無人電動垂直起降飛行器在未來城市空中交通中的發展

王鋒　楊金洋　佟剛　丁一寧

摘 要：隨著城市化進程的高速推進，城市早晚高峰擁堵、環境污染等問題日益嚴重，城市空中交通作為一個新興的航空領域應運而生，也推動了城市空中交通的主力軍無人電動垂直起降飛行器的開發應用。無人電動垂直起降飛行器吸引了包括航空航天企業、汽車行業、運輸行業、政府、軍方及學術界的廣泛關注。本文系統地綜述了國內外對無人電動垂直起降飛行器的研究現狀及城市空中交通面臨的困難與挑戰。展望未來，在全球各國政策的鼓勵支持下，無人電動垂直起降飛行器的研究將改變人類的生活方式，帶領人類進入飛行時代。

關鍵詞：電動飛機;垂直起降飛行器;空中交通

中圖分類號：V355.1文獻標識碼：A文章編號：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

在如今快速發展的航空領域，各類飛行器的研發和應用都迎來了全球化高潮，而垂直起降（Vertical Take-Off and Landing，VTOL）飛行器憑借其對起降地點要求低的優勢，在軍事和民用領域應用都極為廣泛[1-2]。此外，與有人駕駛的垂直起降飛行器相比，無人駕駛的垂直起降飛行器總體布局及方案等都較容易實現，先進的飛控技術也保障了無人垂直起降飛行器起降動作的精確性及可靠性。如今，國家更加重視生態文明建設，綠色能源、新型電動飛機的研制為“綠色航空”的實現帶來了新的契機，以無人電動垂直起降飛行器為代表的新型飛機極大地改善了飛機的安全性、便捷性、經濟性以及可靠性。作為較有前途的一類飛行器，無人電動垂直起降飛行器正呈井噴式增長。

未來幾年，電動垂直起降飛行器將出現在城市上空。隨著5G技術發展成熟，電動垂直起降飛行器穿梭在城市上空的場景將觸手可及[3]。美國國家航空航天局（NASA）提出了“自由移動出行”的戰略框架，愿景是“能夠讓任何人隨時隨地從一處飛向另一處”[4]。報告指出，垂直起降（VTOL）輕型載人飛行器甚至被認為是未來城市內部出行的交通方式之一[5]。德國咨詢機構研究預測，2025—2049年，飛行出租將會在全球240個城市大規模應用[6]。目前，空客（Airbus）和波音（Boeing）等飛機制造商、通用電氣（GE）等發動機制造商、西門子（SIEMENS）等系統供應商已開始了相關研發計劃[7]，城市立體交通的發展將進一步推動人類技術革命的進程，這一領域將有機會成為航空領域最熱門的創新領域。

1 電動垂直起降飛行器發展現狀和趨勢

垂直起降飛行器能夠在自身動力系統的作用下完成垂直起降，并且可以在不依靠滑跑的情況下起降[8]。獨特的空中定點懸停能力使其成為全球各大航空公司及研究機構的研究熱點，并取得了極大進展。

1.1 國外研究現狀

目前，國外對電動垂直起降載人飛行器的研究較為成熟[9]，一些航空企業如Airbus、Boeing前后推出過許多不同類別的飛行器。相關資料顯示，大約有數十種不同型號的飛行器[10]，其中比較典型的有Airbus推出的Vahana，德國Volocopter推出的VoloCity等。

1.1.1 Vahana。Vahana于2018年1月31日成功試飛。Vahana的動力源由8個電動螺旋槳組成。該飛機長5.7 m、寬6.2 m、高2.8 m，重745 kg，可乘坐一人。為了確保乘客的安全，該飛行器還配備有低空降落傘。空客公司城市空中交通（UAM）系統副總裁扎克·洛弗林表示，2018年Vahana已完成了50次全尺寸飛行試驗，總飛行時長超過5 h（縮比樣機則已完成了1 277次試飛，累計飛行時長51 h）[11]。Vahana全自動自動駕駛垂直起降飛機見圖1。

1.1.2 VoloCity。VoloCity適用于大部分城市地區的短途空運服務航班，航程僅為35 km，巡航速度為110 km/h。在運營初期，采用有人駕駛模式，而未來的運營目標是自主駕駛模式，進而滿足搭載2名乘客并攜帶行李的需求。德國Volocopter公司2017年在迪拜展出了早期的自主駕駛原型機。Volocopter公司的工程師團隊針對包括2X型在內的VoloCity早期原型機進行了1 000多次飛行測試，根據測試結果調整設計方案，調整內容包括進一步對其安裝有18個旋翼的梁架結構的空氣動力學設計的改進，以及可增加升力和穩定性的新型穩定器。Volocopter公司首席執行官Florian Reute表示：“通過投入使用VoloCity，我們將開辟首條商業航線，實現未來城市空中交通。”VoloCity的示意圖如圖2所示。

1.2 國內研究現狀

政策的支持是我國發展航空事業的基石。中國民航局（CAAC）自2019年來先后發布eVTOL相關的重要文件，《促進民用無人駕駛航空發展的指導意見（征求意見稿）》指出：“在2035年之前，建立包括載人在內的無人駕駛航空交通運輸系統。……重點開展低空無人機公共航線劃設和運行研究，組織開展垂直起降載人（VTOL）及物流無人機試運行，為制定適航、飛標、空管運行規則、標準提供依據。在安全運行的基礎上，拓展無人駕駛航空商業運營模式，擴展無人駕駛航空經營許可范圍。”放眼全球，在VTOL領域，中國億航公司（EHang）已經走在前列。EHang已在全球多地完成載人級自動駕駛飛行器試飛。EHang由此成為我國首個載人級無人機適航審定試點單位。接下來對中國億航184進行分析。

中短距離交通出行工具是億航184的定位，其類似于“空中出租車”。億航184可解決短距離城市交通運輸問題。億航184飛行均速約100 km/h，在高速巡航測試中飛行速度可達130 km/h。億航184自動駕駛載人飛行器代表著一種安全、節能的解決方案，可應對中短距離交通運輸行業的許多挑戰。億航184不僅為私人出行方式創造了新的方案，而且對世界許多行業帶來了深遠影響。中國億航184如圖3和圖4所示。億航184性能參數如表1所示。

2 未來城市空中交通面臨的挑戰

目前，全世界范圍內已經掀起了電動垂直起降飛行器研究熱潮，并不斷有讓人眼前一亮的新產品問世，但用于城市空中交通的電動垂直起降飛行器仍然面臨諸多問題與挑戰[12]。

2.1 運行軟硬件設施

2.1.1 硬件設施。城市設計初期，基本沒有考慮空中交通網絡的概念。在硬件設備比較完善的城市（例如，東京），雖然在城市設計和建造過程中考慮了空中交通網絡的概念，但對城市容量的設計及其設計理念等遠不能滿足未來城市對空中交通網絡的需求[13]。城市設計者和管理者當下急需解決的問題是如何合理地改良或設計新建城市的硬件設施。

2.1.2 軟件設施。城市空中交通網絡的設計與構建是在空中建立公共通道并為其設計和匹配恰當的管理系統[14]。新一代的通信導航監視網絡能實時提供大容量、高速率、低延時和精確的數據傳輸，確保在城市低空區域運行的各類飛行器能安全高效飛行[15]。以此為基礎，設計并建立城市空中交通管理系統，并妥善解決該系統與現有空中交通管理系統和城市飛行器管理系統之間的邊界定義、融合策略、管理方法和程序等問題。另外，進行必要的測試，并驗證各信息系統的安全冗余、全系統的安全冗余和系統性能下降、系統故障后的應急措施等。

2.2 全球性標準體系

未來城市空中交通的正常運行與無人空中交通管理系統、無人駕駛飛行器等許多無人概念緊密相關，世界上仍然沒有統一、清晰的標準和規章體系[16]。為了應對這種窘境，我們必須與國際組織、地區、國家標準制定體合作，引入新的管理方法和管理模式，并努力通過新的手段和方式來加速和適應新環境下的要求和發展。由于缺乏全球統一的指導文件作為藍本，各國都希望在全球標準制定中發揮領導作用，從而導致了“各為其政”的現象。這對未來的全球統一和一體化運行帶來了一些問題和挑戰。

2.3 市場和商業運行模式

城市空中交通是未來的一個新興產業，當前沒有用來參考和借鑒的先例。在商業模式的開發中，Uber和空客目前是處于最前沿的。單單就Uber來講，由于其地面交通運行商業模式的成功運行，通過對其地面交通運行模式的深入研究，開發出其未來的城市空中交通商業模式。這種演化的商業模式在后期運行中具有一定實際意義，但如果沒有足夠的初期運能，這種商業模式則很難實現，并且需要定期過渡，這就需要探索其他商業模式。而未來城市空中交通的發展究竟適合哪種商業模式，還有待進一步研究和實踐[17]。

航空產業運行初期，對資金需求度很高。當商業模式不確定且市場成熟度不夠時，創業公司就會被輕易拖垮，行業先行者需要在產業發展初期投入大量資金開發市場，并探索合適的商業模式。對于有相對穩定資金狀況的傳統航空企業或類似Uber這種擁有多條產品線的企業而言，資金壓力可能較小，多條產品線可以分攤前期運營和維護的風險。

2.4 社會和公眾影響

人們對新事物的接納度以及人與機器之間的信賴度需要在長期磨合中逐步建立。社會能否接受自主化的機器文明？我們到底能對機器有多堅實的信賴？這些問題一直沒有答案。這對今后城市空中交通運行的發展和落實也會產生較大影響。

3 未來展望

基于電動垂直起降飛行器的未來城市空中交通已成為美國、歐盟等國家航空運輸發展的重要方向，國外的重視和支持力度空前。我國也應繼續保持研發投入與科技創新，政府要穩定投資，用于先進技術研發，同時對新興初創公司或系統提供技術支持;要持續探索先進技術在飛行平臺上的應用，通過演示驗證進一步提高技術成熟度。更重要的是，要快速推進空中交通管理系統開發與運營規則制定工作，為打造未來城市空中立體交通提供良好的發展環境。一旦未來城市立體交通生態建設成功，人類的出行方式也將正式跨入“飛行時代”。

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