城市空運電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展分析

穆作棟

電力推進(jìn)技術(shù)是多電飛機概念后航空界迎來的一場更具顛覆性的能量革命，從動力形式上徹底改變了傳統(tǒng)飛機及其能量系統(tǒng)。電力推進(jìn)技術(shù)也是無人駕駛空中交通飛行器的主要動力形式。

電推進(jìn)技術(shù)是多電飛機（MoreElectricAircraft概念后航空界迎來的一場更具顛覆性的能量革命，從動力形式上徹底改變了傳統(tǒng)飛機及其能量系統(tǒng)。電推進(jìn)技術(shù)以其高效率、低排放、低噪聲的顯著優(yōu)勢，為航空界未來發(fā)展帶來了新的方向，城市空運模塊（Urban Air Mobility，UAM）這一概念也借此機會成為航空領(lǐng)域最熱門的創(chuàng)新領(lǐng)域。

城市空運模塊這一概念早在近百年前就已經(jīng)出現(xiàn)，1926年3月的《科技新時代》（ Popular Science艉出了“Ridesboth roads and air"的愿景。如今，根據(jù)德國咨詢機構(gòu)Horvath&Partners的研究預(yù)測，2025-2049年全球?qū)⒂?40個城市大規(guī)模應(yīng)用飛行出租車;2035年時，全球飛行出租車的數(shù)量可能超過23000架。目前，空客和波音等飛機制造商以及羅爾斯羅伊斯等發(fā)動機制造商、西門子等系統(tǒng)供應(yīng)商都已投入了相關(guān)研發(fā)計劃，以應(yīng)對這一新興市場的首輪競爭。

電動城市空運體系UberElevate及其合作伙伴

美國優(yōu)步公司（ Uber）于2016年針對城市空運模塊需求提出了UberElevate體系，并于2017年和2018年連續(xù)召開了2屆Uber Elevate峰會，旨在通過與政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界合作，推出適用于城市空運模塊的共享電動垂直起降飛行器交通服務(wù)Uber Air。該城市空運服務(wù)計劃于2020年開展測試，并在2023年投入“按需運營（ On-demand flight）”。

Uber Elevate選取了5家飛行器合作伙伴企業(yè)，分別是波音旗下的極光飛行科學(xué)公司、貝爾公司、巴西航空工業(yè)旗下的Embraer×、卡萊姆飛機公司以及蝙蝠飛機公司。

波音公司旗下的極光飛行科學(xué)公司

極光飛行科學(xué)公司（Aurora FlightSciences）是一家波音旗下的先進(jìn)無人系統(tǒng)和飛行器企業(yè)。該公司已在其位于弗吉尼亞州馬納薩斯的總部進(jìn)行了全面的電動垂直起降飛行器測試，2019年1月23日，其自主載人飛行器（PAV）原型機完成首飛，由全電推進(jìn)系統(tǒng)提供動力，設(shè)計目標(biāo)是具備從起飛到著陸的全自主飛行能力，航程可達(dá)80.47km （50miles）;該原型機長30ft（9.14m），寬28ft（8.53m），機身集成了推進(jìn)系統(tǒng)和機翼，可實現(xiàn)高效的懸停和前向飛行。

貝爾公司

貝爾公司是垂直起降飛行器領(lǐng)域內(nèi)國際領(lǐng)先的供應(yīng)商，擁有80多年的歷史。最近貝爾發(fā)布的V-280和V-247傾轉(zhuǎn)旋翼機是世界上最先進(jìn)的旋翼機之一。

在2018年國際消費電子展上，貝爾公司推出了名為Nexus的混合電推進(jìn)電動垂直起降飛行器的全尺寸模型，采用了貝爾公司標(biāo)志性的傾轉(zhuǎn)旋翼設(shè)計，搭載6臺傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇，飛行器內(nèi)部設(shè)計了5個座位。Nexus團(tuán)隊由貝爾、賽峰、EPS、泰雷茲、穆格和Garmin公司組成，貝爾公司負(fù)責(zé)飛行器系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)和生產(chǎn)，賽峰公司提供混合動力推進(jìn)和驅(qū)動系統(tǒng)，EPS公司提供儲能系統(tǒng)，泰雷茲公司提供飛控計算機硬件和軟件，穆格公司負(fù)責(zé)開發(fā)飛行控制驅(qū)動系統(tǒng)，Garmin公司負(fù)責(zé)整合航空電子設(shè)備和飛行器管理計算機。

貝爾公司正在針對有人駕駛/無人駕駛、商用/軍用、客運/貨運、全電動/混合動力等一系列不同的市場需求開發(fā)模塊化電動垂直起降飛行器架構(gòu)。貝爾公司稱其首個飛行驗證機將專注于混合動力電動推進(jìn)系統(tǒng)，但工程團(tuán)隊將同步推進(jìn)全電架構(gòu)的技術(shù)研發(fā)。值得注意的是，貝爾公司的Nexus也是Uber Elevate體系中僅有的采用混電推進(jìn)形式的飛行器。

EmbraerX

Embraer X隸屬于巴西航空工業(yè)，在Uber EIevate 2018峰會上推出了電動垂直起降飛行器概念，這是巴西航空工業(yè)公司首次涉足旋翼機領(lǐng)域，但該公司表示其擁有60余年飛機研發(fā)經(jīng)驗，足以完成這一計劃。Embraer×概念飛機使用8付轉(zhuǎn)子提供垂直升力，當(dāng)轉(zhuǎn)換到水平飛行模式時，升力由水平機翼提供，機尾的推進(jìn)螺旋槳提供前向的動力。2019年4月新加坡亞洲旋翼機展覽上，EmbraerX表示該公司從2018年年底開始，與新加坡等超過5個亞太地區(qū)監(jiān)管機構(gòu)進(jìn)行對話，以更好地了解城市空運環(huán)境和發(fā)展期望。

卡萊姆飛機公司

卡萊姆飛機公司（ Karem Aircraft）總部位于加利福尼亞州奧蘭治縣，是一家固定翼和旋翼飛機的開發(fā)商和制造商。在過去的15年中，卡萊姆飛機公司開發(fā)了速度優(yōu)化傾轉(zhuǎn)翼技術(shù)方案（ Optimum SpeedTiltrotor， OSTR），該技術(shù)結(jié)合了固定翼飛機的速度優(yōu)勢與直升機的懸停能力。該公司的電動垂直起降飛行器解決方案蝴蝶（Butterfly）飛行器是一種四旋翼式旋翼飛機，使用OSTR技術(shù)實現(xiàn)了懸停與巡航階段的效率平衡，從而提高了整體效率。

蝙蝠飛機公司

蝙蝠飛機公司（ Pipistrel VerticalSolutions）總部位于斯洛文尼亞，自201 1年開始關(guān)注電動飛機技術(shù)，憑借其Taurus G4飛機贏得了NASA的綠色飛行挑戰(zhàn)賽;其Alpha Electro是第一架完成取證的全電動飛機。基于其豐富的電動飛機研發(fā)經(jīng)驗，該公司正在開發(fā)一款具有差異化、低噪聲推進(jìn)系統(tǒng)的電動垂直起降飛行器，并于Uber Elevate Summit2018上發(fā)布，該飛行器沒有任何可見的垂直升力轉(zhuǎn)子，這種設(shè)計與競爭對手在Uber Elevate峰會上提出的升力和巡航概念（例如Embraer X）有很大不同。

蝙蝠飛機公司全電動垂直起降降飛行器概念

除了上述飛行器制造商伙伴外，Uber Elevate體系還擁有多個科研機構(gòu)、高校伙伴，以城市空運推進(jìn)技術(shù)與環(huán)境建設(shè)。NASA將參與開發(fā)無人駕駛交通管理和無人機系統(tǒng)，以提高低空飛行安全性和運營效率;2020年NASA將舉辦一場城市空運挑戰(zhàn)賽（ NASA UAM GrandChallenge），以測試城市空運系統(tǒng)的集成性與安全性。美國陸軍研究實驗（ ARL）將參與同向螺旋槳的研發(fā)工作。鋰離子電池開發(fā)商和制造商MOLICEL公司將參與生產(chǎn)飛行器所需鋰離子電池組。佐治亞理工將參與系統(tǒng)安全分析和城市空中交通市場研究。

Uber Air計劃于2023年在達(dá)拉斯一沃斯堡城市間航線和洛杉磯開展商業(yè)飛行運營，在上述2條線路之外，還與澳大利亞、巴西、法國、印度和日本的許多國際市場合作，以確定后續(xù)運營城市。該項服務(wù)的落地還需要建設(shè)完善的基礎(chǔ)設(shè)施，以支撐飛行器的起飛和著陸。在洛杉磯召開的第二屆Elevate峰會上，6家建筑公司展示了“Skyports”停機坪設(shè)計，很多設(shè)計靈感都來自于電影《星球大戰(zhàn)》o

空中客車公司的城市空運計劃

目前，空客正在推進(jìn)2個城市空運研究計劃，分別是位于美國硅谷A3分部負(fù)責(zé)的單座“瓦哈娜”（Vahana）以及位于德國多瑙沃爾特的空客直升機負(fù)責(zé)的4座城市巴士，均為全電推進(jìn)形式。

為了協(xié)調(diào)城市空運計劃的研發(fā)，空客于2018年創(chuàng)建了城市空運部門，該部門位于德國奧托布倫市，靠近空客公司技術(shù)辦公室和無人駕駛航空系統(tǒng)部，空客直升機位于多瑙沃爾特的工廠也在附近。空客目前正在將所有城市空運的研發(fā)活動集成到城市空運部門。

單座全電動垂直起飛行器

“瓦哈娜”

“瓦哈娜”是由空中客車公司硅谷基地A3創(chuàng)新中心研發(fā)的全電動自動駕駛垂直起降飛機，于2018年1月31日在美國俄勒岡州彭德爾頓無人機系統(tǒng)基地以完全自動駕駛方式完成首飛，飛行高度為5m，隨后安全降落。2018年內(nèi)，“瓦哈娜”進(jìn)行了50多次試飛。“瓦哈娜”旨在通過利用電力推進(jìn)、能源存儲和機器視覺方面的最新技術(shù)，實現(xiàn)全民化個人飛行，并滿足日益增長的城市交通需求。

四座全電動垂直起降飛行器城市巴士

城市巴士是一款四座垂直起降飛行器，其揭幕儀式于2019年3月11日在德國巴伐利亞州因戈施塔特舉行，德國交通部長、數(shù)字化部長和因戈施塔特市長等政界人士出席了本次儀式。空客估計最早到2025年該飛行器才能在慕尼黑等大城市進(jìn)行商業(yè)運營。

據(jù)空客集團(tuán)德國地區(qū)總裁沃爾夫?qū)ばさ陆榻B，城市巴士的巡航速度為120km/h，其動力由4組同軸反轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇提供，風(fēng)扇由8臺100kW電機驅(qū)動。城市巴士選用了純電動設(shè)計，以滿足低噪聲、零排放的環(huán)保要求，其儲能系統(tǒng)總?cè)萘繛?10kWh，由4枚電池構(gòu)成，可各自提供140kW峰值功率;最大航程為50km，具備全自動駕駛功能。城市巴士的電機、電力電子設(shè)備由西門子公司提供，兩家公司在電動飛機領(lǐng)域開展了廣泛的合作，除城市巴士項目外，還開展了E fan-×等項目合作。

根據(jù)空中客車亞太城市空運戰(zhàn)略負(fù)責(zé)人德里克·程，該公司將基于“瓦哈娜”與城市巴士的經(jīng)驗開展下一代電推進(jìn)技術(shù)平臺的設(shè)計工作，計劃在年底前進(jìn)行最終設(shè)計審查，并于一年內(nèi)完成首飛。

德里克表示該平臺目前面臨著3個設(shè)計方面的困難，一是能量存儲技術(shù)，需要開發(fā)高能量密度的電池，以支持超過15min的飛行，能量存儲是全電動垂直起降飛行器領(lǐng)域最為關(guān)鍵的技術(shù)：二是自動飛行控制系統(tǒng)的成熟度;三是噪聲水平，空中客車公司正在開展相關(guān)工作，旨在控制飛行器的噪聲水平，噪聲上限為65db，與過往的地鐵噪聲水平接近，飛行器的噪聲水平會影響其在城市中可能的降落區(qū)域。

羅·羅公司的城市空運計劃

羅·羅公司針對個人飛行器和剛剛起步的城市空中交通市場的推出了小型混合動力解決方案，公司旗下的印第安納波利斯集團(tuán)（Indianapolis）基于M250渦軸發(fā)動機開發(fā)了混合動力系統(tǒng)，正在進(jìn)行地面測試。

該計劃始于2018年初，通過1年的工作，研制1套混合動力推進(jìn)系統(tǒng)并演示了3種運行模式一串聯(lián)混合動力、并聯(lián)混合動力和渦電。三種操作模式均已進(jìn)行測試，初始的地面測試于2018年第四季度完成，今年的計劃是研究準(zhǔn)備飛行的解決方案。這一項目覆蓋了500 - 800kW的功率范圍，是電動垂直起降的最佳選擇。

為了研究電推進(jìn)的技術(shù)可行性和發(fā)展挑戰(zhàn)，羅·羅公司設(shè)計了自己的電動垂直起降飛機。這是羅·羅公司第一次提出飛機層面的概念，概念的提出是基于M250混合動力推進(jìn)系統(tǒng)。這款5座串聯(lián)式混合電動飛機采用了螺旋槳和傾斜機翼設(shè)計，吸收了鷂式戰(zhàn)斗機的垂直/短距起降技術(shù)的相關(guān)經(jīng)驗，鷂式戰(zhàn)斗機的發(fā)動機“飛馬”由布里斯托爾航空發(fā)動機公司設(shè)計，該公司于上世紀(jì)60年代被羅·羅公司兼并。M250的功率約500kW，驅(qū)動6個電動螺旋槳，能夠使該機以250miles/h的速度飛行約500miles（800km）。在巡航高度上，飛機的升力螺旋槳將折疊，由機身后部安裝的螺旋槳提供動力。

羅·羅公司還與汽車制造商阿斯頓馬丁公司、克蘭菲爾德航空航天解決方案公司以及克蘭菲爾德大學(xué)合作，開發(fā)一種用于城市和城際航空旅行的混合動力3座飛機。該飛機被稱為Volante Vision概念機，動力系統(tǒng)基于M250發(fā)動機，初步計劃于20世紀(jì)20年代中期投放市場。

羅·羅公司表示Volante Vision目前只是一個概念，不過該設(shè)計具有合適的功率和儲能水平，功率重量比良好，在解決了各系統(tǒng)的整合問題后能夠投入應(yīng)用。由于主推進(jìn)系統(tǒng)不是全電動的，因此在適航認(rèn)證等方面存在挑戰(zhàn)。但作為工業(yè)界的一員，羅·羅公司正在與監(jiān)管機構(gòu)和認(rèn)證機構(gòu)合作以克服這些障礙。”

除上述產(chǎn)品和概念之外，還有多家企業(yè)提出了電動城市空運飛行器的概念，加利福尼亞州的喬比飛機制造公司（ Joby Aviation）獲得了來自豐田、捷藍(lán)航空和因特爾等公司的投資，計劃在5年內(nèi)推出兩座全電動垂直起降飛行器，該飛行器裝配有12電機，動力方式為全電推進(jìn)。戴勒姆公司也表現(xiàn)了對城市空運的興趣，其CEO迪特爾·澤謝稱城市空運為“第三個維度的出行方式”，該公司與因特爾公司共同向來自德國布魯塞爾的Volocopter公司投資，以開發(fā)全電推進(jìn)的全電動垂直起降飛行器。Volocopter公司的驗證機Volocopter 2X于201 7年首飛，該公司近期與法蘭克福機場集團(tuán)簽署協(xié)議，計劃于2021年成為法蘭克福機場空中短駁服務(wù)供應(yīng)商。德國初創(chuàng)公司AutoFlightX于2019德國腓特烈港航展發(fā)布了一種雙座型全電動垂直起降飛行器技術(shù)驗證機V600，計劃在未來幾周進(jìn)行試飛，該機由6個升力螺旋槳提供升力，1個推進(jìn)螺旋槳提供前進(jìn)動力。

城市空運發(fā)展現(xiàn)狀分析

通過上述各企業(yè)產(chǎn)品和概念的分析可見，業(yè)界對城市空運的動力形式有2種不同的判斷，以優(yōu)步為代表的城市共享空運企業(yè)認(rèn)為，在2023電年池技術(shù)足以滿足全電eVTOL城市空運飛行器的需求，因而在優(yōu)步的飛行器合作伙伴中，僅貝爾公司的方案采取了混電推進(jìn)，其余公司均為全電推進(jìn);以羅·羅為代表的傳統(tǒng)動力系統(tǒng)制造商則認(rèn)為電池能量密度是一個短時間難以突破的制約因素，混合電推進(jìn)將是更好的選擇，在滿足城市空運需求的同時，混合電推進(jìn)也可以用于長途電推進(jìn)飛機，如支線客機和干線客機。Uber Elevate公司提出的全電動垂直起降飛行器飛行速度約241-322km/h，目前的電池能量密度嚴(yán)重限制了其航程和航時，使用混合電推進(jìn)可以擴大航程和航時，但會提高平臺的復(fù)雜度。

城市空運作為一個新興航空領(lǐng)域，相較于傳統(tǒng)飛機行業(yè)，在安全性、適航認(rèn)證、空域使用和空管等方面需要有相應(yīng)的考慮。

安全性方面，作為一種需要每天在城市上空進(jìn)行大量低空飛行的空中商業(yè)運輸，城市空運飛行器需要達(dá)到相應(yīng)的安全級別，安全設(shè)計是其關(guān)鍵因素。

認(rèn)證方面，分布式電推進(jìn)、混合電推進(jìn)、自動飛行控制等技術(shù)都需要特別的適航要求，目前使用仍在開發(fā)中的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對這些新型飛行器進(jìn)行認(rèn)證。歐洲航空安全局（EASA）于2018年10月發(fā)布了全電動垂直起降飛行器適航標(biāo)準(zhǔn)草案，用以征求意見;美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）計劃在為這些飛行器制定新的適航類別過程中為其提出特殊條款。

空域使用和空管方面，城市空運需要使用現(xiàn)有空管系統(tǒng)以外的城市低空空域，需要制定相應(yīng)的管理制度和先進(jìn)的空管技術(shù)，以保證飛行安全。美國計劃擴展正在開發(fā)的無人交通管理（UTM）架構(gòu)，該架構(gòu)用于管理低空無人機運行，使無人機能夠使用商業(yè)實體提供的空域服務(wù)。

基礎(chǔ)設(shè)施方面，城市空運需要相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施，包括停機坪、充電裝置、與其他交通方式的駁接設(shè)施等。

目前城市空運領(lǐng)域吸引了來自全球各地工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和資本的廣泛關(guān)注，但該領(lǐng)域的發(fā)展尚處于非常初步的階段，面臨著廣泛的技術(shù)、運營和政策挑戰(zhàn)，一方面飛行器、新型空管等技術(shù)尚不成熟，另一方面政府和監(jiān)管機構(gòu)需要相應(yīng)指定政策、法規(guī)，這一行業(yè)未來的發(fā)展取決于制造商、運營商和監(jiān)管機構(gòu)的共同努力。