步入現實的未來空中交通

邱宸宇

科幻電影中，穿梭于未來城市樓宇間的三維交通往往令人印象深刻。近年來，隨著電氣化、自動化、垂直起降等新技術的不斷發展，新型飛行器正在從設計師的腦海走向現實。

新型飛行器能夠以垂直方式起降，可以以100km/h的速度在城市內穿梭，以300km/h的速度在城市間運行。設想一下，如果你需要從上海陸家嘴到浦東國際機場，兩地間的直線距離為30km，乘坐地鐵需要1小時，駕車需要50分鐘，而使用空中交通則僅需20分鐘。如果此時你需要從上海陸家嘴到杭州市上城區，直線距離170公里，駕車或者公共交通均需約2.5小時，而使用空中交通則僅需45分鐘。新型飛行器一樣可以應用于貨物運輸，例如在不同醫院、不同城市之間調配關鍵儀器、緊急藥品等，能夠大幅減少運輸時間。并且，新型飛行器的起降較少受場地約束，這使得農村、偏遠地區的快速運輸成為可能。

這些基于新型飛行器的應用統稱為“未來空中交通”（Advanced Air Mobility， AAM）。未來空中交通不僅包括上述應用場景，根據美國國家航空航天局（NASA）的定義，未來空中交通包括客貨運及其他航空作業任務，例如航空巡視、航空搜救，也包括半徑在50km范圍內的城市內或農村內航空作業任務，遠至幾百公里的不同城市之間、不同農村之間，或城市與農村之間的航空作業任務。新型飛行器可以由鋰電池、氫氧燃料電池或油電混動提供動力，采用垂直、短距或常規方式進行起降。新型飛行器擁有多旋翼、固定翼+傾轉旋翼、固定翼+多旋翼+推進螺旋槳等多種構型，能采用有人或無人的駕駛方式。

新型飛行器技術特點

電氣化是新型飛行器的重要技術特點。與使用傳統能源（例如航空煤油、航空汽油）的飛行器相比，使用鋰電池的新型飛行器在運行過程中將產生更少的溫室氣體。例如噴氣客機每客公里產生二氧化碳189g，傳統能源汽車產生142g，新能源汽車產生31g，而Lilium的電動垂直起降飛行器只產生13g。電能的使用還使飛行器運行成本大幅下降。例如Lilium的電動垂直起降飛行器的運行成本僅為傳統飛行器的一半。

分布式電推進技術是新型飛行器的另一重要技術特點。使用分布式電推進的原因是電動發動機功率有限，單臺電動發動機無法提供與傳統燃油航空發動機一樣的輸出功率，所以新型飛行器需要使用多臺電動發動機。每臺電動發動機直接驅動螺旋槳工作，分布式電推進由此產生。

飛行器運行過程中的噪聲主要來自螺旋槳，一般而言，螺旋槳直徑越大，槳葉葉尖速度越高，噪聲越大。與傳統直升機相比，新型飛行器擁有更多的螺旋槳，每個螺旋槳直徑較小，即使螺旋槳轉速相對較高，槳葉葉尖速度依然較低，因而噪聲較小。例如Joby Aviation S4樣機擁有6個螺旋槳，每個槳葉直徑約為2.9米，而傳統直升機R44主螺旋槳直徑達到了約10米;Joby Aviation S4起飛時100米處的噪聲為65分貝，巡航在100米上方時噪聲為40分貝。相比之下，人們日常對話時的聲音約為50分貝，交通密集的公路上的噪聲約為70分貝，傳統直升機在100米上方運行時的噪聲高達93分貝。也就是說，當新型飛行器飛過頭頂時，人們基本聽不到它的噪聲。此外，擁有更多的發動機使得飛行更加安全。新型飛行器擁有6至36個電動發動機，而傳統直升機的發動機只有1至2個，因此單臺發動機故障時對新型飛行器的飛行安全影響更小。

未來空中交通生態體系

單一的新型飛行器不足以使未來空中交通走進現實，只有當未來空中交通的整個生態體系都完善以后，新型飛行器才可能投入商業運營。未來空中交通的生態體系可以分為以下四部分：飛行器制造商、飛行器運營商、空中交通管理部門和垂直起降機場。

對于飛行器制造商而言，雖然新技術正日益成熟，但依舊有很多技術難點需要解決。其中之一是提升電池能量密度。現階段航空用鋰電池的能量密度只有約0.33kWh/Kg，遠遠小于航空燃油的11kWh/Kg，這就決定了目前純電新型飛行器航程有限，一般不超過400千米。使用分布式電推進技術也需要開發新的飛行控制程序。此外，確保飛行器的安全性也將是一個很大的考驗。政府的航空主管部門對新型飛行器的安全性提出了嚴格的要求，例如歐洲航空安全局（EASA）提出新型飛行器需要達到與大型商用客機相同的安全性。

對于飛行器運營商而言，雖然新型飛行器運行成本低，但其初始購置費用昂貴，一架新型飛行器的目錄價格可能超過200萬美元。初始階段的人員培訓、市場推廣等費用，以及市場的不確定因素等都需要由飛行器運營商承擔。

新型飛行器對空中交通管理部門將會是一個巨大的挑戰。將來，人們可以像打的一樣使用未來空中交通，這就使得未來空中交通的航線與傳統的航線大不相同。對于通用航空而言，傳統的航線計劃一般需要提前一天申報，而未來空中交通的航線計劃可能是臨時產生，且會在飛行途中變更。無人自動駕駛飛行器也是未來空中交通的重要組成部分，因此空中交通管理部門需要考慮地面-無人自動駕駛飛行器、有人-無人自動駕駛飛行器、無人-無人自動駕駛飛行器之間的空中交通管理問題。

機場是未來空中交通生態體系中重要的因素之一。垂直起降機場的建造是一筆巨大的投資，因而不僅需要考慮機場服務于未來空中交通生態體系的功能，還需要考慮其自身的商業效益。與此同時，垂直起降機場的起降航線需要詳細規劃，在市中心的垂直起降機場的起降航線需要避開高樓及密集人群，在大型機場周邊的垂直起降機場則需要考慮其起降航線對現有商業運輸航線的影響。

國內外行業發展現狀

目前，未來空中交通在全球迅速發展。美國聯邦航空管理局（FAA）、歐洲航空安全局、中國民航局都為新型飛行器補充了專用的適航審定文件。韓國、日本則制定了國家層面的未來空中交通產業政策。

空客、波音和巴航工業等傳統航空巨頭正在使用自有資金參與此領域的競爭，而此領域的初創企業已超過40家。排名前10的電動垂直起降飛行器制造商，包括Joby Aviation、Lilium、Bell和Volocopter，已獲得超過50億美元的投資，并公布了要在2024年之前完成飛行器適航審定的進度表。國內方面，億航、小鵬匯天、峰飛科技均推出了全尺寸樣機，并且中國民航局已經開始受理億航和峰飛科技的適航審定申請。

飛行器運營商同樣在準備進入此領域。美國航空宣布訂購至多250架電動垂直起降飛行器，該訂單交易額可達10億美元。美國貨運巨頭UPS正在訂購貨運型號的電動垂直起降飛行器。國內貨運巨頭順豐與Pipistrel公司合作研發無人混動垂直起降飛行器，順豐預計在未來10年內將運營超過1000架無人垂直起降飛行器。

相信在不久的將來，未來空中交通定會走進我們的生活。（本文圖片由作者提供）