城市空运电力推进技术发展分析

穆作栋

电力推进技术是多电飞机概念后航空界迎来的一场更具颠覆性的能量革命，从动力形式上彻底改变了传统飞机及其能量系统。电力推进技术也是无人驾驶空中交通飞行器的主要动力形式。

电推进技术是多电飞机（MoreElectricAircraft概念后航空界迎来的一场更具颠覆性的能量革命，从动力形式上彻底改变了传统飞机及其能量系统。电推进技术以其高效率、低排放、低噪声的显著优势，为航空界未来发展带来了新的方向，城市空运模块（Urban Air Mobility，UAM）这一概念也借此机会成为航空领域最热门的创新领域。

城市空运模块这一概念早在近百年前就已经出现，1926年3月的《科技新时代》（ Popular Science艉出了“Ridesboth roads and air"的愿景。如今，根据德国咨询机构Horvath&Partners的研究预测，2025-2049年全球将有240个城市大规模应用飞行出租车;2035年时，全球飞行出租车的数量可能超过23000架。目前，空客和波音等飞机制造商以及罗尔斯罗伊斯等发动机制造商、西门子等系统供应商都已投入了相关研发计划，以应对这一新兴市场的首轮竞争。

电动城市空运体系UberElevate及其合作伙伴

美国优步公司（ Uber）于2016年针对城市空运模块需求提出了UberElevate体系，并于2017年和2018年连续召开了2届Uber Elevate峰会，旨在通过与政府、企业和学术界合作，推出适用于城市空运模块的共享电动垂直起降飞行器交通服务Uber Air。该城市空运服务计划于2020年开展测试，并在2023年投入“按需运营（ On-demand flight）”。

Uber Elevate选取了5家飞行器合作伙伴企业，分别是波音旗下的极光飞行科学公司、贝尔公司、巴西航空工业旗下的Embraer×、卡莱姆飞机公司以及蝙蝠飞机公司。

波音公司旗下的极光飞行科学公司

极光飞行科学公司（Aurora FlightSciences）是一家波音旗下的先进无人系统和飞行器企业。该公司已在其位于弗吉尼亚州马纳萨斯的总部进行了全面的电动垂直起降飞行器测试，2019年1月23日，其自主载人飞行器（PAV）原型机完成首飞，由全电推进系统提供动力，设计目标是具备从起飞到着陆的全自主飞行能力，航程可达80.47km （50miles）;该原型机长30ft（9.14m），宽28ft（8.53m），机身集成了推进系统和机翼，可实现高效的悬停和前向飞行。

贝尔公司

贝尔公司是垂直起降飞行器领域内国际领先的供应商，拥有80多年的历史。最近贝尔发布的V-280和V-247倾转旋翼机是世界上最先进的旋翼机之一。

在2018年国际消费电子展上，贝尔公司推出了名为Nexus的混合电推进电动垂直起降飞行器的全尺寸模型，采用了贝尔公司标志性的倾转旋翼设计，搭载6台倾转涵道风扇，飞行器内部设计了5个座位。Nexus团队由贝尔、赛峰、EPS、泰雷兹、穆格和Garmin公司组成，贝尔公司负责飞行器系统的设计、开发和生产，赛峰公司提供混合动力推进和驱动系统，EPS公司提供储能系统，泰雷兹公司提供飞控计算机硬件和软件，穆格公司负责开发飞行控制驱动系统，Garmin公司负责整合航空电子设备和飞行器管理计算机。

贝尔公司正在针对有人驾驶/无人驾驶、商用/军用、客运/货运、全电动/混合动力等一系列不同的市场需求开发模块化电动垂直起降飞行器架构。贝尔公司称其首个飞行验证机将专注于混合动力电动推进系统，但工程团队将同步推进全电架构的技术研发。值得注意的是，贝尔公司的Nexus也是Uber Elevate体系中仅有的采用混电推进形式的飞行器。

EmbraerX

Embraer X隶属于巴西航空工业，在Uber EIevate 2018峰会上推出了电动垂直起降飞行器概念，这是巴西航空工业公司首次涉足旋翼机领域，但该公司表示其拥有60余年飞机研发经验，足以完成这一计划。Embraer×概念飞机使用8付转子提供垂直升力，当转换到水平飞行模式时，升力由水平机翼提供，机尾的推进螺旋桨提供前向的动力。2019年4月新加坡亚洲旋翼机展览上，EmbraerX表示该公司从2018年年底开始，与新加坡等超过5个亚太地区监管机构进行对话，以更好地了解城市空运环境和发展期望。

卡莱姆飞机公司

卡莱姆飞机公司（ Karem Aircraft）总部位于加利福尼亚州奥兰治县，是一家固定翼和旋翼飞机的开发商和制造商。在过去的15年中，卡莱姆飞机公司开发了速度优化倾转翼技术方案（ Optimum SpeedTiltrotor， OSTR），该技术结合了固定翼飞机的速度优势与直升机的悬停能力。该公司的电动垂直起降飞行器解决方案蝴蝶（Butterfly）飞行器是一种四旋翼式旋翼飞机，使用OSTR技术实现了悬停与巡航阶段的效率平衡，从而提高了整体效率。

蝙蝠飞机公司

蝙蝠飞机公司（ Pipistrel VerticalSolutions）总部位于斯洛文尼亚，自201 1年开始关注电动飞机技术，凭借其Taurus G4飞机赢得了NASA的绿色飛行挑战赛;其Alpha Electro是第一架完成取证的全电动飞机。基于其丰富的电动飞机研发经验，该公司正在开发一款具有差异化、低噪声推进系统的电动垂直起降飞行器，并于Uber Elevate Summit2018上发布，该飞行器没有任何可见的垂直升力转子，这种设计与竞争对手在Uber Elevate峰会上提出的升力和巡航概念（例如Embraer X）有很大不同。

蝙蝠飞机公司全电动垂直起降降飞行器概念

除了上述飞行器制造商伙伴外，Uber Elevate体系还拥有多个科研机构、高校伙伴，以城市空运推进技术与环境建设。NASA将参与开发无人驾驶交通管理和无人机系统，以提高低空飞行安全性和运营效率;2020年NASA将举办一场城市空运挑战赛（ NASA UAM GrandChallenge），以测试城市空运系统的集成性与安全性。美国陆军研究实验（ ARL）将参与同向螺旋桨的研发工作。锂离子电池开发商和制造商MOLICEL公司将参与生产飞行器所需锂离子电池组。佐治亚理工将参与系统安全分析和城市空中交通市场研究。

Uber Air计划于2023年在达拉斯一沃斯堡城市间航线和洛杉矶开展商业飞行运营，在上述2条线路之外，还与澳大利亚、巴西、法国、印度和日本的许多国际市场合作，以确定后续运营城市。该项服务的落地还需要建设完善的基础设施，以支撑飞行器的起飞和着陆。在洛杉矶召开的第二届Elevate峰会上，6家建筑公司展示了“Skyports”停机坪设计，很多设计灵感都来自于电影《星球大战》o

空中客车公司的城市空运计划

目前，空客正在推进2个城市空运研究计划，分别是位于美国硅谷A3分部负责的单座“瓦哈娜”（Vahana）以及位于德国多瑙沃尔特的空客直升机负责的4座城市巴士，均为全电推进形式。

为了协调城市空运计划的研发，空客于2018年创建了城市空运部门，该部门位于德国奥托布伦市，靠近空客公司技术办公室和无人驾驶航空系统部，空客直升机位于多瑙沃尔特的工厂也在附近。空客目前正在将所有城市空运的研发活动集成到城市空运部门。

单座全电动垂直起飞行器

“瓦哈娜”

“瓦哈娜”是由空中客车公司硅谷基地A3创新中心研发的全电动自动驾驶垂直起降飞机，于2018年1月31日在美国俄勒冈州彭德尔顿无人机系统基地以完全自动驾驶方式完成首飞，飞行高度为5m，随后安全降落。2018年内，“瓦哈娜”进行了50多次试飞。“瓦哈娜”旨在通过利用电力推进、能源存储和机器视觉方面的最新技术，实现全民化个人飞行，并满足日益增长的城市交通需求。

四座全電动垂直起降飞行器城市巴士

城市巴士是一款四座垂直起降飞行器，其揭幕仪式于2019年3月11日在德国巴伐利亚州因戈施塔特举行，德国交通部长、数字化部长和因戈施塔特市长等政界人士出席了本次仪式。空客估计最早到2025年该飞行器才能在慕尼黑等大城市进行商业运营。

据空客集团德国地区总裁沃尔夫冈·肖德介绍，城市巴士的巡航速度为120km/h，其动力由4组同轴反转涵道风扇提供，风扇由8台100kW电机驱动。城市巴士选用了纯电动设计，以满足低噪声、零排放的环保要求，其储能系统总容量为110kWh，由4枚电池构成，可各自提供140kW峰值功率;最大航程为50km，具备全自动驾驶功能。城市巴士的电机、电力电子设备由西门子公司提供，两家公司在电动飞机领域开展了广泛的合作，除城市巴士项目外，还开展了E fan-×等项目合作。

根据空中客车亚太城市空运战略负责人德里克·程，该公司将基于“瓦哈娜”与城市巴士的经验开展下一代电推进技术平台的设计工作，计划在年底前进行最终设计审查，并于一年内完成首飞。

德里克表示该平台目前面临着3个设计方面的困难，一是能量存储技术，需要开发高能量密度的电池，以支持超过15min的飞行，能量存储是全电动垂直起降飞行器领域最为关键的技术：二是自动飞行控制系统的成熟度;三是噪声水平，空中客车公司正在开展相关工作，旨在控制飞行器的噪声水平，噪声上限为65db，与过往的地铁噪声水平接近，飞行器的噪声水平会影响其在城市中可能的降落区域。

罗·罗公司的城市空运计划

罗·罗公司针对个人飞行器和刚刚起步的城市空中交通市场的推出了小型混合动力解决方案，公司旗下的印第安纳波利斯集团（Indianapolis）基于M250涡轴发动机开发了混合动力系统，正在进行地面测试。

该计划始于2018年初，通过1年的工作，研制1套混合动力推进系统并演示了3种运行模式一串联混合动力、并联混合动力和涡电。三种操作模式均已进行测试，初始的地面测试于2018年第四季度完成，今年的计划是研究准备飞行的解决方案。这一项目覆盖了500 - 800kW的功率范围，是电动垂直起降的最佳选择。

为了研究电推进的技术可行性和发展挑战，罗·罗公司设计了自己的电动垂直起降飞机。这是罗·罗公司第一次提出飞机层面的概念，概念的提出是基于M250混合动力推进系统。这款5座串联式混合电动飞机采用了螺旋桨和倾斜机翼设计，吸收了鹞式战斗机的垂直/短距起降技术的相关经验，鹞式战斗机的发动机“飞马”由布里斯托尔航空发动机公司设计，该公司于上世纪60年代被罗·罗公司兼并。M250的功率约500kW，驱动6个电动螺旋桨，能够使该机以250miles/h的速度飞行约500miles（800km）。在巡航高度上，飞机的升力螺旋桨将折叠，由机身后部安装的螺旋桨提供动力。

罗·罗公司还与汽车制造商阿斯顿马丁公司、克兰菲尔德航空航天解决方案公司以及克兰菲尔德大学合作，开发一种用于城市和城际航空旅行的混合动力3座飞机。该飞机被称为Volante Vision概念机，动力系统基于M250发动机，初步计划于20世纪20年代中期投放市场。

罗·罗公司表示Volante Vision目前只是一个概念，不过该设计具有合适的功率和储能水平，功率重量比良好，在解决了各系统的整合问题后能够投入应用。由于主推进系统不是全电动的，因此在适航认证等方面存在挑战。但作为工业界的一员，罗·罗公司正在与监管机构和认证机构合作以克服这些障碍。”

除上述产品和概念之外，还有多家企业提出了电动城市空运飞行器的概念，加利福尼亚州的乔比飞机制造公司（ Joby Aviation）获得了来自丰田、捷蓝航空和因特尔等公司的投资，计划在5年内推出两座全电动垂直起降飞行器，该飞行器装配有12电机，动力方式为全电推进。戴勒姆公司也表现了对城市空运的兴趣，其CEO迪特尔·泽谢称城市空运为“第三个维度的出行方式”，该公司与因特尔公司共同向来自德国布鲁塞尔的Volocopter公司投资，以开发全电推进的全电动垂直起降飞行器。Volocopter公司的验证机Volocopter 2X于201 7年首飞，该公司近期与法兰克福机场集团签署协议，计划于2021年成为法兰克福机场空中短驳服务供应商。德国初创公司AutoFlightX于2019德国腓特烈港航展发布了一种双座型全电动垂直起降飞行器技术验证机V600，计划在未来几周进行试飞，该机由6个升力螺旋桨提供升力，1个推进螺旋桨提供前进动力。

城市空运发展现状分析

通过上述各企业产品和概念的分析可见，业界对城市空运的动力形式有2种不同的判断，以优步为代表的城市共享空运企业认为，在2023电年池技术足以满足全电eVTOL城市空运飞行器的需求，因而在优步的飞行器合作伙伴中，仅贝尔公司的方案采取了混电推进，其余公司均为全电推进;以罗·罗为代表的传统动力系统制造商则认为电池能量密度是一个短时间难以突破的制约因素，混合电推进将是更好的选择，在满足城市空运需求的同时，混合电推进也可以用于长途电推进飞机，如支线客机和干线客机。Uber Elevate公司提出的全电动垂直起降飞行器飞行速度约241-322km/h，目前的电池能量密度严重限制了其航程和航时，使用混合电推进可以扩大航程和航时，但会提高平台的复杂度。

城市空运作为一个新兴航空领域，相较于传统飞机行业，在安全性、适航认证、空域使用和空管等方面需要有相应的考虑。

安全性方面，作为一种需要每天在城市上空进行大量低空飞行的空中商业运输，城市空运飞行器需要达到相应的安全级别，安全设计是其关键因素。

认证方面，分布式电推进、混合电推进、自动飞行控制等技术都需要特别的适航要求，目前使用仍在开发中的行业标准对这些新型飞行器进行认证。欧洲航空安全局（EASA）于2018年10月发布了全电动垂直起降飞行器适航标准草案，用以征求意见;美国联邦航空管理局（FAA）计划在为这些飞行器制定新的适航类别过程中为其提出特殊条款。

空域使用和空管方面，城市空运需要使用现有空管系统以外的城市低空空域，需要制定相应的管理制度和先进的空管技术，以保证飞行安全。美国计划扩展正在开发的无人交通管理（UTM）架构，该架构用于管理低空无人机运行，使无人机能够使用商业实体提供的空域服务。

基础设施方面，城市空运需要相应的基础设施，包括停机坪、充电装置、与其他交通方式的驳接设施等。

目前城市空运领域吸引了来自全球各地工业界、学术界和资本的广泛关注，但该领域的发展尚处于非常初步的阶段，面临着广泛的技术、运营和政策挑战，一方面飞行器、新型空管等技术尚不成熟，另一方面政府和监管机构需要相应指定政策、法规，这一行业未来的发展取决于制造商、运营商和监管机构的共同努力。