全民“打飞的”时代真的要到来了吗?

作者: admin 分类: 科技成果 发布时间: 2019-12-06 15:53
 

 
  文/何培文
  来源:2030出行研究室(ID:PHD2030MRL)
 

  2019年似乎是“空中的士”崭露头角的一年,人们开始重新讨论起关于“飞行汽车”话题,越来越多的传统飞机制造商和初创公司都开始加入研发“飞行汽车”的行列,大量资本的注入也让这个原本平静的市场暗流涌动,随着各种概念图和原型机的发布,我们不禁猜想,全民“打飞的”时代真的要到来了么?
  城市的道路建设似乎永远赶不上城市的发展,生活在如纽约,旧金山,东京和北京这样人口稠密的大城市,人们被迫每天忍受着上下班高峰期拥堵的道路。数据显示, 2018年仅在旧金山地区因为交通堵塞,全年人均损失近116个小时;而在巴黎,这个数字更是来到了237个小时。[1]
拥堵的城市道路  公共轨道交通是一种有效解决城市拥堵的方法,然而轨道交通的发展受制于城市规划、地质条件,以及历史文化等诸多因素影响,而且高昂的建造和维护成本也在一定程度上阻碍了轨道交通的发展。于是人们的目光开始由陆地转移到了空中——
  垂直起降飞行载具(Vertical Take-off and Landing Vehicle, VTOL),或者“空中的士”,似乎成了另一种有效的解决方案。
  对于城市内点对点运输,提到垂直起降飞机,人们第一个想到的肯定是直升机。而Uber也已在今年7月推出Uber Copter约“飞的”服务,利用直升机将乘客从纽约曼哈顿下城区送到肯尼迪机场只需8分钟,而在高峰期,这段路程开车可能需要2个小时。而相应的,每位乘客也将为此付出约200美元的票价。同时,由于直升机巨大的噪音,较低的燃油效率,污染以及高昂的运输成本,也很难使其作为公共交通工具大规模使用。
Uber Copter网约飞机  于是,近两年,我们看到越来越多的公司开始了自家垂直起降飞机的研发,其中不乏像波音、空客、贝尔这样的传统飞机制造商,也包括像Joby Aviation、Volocopter、亿航这样的初创公司。相较于传统直升飞机,我们可以看到现阶段的垂直起降飞机的设计可以说是各具特色,从旋翼的大小、位置、到推进方式等都有所不同。今天我们就结合Uber早前发表的「未来城市空中交通白皮书」[2]来聊一聊作为城市公共交通的垂直起降飞机的展望和技术挑战。
空客CityAirbusJoby Aviation S2亿航184  一、城市垂直起降飞机网络的展望
  首先,相较于传统地面交通需要铺设长距离的道路、轨道、架设桥梁或开通隧道,垂直起降飞机可以利用现有的直升机停机坪、大型停车场顶楼,甚至高速路旁的空地作为其停靠站点,从而大大节省了前期基础建设的成本。
  其次,地面交通受限于道路建设,一次普通的交通事故或者路面施工就可能会造成大面积的交通拥堵,而垂直起降飞机摆脱了地面二维空间的束缚,因此路线规划可以更加灵活,不太会因为突发情况造成延迟。
  所以,城市垂直起降飞机网络的建设便有了它存在的意义。其之后的发展,按照Uber白皮书的规划,第一步先利用现有的直升机停机坪等基建设施作为初始飞机停靠点,从而减少飞机网络的前期建设投入,再利用传统地面交通完成“最后一英里”的运送。第二步,随着量产飞机数量的提高,乘客的增多,停靠站点以及运营模式的不断完善,乘客乘坐“空中的士”的成本将不断降低,“打飞的”的费用将不会是阻碍人们选择乘坐“空中的士”的原因。最后,随着自动驾驶技术的发展,“空中的士”也将逐渐从需要驾驶员操控过度到无人驾驶,乘客的出行也将变得更加简单灵活,也许到那时,打个“飞的”就会像现在叫网约车一样轻松随意。
Uber Air 空中的士[3]  说了这么多美好的愿景,下面我们要聊聊造飞机和建设空中交通网络的技术和政策壁垒,以及可行的解决方案。
  二、技术、政策壁垒和解决方案
  1.安全性
  如果想让大众广泛接受“空中的士”,足够高的安全性是前提条件。目前美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration,FAA)规定的直升机和固定翼飞机的安全标准为每1亿乘客英里(passenger miles)事故死亡人数低于1.2人。这个安全标准其实并没有比开车出行高。因此想要大规模建设商用空中网络,作为载具的飞机一定要比直升机安全很多,也要比地面交通安全性更高。现阶段的目标是将“空中的士”的设计安全性提高为直升飞机的4倍,也就是“低于0.3个死亡人数每1亿乘客里程”。
“飞行车”试飞事故[4]  据统计[5],大部分飞行事故是由于驾驶员错误操作、恶劣天气和空中管制未能提供实时监控造成的。基于这几点,更先进的辅助驾驶系统或者全自动驾驶可以有效地降低人为失误造成的事故。
  机械故障是另一个造成飞机失事的重要原因,面对这个问题,分布式电动推进(Distributed Electric Propulsion,DEP)系统,也就是独立多旋翼设计是一个很好的解决方案。使用多组独立螺旋桨配合先进的控制系统驱动飞机,可以大大提高飞机的安全性和可操控性。遇到单个甚至多个动力单元失灵的情况,控制系统可以通过改变其他螺旋桨的角度以及转速来平衡飞机,使飞机不至于完全失去动力。同时分布且独立的动力系统可以为飞机带来更灵活的操控体验,更加适合在城市地区使用。
  另外,和传统飞机一样,新的垂直起降飞机也会设计有全套的备用系统,保证在发生单一系统故障的时候飞机还可以正常运行。基于这些设计,未来的垂直起降飞机的可靠性将大大提高,有望实现两倍于现有地面交通的安全性。
  2.噪音
  噪音在垂直起降飞机设计中似乎是一个容易被轻视却极其重要的问题。没有人愿意忍受每天几百架飞机在头顶上轰鸣,因此,要想实现大规模商用,每一架“空中的士”都要做到足够的安静。
  把噪声降低到现有地面交通噪声的级别是垂直起降飞机的设计目标也是设计难点。Uber提出的目标是一架飞行在250英尺(76米)空中的飞机,其地面测量噪声应低于67分贝,这相当于7米远外一辆丰田普锐斯以35英里每小时(56公里每小时)行驶时的噪声,而早期的分析和模型数据认为这个目标可以实现。
  同时,因为要在城市中起降,起降时的噪音控制又是一个重要的设计要求,飞机螺旋桨的设计、载重量、起降持续时间等等都是影响起降噪音的因素。另外,停靠站点的选择也直接决定了飞机起降噪声对周围环境的影响。而这些标准也正在建立和完善中。
  那如何降低飞机的噪声呢?这里就不得不再次提到之前说的分布式电动推进系统。我们知道传统直升飞机在飞行时会发出巨大的噪音,这个噪声产生因素有很多,简单来说,其多半来源于飞机螺旋桨划过空气产生的噪音。在一定转速下,螺旋桨越大,其叶尖的线速度就越大,而不巧的是,桨叶产生的噪音和这个叶尖速度成指数关系(同时取决于桨叶形状),如果能将叶尖的线速度降低三分之一,其噪声可以减少24倍!而多桨叶的设计可以在保证足够动力的前提下,大大减小每一片桨叶的长度和叶尖线速度,从而极大地降低了每只螺旋桨发出的噪音,而多个螺旋桨产生的总噪音可以粗略的理解为每个螺旋桨的噪声线性叠加,依旧远远低于单螺旋桨产生的噪音。
Joby S4 旋翼空气动力学仿真[6]  对于传统直升飞机,另一个重要的噪声源便是发动机,其发出的噪声和它的螺旋桨噪声相当。相比之下,同功率的电动机其噪声可以忽略不计。而且电动机结构相对简单,重量也轻,因此每只螺旋桨可以配备一个独立电机,从而省去了复杂的传动系统,提高了可靠性,也极大的减轻了飞机的重量,增加了飞机的续航。再加上之前提到的安全性,这也就是为什么现在所有公开的垂直起降飞机都无一例外的选择了电动加多旋翼的设计。而经过优化设计的螺旋桨也确实可以有效降低飞行噪音。
  3.电池和飞行效能
  既然飞机要使用电力驱动,就不得不使用电池。而即便是当今最好的锂离子电池,其能量密度也远远低于化石燃料。因此,在有限的电力下,更高的飞机性能和飞行效率意味着更长的运行时间和更多的经济效益。纯旋翼飞机,像亿航的184和Volocopter的Air Taxi,这种设计可以实现较高的起降效率,但水平飞行时的效率不高,因此更适合于低速、短途的航线。
Volocopter的Air Taxi  而像Joby S2和Vahana的A3这种旋翼加固定翼的设计,通过改变旋翼的朝向实现垂直起降到水平飞行的过度,当飞机处于水平飞行时,固定翼提供的升力可以有效的提高飞机的飞行效率。从而可以飞得更快、更远。当然代价是更复杂的机身设计和相应的重量增加。这种设计的“空中的士”可达到每小时150-200英里(240-320公里)的巡航速度(部分受制于FAA的速度限制)和200英里(320公里)左右的航程,有望实现城市间的交通运输。
Vahana的A3  目前来看,电池能量密度还是一定程度上限制着“空中的士”的发展,同时电池成本也几乎占到飞机制造成本的一半。不过随着各个厂家加大对于电池研发的投入和快充技术的发展,这种情况有望得到缓解。
  4.有效载荷,自动驾驶和空管系统
  有效载荷直接关乎到“空中的士”的经济效益,有效载荷越高,可搭载乘客的数量就越多。在“空中的士”运营初期,拼车(或者说拼飞机更合适一点)模式应该是主要运行方式,因此每次搭载的乘客数量越多,均摊成本就越低,也就更能吸引消费者乘坐。按现有模型分析,对于城市内运营的“空中的士”,可搭载2-4名乘客(包括驾驶员)的飞机设计最为有效。拥有更高载荷的飞机可以搭载更多乘客,但这也意味着更大的起飞重量和更大的噪音——这也是各个飞机制造商需要权衡的因素。
  自动驾驶可以移除对驾驶员的依赖,进一步提高安全性,也间接增加了可搭载乘客的数量,因此自动驾驶技术的发展对于“空中的士”来说更具吸引力。而相较于地面交通,“空中的士”飞行在较为简单和空旷的区域,因此自动驾驶技术也相应的更容易实现一些。同时针对于垂直起降飞机的自动驾驶标准也需要开始建立。
  对于空中交通网络,如何有效的管理每天在城市上空飞行的数百架“空中的士”也是一项挑战。完善高效的空管系统是关键,同时还要保证飞行控制和数据的足够安全。
  5.认证
  虽然放在最后,但获得各国航空管理局认证可能是“空中的士”实现商业化最难翻过的一座山,也是最不可预测一项因素。各个国家对于新型商用航天器认证的流程可能不同,但无一例外的严格。以美国联邦航空管理局FAA为例,整个认证过程需要3-4年甚至更长时间,从原型机展示,到每一项软件和硬件的设计参数,要求及测试方法都需要FAA审核并通过,获得软件和硬件认证、控制认证,还需要获得对于飞机的型式认证(Type Certificate)(如几座、几旋翼等),之后生产认证(Production Certificate)(生产标准、型号等),同时还要获得FAA的仅用于测试和研发的可飞行认证(Experimental Certification),最终经过漫长的审核和大量的测试获得运行认证(Operation Certificate)。这期间每一次改动都会延长认证时间。而且对于电动垂直起降飞机这种新的空中载具来说,FAA还需要时间去建立新的标准。
  不过,好消息是飞机的认证过程是一步一步递进的,也正好对应飞机研发的不同节点,因此,只要前期规划合理,FAA认证不会过度耽误飞机的研发过程。另外,从目前形势来看,FAA也正在积极推动电动垂直起降飞机的认证工作,这也在一定程度上加速了“空中的士”商业化的进程。
  总结:
  说了这么多,其实仍然没有完全包含“空中的士”的所有内容,像停机坪的设计,如何充电,如何运营,乘坐体验,赢利模式等都没有提及。“空中的士”仍然是一个很新的概念,飞机的设计需要在有效载荷、噪音、动力分配、安全性等等多方面因素中取得平衡,每家厂商的设计思路均有不同,且各有千秋。目前世界范围内约有170家公司正在进行民用垂直起降飞机的设计[7],还有大量的原型机正在秘密的研发中。同时,如波音、贝尔、丰田等传统飞机和汽车制造商也开始加入其中,大量资本的注入正在加速着“空中的士”,这个有望改变未来城市交通方式的概念,变为现实。
  也许全民“打飞的”的时代离我们真的不远了,10年?5年?或许就在明天。
  (作者简介:何培文,马里兰大学电力电子工程博士毕业,现就职于Joby Aviation,从事电动载人垂直起降飞机供电系统的设计和研发。)
  参考资料:
  [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

文章转载自新浪新闻

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