混合電推進系統的可行性，但后續也可能投入到城市空中交通市場。

典型城市空中交通概念產品的最大起飛質量與航程分布（R22和R44為羅賓遜公司生產的常規2座和4座輕型直升機）

除了為下一代E-FanX概念機提供2.5MW發電機和電力電子設備，羅羅公司基于M250混合動力推進系統獨自開發了5座混合電動飛行器，這也是羅羅公司第一次提出了飛機層面的設計概念。此款串聯式混合動力飛機采用了螺旋槳和傾轉機翼設計，吸收了“鷂”式戰斗機的垂直/短距起降技術的相關經驗。羅羅公司還與阿斯頓馬丁公司和克蘭菲爾德大學合作，開發一種用于城市空域飛行的3座混合動力概念機Volante Vision，其總體設計方案更接近于飛行汽車，預計于2025年左右投放市場，屆時其巡航速度將達到300 km/h。

通過梳理這些項目不難發現，一方面UAM總體設計已經突破了當前常規飛機選型的條條框框，既有成本較低、適宜短距飛行的多旋翼飛行器（Multirotor），也有飛行速度更快、航程更遠但結構更為復雜的有翼飛行器，例如，傾轉旋翼（Tilt Rotor）、傾轉涵道（Tilt Duct）、傾轉機翼（Tilt Wing）以及升力巡航（Lift and Cruise）等多種設計方案競相出現，未來必將根據細分市場的具體需求進行有側重的發展。另一方面，關于這些eVTOL飛行器采用全電動力還是混合電推進的爭論則是從未停歇：以優步公司為代表的城市共享運輸企業普遍認為在2025年前高能量密度電池的發展足以滿足小型城市空中交通飛行器的需求，除貝爾公司的Nexus概念機外，均采用了全電設計；而傳統航空制造商，特別是航空發動機制造商，則傾向于充分利用其海量燃氣輪機技術發展載重更大、航程更遠的混合電推進系統，這樣也為后續大型航空電動運輸做準備。

進一步來說，這些種類繁多、五花八門的eVTOL項目正是當前整個城市空中交通市場野蠻生長的最好寫照。演示文稿上一個個外形炫酷超前、具體參數語焉不詳且研發進度猶未可知的飛行器概念被眾多初創公司當成了最關鍵的融資工具，很顯然，從技術突破到飛行試驗、從適航取證到批量生產，每次動輒上億美元的資金投入意味著其中只有極少數的公司能存活下來，而且傳統航空制造商對這一領域的持續發力進一步壓縮了初創公司的發展空間，要知道汽車行業這么多年來也只有特斯拉公司這一個真正破局者，這還在很大程度上得益于老牌汽車巨頭對電動地面交通發展長期的心不在焉。但也要注意到，即使是傳統航空制造商給出的那些看起來更為清晰可行的方案構想，與人們期待的勝任城市空中交通市場需求的產品相比仍有不小的差距。如果未來eVTOL飛行器連當前常規動力直升機的關鍵技術指標都達不到，那么城市空中交通市場就徹底喪失了其后續發展的根本支撐點。

城市空中交通市場模式的艱難孕育

如果各種eVTOL飛行器在載重、航程、速度、安全性乃至低噪聲等方面均取得了前所未有的突破，演示文稿上宣傳的“爆點”一個接一個實現，是不是就意味著塵封的城市空中交通市場大門被徹底打開了？很遺憾，空中出租車走向市場的過程是不可能像在地面上用電動出租車替換掉燃油出租車那么簡單的，還有太多產品以外的因素同樣能夠左右未來城市空中交通市場的發展進程，而打破這些外部因素的制約是無法在現有城市交通框架下完成的。至少目前來看，只有少得可憐的經驗可供未來的電氣化城市空中交通發展運營所借鑒。Voom、Blade和Skyride這3家能夠提供類似城市空中交通服務的公司具有強烈的區域性，均不擁有或直接運營任何eVTOL飛行器，只是通過App的方式將旅客和常規直升機所有者/飛行員連接起來，而這一切離創造適合城市空中交通走進千家萬戶的生態環境還差得太遠。

盡管電動汽車的購置費用不菲，其日常通行使用卻比燃油汽車劃算，畢竟電費比油費便宜多了（特別是在國內），但是這一點并不適用于城市空中交通市場。相關數據顯示，eVTOL飛行器每千米單個旅客產生的費用僅比搭乘常規直升機節省不到20%，其平均價格至少是地面出租車的3倍以上，基本與豪華專車花費持平。除了燃油成本變成了電力成本，目前這些城市空中交通產品直接使用成本要素與常規動力直升機相比并無根本差別，而即使是飛行耗電量最大的5座eVTOL飛行器，其電力成本也僅占總成本的2成左右。城市空中交通還是太貴了，不是誰都能玩得起的，有錢人會選擇私人飛行器出行，普通人更傾向于便宜的地面交通，至少短期內海量資本的驅動而非廣大民眾的迫切需求將是空中出租車或者空中公交車發展的決定性力量。

不同城市出行交通方式花費比較（來源：NASA）

城市空中交通直接使用成本要素分解（來源：NASA）

城市空中交通直接使用成本要素說明

城市空中交通的典型外部制約因素

一個悲觀的事實就是，城市空中交通也很可能沒有想象中的那么方便快捷，制約其發展的外部因素不會因為是用eVTOL飛行器還是常規動力直升機就能發生巨大變化。NASA的研究報告認為，在不考慮任何外部約束的理想情況下，2030年前美國城市空中交通市場的日均運輸量超過千萬次，占交通運輸總量的1/5，年化市場價值達到5000億美元，而對外部制約因素建模后得到的日均運輸量僅為5萬多次，年化市場價值縮水到25億美元，在役eVTOL飛行器也只有4000架，幾乎與同期北美地區客機需求量持平。考慮到美國的通航產業高度發達、人均收入全球領先，同期更大地域范圍（特別對于發展中國家）的城市空中交通實際轉化率只會更低。甚至可以說，在現有條件下除非有國家意志在背后的強力推進，否則電氣化城市空中交通的發展形勢可能并不會與常規直升機空運有什么顯著不同。

結束語

電動飛行越來越成為推動航空產業發展的主宰力量，而城市空中交通概念的興起，既體現了長期以來人們對于快捷空中出行的固有需求，也是航空業界迫切希望電動飛行走進現實、搶占市場的必然反映。從產品自身的因素來說，城市空中交通的eVTOL飛行器對于電氣化飛行技術的要求相對較低，短期內研發成功的可能性更大，隨之而來相當多的初創公司也瞄準了這一領域，但在這百家爭鳴的背后，想要快速把一頁頁奪人眼球的演示文稿變成現實、真正拿出一款在性能上至少不輸給當前常規動力直升機的電氣化產品仍非朝夕之功；從產品以外的因素來說，這么多年來城市空中交通一直沒有建立一種完善可持續的市場運營模式，制約其發展的太多問題不會因為采用了eVTOL飛行器就消失不見，而這些問題也不是單純依賴eVTOL飛行器制造商就能解決的。

特別值得一提的是，就在積極布局城市空中交通市場、研發全電eVTOL飛行器的同時，傳統航空動力制造商也在瞄準未來航空運輸市場不遺余力地開展大功率高負載混合電推進系統研究。雖然混合電推進系統看起來在技術上更復雜，但也意味著高企的門檻隔絕了大多數飛行新勢力染指這一領域的可能，傳統航空動力制造商幾十年來的深厚技術儲備也能夠充分發揮。更為關鍵的是，不論是客運還是貨運，不論是干線還是支線，納入混合電推進飛機與納入常規動力飛機對于高度成熟的航空運輸市場來說需要做出的改變很小，機場還是那個機場，塔臺還是那個塔臺，甚至從外形上看飛機可能還是那個飛機。在不遠的未來，基于混合電推進系統的航空運輸取代城市空中交通成為電動飛行市場的領跑者也許并不會讓人感到吃驚，城市空中交通市場能否打破重重阻礙破繭而出仍需拭目以待。