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“打飞的”要照进现实了？

发布时间：2022-12-19 19:20 来源：中国工程院院刊

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《第五元素》

电动空中出租车是新兴电动垂直起降（eVTOL）飞行器产业发展的重要方向。不同于直升机，eVTOL飞行器通过利用更多小型发动机旋翼，实现减重目的；升空后，部分或全部旋翼会向前倾斜，转变为飞机的节能巡航模式，此时，飞行器的机翼提供了大部分升力。eVTOL飞行器可用于运送在城镇与机场间、市区内或相邻城市间往返的乘客，或者用来运送货物。

中国工程院院刊《Engineering》2022年第6期刊发《电动空中出租车引发热议》一文，报道了eVTOL飞行器的研发现状和应用前景，介绍了eVTOL飞行器在电池、续航里程、安全、市场开拓等方面的进展。文章指出，近年来，eVTOL飞行器产业的各种大型投资和伙伴关系不断涌现，拥有较好的发展前景，预计在2024年可以完成安全规格认证，实现飞行器载人飞行。

对新兴电动垂直起降（eVTOL）飞行器产业而言，2021年具有里程碑意义，这一年各种大型投资以及伙伴关系不断涌现。几个eVTOL飞行器开发商雄心勃勃——可以说是极度乐观——他们希望最早在2024年就完成安全规格认证，实现飞行器载人。

2021年，4个eVTOL飞行器制造商接连上市，通过与特殊目的收购公司（SPAC）合作，共募集资金数十亿美元。这4家制造商分别为：总部在美国加利福尼亚的Archer Aviation 公司（帕洛阿尔托）、总部在英国布里斯托的Joby Aviation 公司（圣克鲁兹）与Vertical Aerospace公司，以及总部在德国慕尼黑的Lilium Air Mobility公司。

eVTOL飞行器制造商已经和几条主要航空公司达成合作。2021年2月，美国联合航空公司（United Airlines）宣布与Archer Aviation 公司一起研发飞行器，并表示一旦飞行器可以运行且达到标准，将购置200架飞行器。2021年6月，美国航空公司宣称若Vertical Aerospace公司取得特定成果，将向其投资2500万美元，并提前预订250架以上飞行器（即潜在承诺支付其10亿美元）。该公司声明当前预订量已经达到1350架，价值高达54亿美元。Lilium Air Mobility公司于2021年8月宣布与巴西蔚蓝航空公司（Brazilian airline Azul）达成了一份10亿美元的潜在协议，而2022年2月Joby Aviation 公司宣布与日本全日空航空公司（ANA）达成合作。

另外，2022年1月波音公司宣布为Wisk Aero公司投资4.5亿美元。Wisk Aero公司位于美国加利福尼亚山景城，是波音公司与小鹰航空公司（Kitty Hawk Corporation，美国加利福尼亚帕洛阿尔托）共同创办的合资公司；也是除中国广东广州的亿航智能公司（EHang）外，少数选择制造空中无人驾驶出租车的eVTOL制造商。

一般来说，小机翼飞行器的垂直升降方式与直升机类似，而其中eVTOL飞行器通过利用更多小型发动机旋翼，实现减重目的。升空后，部分或全部旋翼会向前倾斜，转变为飞机的节能巡航模式，此时，飞行器的机翼提供了大部分升力。研发人员计划利用此类飞行器运送在城镇与机场间、市区内或相邻城市间往返的乘客，或者用来运送货物。

大规模交易与合作需要相应的市场以及相关地面基础设施支撑。投资银行摩根士丹利（Morgan Stanley）预测，到2040年，城市空中交通市场中飞行器规模将达1万亿美元，2050年将达9万亿美元。除了经济利益，电动飞行器的研发还推动航天产业寻找减排办法，这将积极助力缓解气候变化。

由于上述原因，世界各地设计的不同种类的eVTOL飞行器的数量前所未有。由垂直飞行协会[Vertical Flight Society， VES；前身是美国直升机协会（American Helicopter Society），总部位于美国弗吉尼亚州费尔法克斯]推出的世界eVTOL飞行器名录中，截至2022年1月共收录了600余种设计，仅2021年就新收录了200余种。

Pat Anderson说：“这是继第二次世界大战以及喷气式发动机发明以来，航空领域最令人激动的时刻。这就像特技飞行的黄金时代。”Pat Anderson是一位航空航天工程专业教授，兼任美国佛罗里达州代托纳比奇恩布里·里德尔航空大学鹰飞行研究中心（Eagle Flight Research Center at Embry-Riddle Aeronautical University）主任。

当前设计中的差异范围较大，例如，Archer Aviation 公司推出的与真机相似度达80%的两座式演示样机（图1）Maker，有12个水平旋翼，分别位于主翼前后两侧；前侧旋翼可前倾，负责在飞机升空后，为其提供向前的动力。该公司计划于2023年制作大量可配驾驶员的4座式飞行器，而Lilium Air Mobility公司的喷气式（Jet）飞行器则相反，该机型配有36个涵道电驱动螺旋桨，其中12个置于前翼，24个横跨机翼（图2）。不过该公司下一代机型的螺旋桨数量更少（30个），动力更强（图2）。涵道中螺旋桨转动，使得飞行器能垂直起飞，并为其提供向前的推力。

图1. （a）Archer Aviation公司的Maker飞行器，是一种与真机相似度达80%的样机，图中正在进行悬停实验。其主翼前侧的6个旋翼在飞行器转为水平飞行模式时能够前倾，作为推进器提供高能效的向前推力。来源：Archer Aviation（公有领域）。（b）与之设计相似的Vertical Aerospace公司的 VA-X4将于2022年进行第一次试飞。来源：Vertical Aerospace（公有领域）。

图2. （a）从后方拍摄的全比例7座式Lilium Jet飞行器，拍摄地点位于Lilium Air Mobility公司在德国慕尼黑的总部，该飞行器内嵌分布式推进控制系统，且无机尾。（b）2021年，Lilium Air Mobility公司的技术样机在德国进行飞行测试，凭借36个纵向排列的涵道电动螺旋桨，飞行器得以在空中悬停。来源：Lilium（公有领域）。

美国马里兰大学（位于美国马里兰州）工程学院副教授、VFS的eVTOL技术委员会主席Anubhav Datta说道，当前电池技术发展水平——部分归功于电动汽车行业——已经可以为飞行器提供动力，但其有效载荷和航程非常有限。对于汽车电池的依赖会继续限制这项技术的发展，Datta称：“你不能把为汽车制造的电池直接拿来给飞机用。尤其是对于eVTOL来说，发电装置必须和飞行器一同进行设计，而不能相互割裂。我们距离最佳成果还有很长一段距离。”

虽然电池的质量并不是限制电动地面交通工具的主要因素，但是对航空工具而言，质量至关重要。主要任务是将尽量多的能源装进质量尽量小的电池结构中——以实现特定能源的最大化利用——以便将足够能量供给飞行器旋翼。全电池供能的eVTOL飞行器市场能否起飞，取决于能否有更轻型的电池。Anderson说：“而这一点需要重大科学发现。”Anderson还是VerdeGo Aero公司（美国佛罗里达州代托纳比奇）的联合创始人和首席技术官，该公司负责为新一代飞行器提供混合动力电力推进技术。

确实，“里程焦虑”是早期电车车主的主要担忧，现在则成为了eVTOL飞行器工程师要考虑的一个重要因素。Archer Aviation 公司的Maker飞行器可搭载一名飞行员以及4名乘客，该公司声称该飞行器能以241 km∙h-1的速度行驶97 km（巡航模式）。与7座式Lilium Jet飞行器相比，该机型承诺能以282 km∙h-1的速度行驶250 km。

2021年7月，Joby Aviation公司公布了一份等比例样机的测试数据细节，该飞行器仅凭一节电池供电就飞行了248 km，其中还包括垂直起降等，以及无乘客时的远程操控等环节。有了这样的成果，该公司的主要创始人兼首要执行官JoeBen Bevirt稍许夸张地宣称：“许多人认为当今的电池技术不可实现的成就，我们成功实现了。通过这次机会，我们已经迈出了第一步，实现了旧金山和太浩湖、休斯顿和奥斯汀、洛杉矶和圣地亚哥之间的便捷，让零排放的空中旅行成为日常现实。”

此类飞行器要实现商业载人，需要满足一定的安全规则，而现如今未有一架飞行器完全通过检验。Anderson表示，考虑到要满足监管机构的要求，里程数就是一大问题。例如，美国联邦航空管理局（FAA）要求，在白天目视飞行规则下，配备充足燃料的飞行器需要有30 min的日间备用飞行能源，以及45 min的夜间（或仅借助仪器飞行）备用飞行能源。若eVTOL飞行器制造商同样受到这种规则的束缚，其电池存储的大部分能源将只能用于预防紧急情况。这将大大削减飞行器的实际飞行里程。Anderson说：“对于这种严苛规定的修改，FAA非常谨慎。如果商业飞机的备用能源本可以满足45 min的飞行时间，但是FAA被成功说服，从而将备用能源使用时间缩减到仅剩5 min，你真的愿意乘坐这种飞机吗？”

Datta认为，像FAA这类监管机构可以促进这一新兴产业的成长，但eVTOL飞行器制造商需要证明其飞行器安全性。Datta说：“当前并未有针对电动飞行器的法规，因此需要制定新的法规。样机运行测试的次数越多，我们就越能在规则制定方面更快达成一致。”

规格认证要求对此类飞行器的商业飞行进行规范，而认证流程可能因地域不同会有所差别。在美国，eVTOL飞行器可按照现存的FAA标准进行认证，而其他方面，如分布式推进器、电传飞行控制系统、噪声标准，则需要各监管机构通力合作。而欧洲航空安全局（European Union Aviation Safety Agency， EASA）审查了“处于不同发展阶段的150多个VTOL项目配置”，从而开发出一整套专用于eVTOL种类的飞行器技术规格，该规格种类被命名为“特殊种类”。

EASA也尽力寻求与FAA标准第23部分“大体保持一致”，该部分涉及小型飞行器的适航性。采用多个发动机反而很安全，因为其中可动结构较少，再加上许多独立控制旋翼上的分布式推进器。这一点可能有助于通过认证流程。发动机无需太多维护，而且在一个发动机失效的情况下，发动机数量越多，可用冗余也越多。最后，这种正在开发的无人驾驶电动飞行器，无疑还会面临更多的审查，因此距离实现商业应用还有很长一段路要走。不过中国民用航空局（Chinese Aviation Administration）已经于2022年2月正式采纳并发布“特殊条款”（ Special Conditions），亿航智能公司声明该条款将为两座式的EH216-S自动飞行器提供规格验证的基础。

Archer Aviation 公司预计，到2024年其飞行器均可以完成规格认证，并将在美国多个城市间运输客户。Lilium Air Mobility公司同样将其商业产品的发布定在2024年。但由于目前eVTOL飞行器的新式设计越来越多，难以对这些飞行器进行快速的规格认证。Anderson表示：“由于对于此类仅由电池供电的eVTOL飞行器而言，上述设定的目标时间非常不现实，因此至少要到2030年才能见到成果。”

Datta表示，将eVTOL飞行器规格认证完成日期设定如此之近，可能还有其他目的：“除了加速脱碳，可能还迫使监管机构迅速采取行动，帮助投资者树立信心。”

当然，投资方信心高涨，甚至有些不合理。航空行业分析师Richard Aboulafia于2021年3月在航空周（Aviation Week）广播频道6说道：“目前市场还未实现正常运行，但是已经有数十亿资金流入，这将导致泡沫的出现。”

eVTOL飞行器制造商要想开拓一个成功的市场，就要确保产品不仅符合监管验收，还要确保公众能够接受。eVTOL飞行器要想融入城市生活，其发展应循序渐进。英国索尔福德大学声学研究中心（University of Salford Acoustics Research Centre）教授、美国国家航空航天局领导的城市空气流动噪声工作组（Urban Air Mobility Noise Working Group）成员Antonio Torija-Martinez说：“这种新型交通工具虽然可以带来经济、社会及环境效益，但是可能会给沿途的社区带来噪声问题。”

虽然发动机固有结构产生的噪声比内燃机更小，但其基本构造通过旋翼驱动空气，意味着噪声是不可避免的。发动机产生的噪声在整体噪声中的占比并不确定，但制造商却急切地想告知人们，他们制造的飞机不会过度打扰人们的生活。Lilium Air Mobility公司宣称，当他们制造的飞行器盘旋在距离地面100 m的高空时，产生的噪声大概在60 dB，相当于在一米外正常对话的音量。

Archer Aviation 公司则表示，他们的飞行器在600 m高空巡航时对地面产生的噪声为45 dB，相当于冰箱的嗡嗡声。Torija-Martinez说：“eVTOL飞行器比传统直升机体积更小、扇叶数量更多，会产生高频噪声，更惹人厌烦。大气吸收可以有效减弱噪声，但对于沿途社区中产生的高频噪声问题，需要可验证的实验数据。”

虽然eVTOL飞行器制造商引起了大量媒体关注，但并不是只有他们着眼于电动空中旅行业务。例如，美国联合航空公司于2021年7月宣布了一项交易，即从瑞典哥德堡的Heart Aerospace公司购买100架符合特定标准的19座式电动飞机。该公司计划于2026年将上述飞机投入运行。而Kadima公司以及总部位于以色列的Eviation Aircraft公司将为一架名为Alice的9座式全电动推进式飞机进行测试。

另外，最先进的飞行器要数由Rolls-Royce公司制造的全电动“创新精神”（Spirit of Innovation）号飞行器。该公司总部位于英国古德伍德，部分资金由英国政府支持的“加速飞行电气化（Accelerating the Electrification of Flight， ACCEL）项目”提供。在2021年11月，该飞机打破了两项空中速度世界纪录，3 km速度为556 km∙h-1（之前的纪录是213 km∙h-1），15 km速度为532 km∙h-1，最高速度可达623 km∙h-1，成为世界速度最快的纯电动载具。