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全民“打飛的”時代真的要到來了麼?


全民“打飛的”時代真的要到來了麼? 1

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  文/何培文

  來源:2030出行研究室(ID:PHD2030MRL)

  2019年似乎是“空中的士”嶄露頭角的一年,人們開始重新討論起關於“飛行汽車”話題,越來越多的傳統飛機製造商和初創公司都開始加入研發“飛行汽車”的行列,大量資本的注入也讓這個原本平靜的市場暗流湧動,隨著各種概念圖和原型機的發布,我們不禁猜想,全民“打飛的”時代真的要到來了麼?

  城市的道路建設似乎永遠趕不上城市的發展,生活在如紐約,舊金山,東京和北京這樣人口稠密的大城市,人們被迫每天忍受著上下班高峰期擁堵的道路。數據顯示, 2018年僅在舊金山地區因為交通堵塞,全年人均損失近116個小時;而在巴黎,這個數字更是來到了237個小時。 [1]

擁堵的城市道路擁堵的城市道路

公共軌道交通是一種有效解決城市擁堵的方法,然而軌道交通的發展受制於城市規劃、地質條件,以及歷史文化等諸多因素影響,而且高昂的建造和維護成本也在一定程度上阻礙了軌道交通的發展。於是人們的目光開始由陸地轉移到了空中——

  垂直起降飛行載具(Vertical Take-off and Landing Vehicle, VTOL),或者“空中的士”,似乎成了另一種有效的解決方案。

  對於城市內點對點運輸,提到垂直起降飛機,人們第一個想到的肯定是直升機。而Uber也已在今年7月推出Uber Copter約“飛的”服務,利用直升機將乘客從紐約曼哈頓下城區送到肯尼迪機場只需8分鐘,而在高峰期,這段路程開車可能需要2個小時。而相應的,每位乘客也將為此付出約200美元的票價。同時,由於直升機巨大的噪音,較低的燃油效率,污染以及高昂的運輸成本,也很難使其作為公共交通工具大規模使用。

Uber Copter網約飛機Uber Copter網約飛機

於是,近兩年,我們看到越來越多的公司開始了自家垂直起降飛機的研發,其中不乏像波音、空客、貝爾這樣的傳統飛機製造商,也包括像Joby Aviation、Volocopter、億航這樣的初創公司。相較於傳統直升飛機,我們可以看到現階段的垂直起降飛機的設計可以說是各具特色,從旋翼的大小、位置、到推進方式等都有所不同。今天我們就結合Uber早前發表的「未來城市空中交通白皮書」[2]來聊一聊作為城市公共交通的垂直起降飛機的展望和技術挑戰。

空客CityAirbus空客CityAirbus
Joby Aviation S2Joby Aviation S2
億航184億航184

  一、城市垂直起降飛機網絡的展望

首先,相較於傳統地面交通需要鋪設長距離的道路、軌道、架設橋樑或開通隧道,垂直起降飛機可以利用現有的直升機停機坪、大型停車場頂樓,甚至高速路旁的空地作為其停靠站點,從而大大節省了前期基礎建設的成本。

其次,地面交通受限於道路建設,一次普通的交通事故或者路面施工就可能會造成大面積的交通擁堵,而垂直起降飛機擺脫了地面二維空間的束縛,因此路線規劃可以更加靈活,不太會因為突發情況造成延遲。

  所以,城市垂直起降飛機網絡的建設便有了它存在的意義。其之後的發展,按照Uber白皮書的規劃,第一步先利用現有的直升機停機坪等基建設施作為初始飛機停靠點,從而減少飛機網絡的前期建設投入,再利用傳統地面交通完成“最後一英里”的運送。第二步,隨著量產飛機數量的提高,乘客的增多,停靠站點以及運營模式的不斷完善,乘客乘坐“空中的士”的成本將不斷降低,“打飛的”的費用將不會是阻礙人們選擇乘坐“空中的士”的原因。最後,隨著自動駕駛技術的發展,“空中的士”也將逐漸從需要駕駛員操控過度到無人駕駛,乘客的出行也將變得更加簡單靈活,也許到那時,打個“飛的”就會像現在叫網約車一樣輕鬆隨意。

Uber Air 空中的士[3]Uber Air 空中的士[3]

  說了這麼多美好的願景,下面我們要聊聊造飛機和建設空中交通網絡的技術和政策壁壘,以及可行的解決方案。

  二、技術、政策壁壘和解決方案

  1.安全性

  如果想讓大眾廣泛接受“空中的士”,足夠高的安全性是前提條件。目前美國聯邦航空管理局(Federal Aviation Administration,FAA)規定的直升機和固定翼飛機的安全標準為每1億乘客英里(passenger miles)事故死亡人數低於1.2人。這個安全標准其實並沒有比開車出行高。因此想要大規模建設商用空中網絡,作為載具的飛機一定要比直升機安全很多,也要比地面交通安全性更高。現階段的目標是將“空中的士”的設計安全性提高為直升飛機的4倍,也就是“低於0.3個死亡人數每1億乘客里程”。

“飛行車”試飛事故[4]“飛行車”試飛事故[4]

  據統計[5],大部分飛行事故是由於駕駛員錯誤操作、惡劣天氣和空中管制未能提供實時監控造成的。基於這幾點,更先進的輔助駕駛系統或者全自動駕駛可以有效地降低人為失誤造成的事故。

  機械故障是另一個造成飛機失事的重要原因,面對這個問題,分佈式電動推進(Distributed Electric Propulsion,DEP)系統,也就是獨立多旋翼設計是一個很好的解決方案。使用多組獨立螺旋槳配合先進的控制系統驅動飛機,可以大大提高飛機的安全性和可操控性。遇到單個甚至多個動力單元失靈的情況,控制系統可以通過改變其他螺旋槳的角度以及轉速來平衡飛機,使飛機不至於完全失去動力。同時分佈且獨立的動力系統可以為飛機帶來更靈活的操控體驗,更加適合在城市地區使用。

  另外,和傳統飛機一樣,新的垂直起降飛機也會設計有全套的備用系統,保證在發生單一系統故障的時候飛機還可以正常運行。基於這些設計,未來的垂直起降飛機的可靠性將大大提高,有望實現兩倍於現有地面交通的安全性。

  2.噪音

  噪音在垂直起降飛機設計中似乎是一個容易被輕視卻極其重要的問題。沒有人願意忍受每天幾百架飛機在頭頂上轟鳴,因此,要想實現大規模商用,每一架“空中的士”都要做到足夠的安靜。

  把噪聲降低到現有地面交通噪聲的級別是垂直起降飛機的設計目標也是設計難點。 Uber提出的目標是一架飛行在250英尺(76米)空中的飛機,其地面測量噪聲應低於67分貝,這相當於7米遠外一輛豐田普銳斯以35英里每小時(56公里每小時)行駛時的噪聲,而早期的分析和模型數據認為這個目標可以實現。

  同時,因為要在城市中起降,起降時的噪音控制又是一個重要的設計要求,飛機螺旋槳的設計、載重量、起降持續時間等等都是影響起降噪音的因素。另外,停靠站點的選擇也直接決定了飛機起降噪聲對周圍環境的影響。而這些標準也正在建立和完善中。

  那如何降低飛機的噪聲呢?這裡就不得不再次提到之前說的分佈式電動推進系統。我們知道傳統直升飛機在飛行時會發出巨大的噪音,這個噪聲產生因素有很多,簡單來說,其多半來源於飛機螺旋槳劃過空氣產生的噪音。在一定轉速下,螺旋槳越大,其葉尖的線速度就越大,而不巧的是,槳葉產生的噪音和這個葉尖速度成指數關係(同時取決於槳葉形狀),如果能將葉尖的線速度降低三分之一,其噪聲可以減少24倍!而多槳葉的設計可以在保證足夠動力的前提下,大大減小每一片槳葉的長度和葉尖線速度,從而極大地降低了每隻螺旋槳發出的噪音,而多個螺旋槳產生的總噪音可以粗略的理解為每個螺旋槳的噪聲線性疊加,依舊遠遠低於單螺旋槳產生的噪音。

Joby S4 旋翼空氣動力學仿真[6]Joby S4 旋翼空氣動力學仿真[6]

  對於傳統直升飛機,另一個重要的噪聲源便是發動機,其發出的噪聲和它的螺旋槳噪聲相當。相比之下,同功率的電動機其噪聲可以忽略不計。而且電動機結構相對簡單,重量也輕,因此每隻螺旋槳可以配備一個獨立電機,從而省去了複雜的傳動系統,提高了可靠性,也極大的減輕了飛機的重量,增加了飛機的續航。再加上之前提到的安全性,這也就是為什麼現在所有公開的垂直起降飛機都無一例外的選擇了電動加多旋翼的設計。而經過優化設計的螺旋槳也確實可以有效降低飛行噪音。

  3.電池和飛行效能

  既然飛機要使用電力驅動,就不得不使用電池。而即便是當今最好的鋰離子電池,其能量密度也遠遠低於化石燃料。因此,在有限的電力下,更高的飛機性能和飛行效率意味著更長的運行時間和更多的經濟效益。純旋翼飛機,像億航的184和Volocopter的Air Taxi,這種設計可以實現較高的起降效率,但水平飛行時的效率不高,因此更適合於低速、短途的航線。

Volocopter的Air TaxiVolocopter的Air Taxi

而像Joby S2和Vahana的A3這種旋翼加固定翼的設計,通過改變旋翼的朝向實現垂直起降到水平飛行的過度,當飛機處於水平飛行時,固定翼提供的升力可以有效的提高飛機的飛行效率。從而可以飛得更快、更遠。當然代價是更複雜的機身設計和相應的重量增加。這種設計的“空中的士”可達到每小時150-200英里(240-320公里)的巡航速度(部分受制於FAA的速度限制)和200英里(320公里)左右的航程,有望實現城市間的交通運輸。

Vahana的A3Vahana的A3

  目前來看,電池能量密度還是一定程度上限制著“空中的士”的發展,同時電池成本也幾乎占到飛機製造成本的一半。不過隨著各個廠家加大對於電池研發的投入和快充技術的發展,這種情況有望得到緩解。

  4.有效載荷,自動駕駛和空管系統

  有效載荷直接關乎到“空中的士”的經濟效益,有效載荷越高,可搭載乘客的數量就越多。在“空中的士”運營初期,拼車(或者說拼飛機更合適一點)模式應該是主要運行方式,因此每次搭載的乘客數量越多,均攤成本就越低,也就更能吸引消費者乘坐。按現有模型分析,對於城市內運營的“空中的士”,可搭載2-4名乘客(包括駕駛員)的飛機設計最為有效。擁有更高載荷的飛機可以搭載更多乘客,但這也意味著更大的起飛重量和更大的噪音——這也是各個飛機製造商需要權衡的因素。

  自動駕駛可以移除對駕駛員的依賴,進一步提高安全性,也間接增加了可搭載乘客的數量,因此自動駕駛技術的發展對於“空中的士”來說更具吸引力。而相較於地面交通,“空中的士”飛行在較為簡單和空曠的區域,因此自動駕駛技術也相應的更容易實現一些。同時針對於垂直起降飛機的自動駕駛標準也需要開始建立。

  對於空中交通網絡,如何有效的管理每天在城市上空飛行的數百架“空中的士”也是一項挑戰。完善高效的空管系統是關鍵,同時還要保證飛行控制和數據的足夠安全。

  5.認證

  雖然放在最後,但獲得各國航空管理局認證可能是“空中的士”實現商業化最難翻過的一座山,也是最不可預測一項因素。各個國家對於新型商用航天器認證的流程可能不同,但無一例外的嚴格。以美國聯邦航空管理局FAA為例,整個認證過程需要3-4年甚至更長時間,從原型機展示,到每一項軟件和硬件的設計參數,要求及測試方法都需要FAA審核並通過,獲得軟件和硬件認證、控制認證,還需要獲得對於飛機的型式認證(Type Certificate)(如幾座、幾旋翼等),之後生產認證(Production Certificate)(生產標準、型號等),同時還要獲得FAA的僅用於測試和研發的可飛行認證(Experimental Certification),最終經過漫長的審核和大量的測試獲得運行認證(Operation Certificate)。這期間每一次改動都會延長認證時間。而且對於電動垂直起降飛機這種新的空中載具來說,FAA還需要時間去建立新的標準。

  不過,好消息是飛機的認證過程是一步一步遞進的,也正好對應飛機研發的不同節點,因此,只要前期規劃合理,FAA認證不會過度耽誤飛機的研發過程。另外,從目前形勢來看,FAA也正在積極推動電動垂直起降飛機的認證工作,這也在一定程度上加速了“空中的士”商業化的進程。

  總結:

  說了這麼多,其實仍然沒有完全包含“空中的士”的所有內容,像停機坪的設計,如何充電,如何運營,乘坐體驗,贏利模式等都沒有提及。 “空中的士”仍然是一個很新的概念,飛機的設計需要在有效載荷、噪音、動力分配、安全性等等多方面因素中取得平衡,每家廠商的設計思路均有不同,且各有千秋。目前世界範圍內約有170家公司正在進行民用垂直起降飛機的設計[7],還有大量的原型機正在秘密的研發中。同時,如波音、貝爾、豐田等傳統飛機和汽車製造商也開始加入其中,大量資本的注入正在加速著“空中的士”,這個有望改變未來城市交通方式的概念,變為現實。

  也許全民“打飛的”的時代離我們真的不遠了,10年? 5年?或許就在明天。

  (作者簡介:何培文,馬里蘭大學電力電子工程博士畢業,現就職於Joby Aviation,從事電動載人垂直起降飛機供電系統的設計和研發。)

  參考資料:

  [1]http://inrix.com/scorecard/

[2]https://www.google.com/search?q=Fast-Forwarding+to+a+Future+of+On-Demand+Urban+Air+Transportation&rlz=1C1CHBF_enUS858US858&oq=Fast-Forwarding+to+a+Future +of+On-Demand+Urban+Air+Transportation&aqs=chrome..69i57j0l2.702j0j4&sourceid=chrome&ie=UTF-8

  [3]https://www.uber.com/us/en/elevate/uberair/

  [4]http://www.kathrynsreport.com/2018/12/detroit-flying-cars-wd-1-n112sd.html

  [5]https://www.ntsb.gov/investigations/data/Pages/AviationDataStats.aspx#

  [6]https://www.youtube.com/watch?v=LmyJBgKjo5M

  [7]https://www.rolandberger.com/en/Point-of-View/Electric-propulsion-is-finally-on-the-map.html

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