电动空中出租车，2024年进入市场？
“这是继第二次天下大战以及喷气式发动机发明以来，航空范畴最令人冲动的时候。这就像绝技飞行的黄金期间。”
Rolls-Royce公司的“创新精力”号全主动飞机在英国国防部Boscombe Down军事基地冲破飞行速率记录。泉源：Rolls-Royce
文 | Sean O’Neill
按：电动空中出租车是新兴电动垂直起降 （eVTOL） 飞行器财产发展的紧张方向。差别于直升机，eVTOL飞行器通过使用更多小型发动机旋翼，实现减重目标；升空后，部门或全部旋翼会向前倾斜，变化为飞机的节能巡航模式，此时，飞行器的机翼提供了大部门升力。eVTOL飞行器可用于运送在城镇与机场间、市区内或相邻都会间来回的搭客，大概用来运送货品。
比年来，eVTOL飞行器财产的各种大型投资和同伴关系不停涌现，拥有较好的发展远景，预计在2024年可以完成安全规格认证，实现飞行器载人飞行。
下为正文。
对新兴电动垂直起降 （eVTOL） 飞行器财产而言，2021年具有里程碑意义，这一年各种大型投资以及同伴关系不停涌现。几个eVTOL飞行器开辟商雄心壮志——可以说是非常乐观——他们盼望最早在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，通过与特别目标收购公司 （SPAC） 互助，共召募资金数十亿美元。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重要航空公司告竣互助。2021年2月，美国团结航空公司 （United Airlines） 公布与Archer Aviation 公司一起研发飞行器，并表现一旦飞行器可以运行且到达尺度，将购置200架飞行器。
2021年6月，美国航空公司宣称若Vertical Aerospace公司取得特定结果，将向其投资2500万美元，并提前预订250架以上飞行器 （即潜伏答应付出其10亿美元） 。该公司声明当前预订量已经到达1350架，代价高达54亿美元。Lilium Air Mobility公司于2021年8月公布与巴西蔚蓝航空公司 （Brazilian airline Azul） 告竣了一份10亿美元的潜伏协议，而2022年2月Joby Aviation 公司公布与日本整日空航空公司 （ANA） 告竣互助。
别的，2022年1月波音公司公布为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） 共同开办的合资公司；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。
一样平常来说，小机翼飞行器的垂直起落方式与直升机雷同，而此中eVTOL飞行器通过使用更多小型发动机旋翼，实现减重目标。升空后，部门或全部旋翼会向前倾斜，变化为飞机的节能巡航模式，此时，飞行器的机翼提供了大部门升力。研发职员筹划使用此类飞行器运送在城镇与机场间、市区内或相邻都会间来回的搭客，大概用来运送货品。
大规模生意业务与互助必要相应的市场以及相干地面底子办法支持。投资银行摩根士丹利 （Morgan Stanley） 猜测，到2040年，都会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。除了经济长处，电动飞行器的研发还推动航天财产探求减排办法，这将积极助力缓解天气变革。
由于上述缘故原由，天下各地计划的差别种类的eVTOL飞行器的数目亘古未有。由垂直飞行协会 推出的天下eVTOL飞行器名录中，停止2022年1月共收录了600余种计划，仅2021年就新收录了200余种。
Pat Anderson说：“这是继第二次天下大战以及喷气式发动机发明以来，航空范畴最令人冲动的时候。这就像绝技飞行的黄金期间。”Pat Anderson是一位航空航天工程专业传授，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央 （Eagle Flight Research Center at Embry-Riddle Aeronautical University） 主任。
当前计划中的差别范围较大，比方，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个程度旋翼，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。该公司筹划于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，此中12个置于前翼，24个高出机翼 （图2） 。不外该公司下一代机型的螺旋桨数目更少 （30个） ，动力更强 （图2） 。涵道中螺旋桨转动，使得飞行器能垂直腾飞，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，图中正在举行悬停实行。其主翼前侧的6个旋翼在飞行器转为程度飞行模式时可以或许前倾，作为推进器提供高能效的向前推力。泉源：Archer Aviation（公有范畴）。（b）与之计划相似的Vertical Aerospace公司的 VA-X4将于2022年举行第一次试飞。泉源：Vertical Aerospace（公有范畴）。
图2. （a）从后方拍摄的全比例7座式Lilium Jet飞行器，拍摄所在位于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体系，且无机尾。（b）2021年，Lilium Air Mobility公司的技能样机在德国举行飞行测试，依附36个纵向分列的涵道电动螺旋桨，飞行器得以在空中悬停。泉源：Lilium（公有范畴）。
美国马里兰大学 （位于美国马里兰州） 工程学院副传授、VFS的eVTOL技能委员会主席Anubhav Datta说道，当前电池技能发展程度——部门归功于电动汽车行业——已经可以为飞行器提供动力，但其有用载荷和航程非常有限。对于汽车电池的依靠会继承限定这项技能的发展，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举行计划，而不能相互割裂。我们间隔最佳结果另有很长一段间隔。”
固然电池的质量并不是限定电动地面交通工具的重要因素，但是对航空工具而言，质量至关紧张。重要使命是将只管多的能源装进质量只管小的电池布局中——以实现特定能源的最大化使用——以便将充足能量供给飞行器旋翼。全电池供能的eVTOL飞行器市场可否腾飞，取决于可否有更轻型的电池。Anderson说：“而这一点必要庞大科学发现。”Anderson照旧VerdeGo Aero公司 （美国佛罗里达州代托纳比奇） 的团结首创人和首席技能官，该公司负责为新一代飞行器提供混淆动力电力推进技能。
确实，“里程焦急”是早期电车车主的重要担心，如今则成为了eVTOL飞行器工程师要思量的一个紧张因素。Archer Aviation 公司的Maker飞行器可搭载一名飞行员以及4名搭客，该公司声称该飞行器能以241 km∙h-1的速率行驶97 km （巡航模式） 。与7座式Lilium Jet飞行器相比，该机型答应能以282 km∙h-1的速率行驶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，此中还包罗垂直起降等，以及无搭客时的长途操控等环节。有了如许的结果，该公司的重要首创人兼主要实行官JoeBen Bevirt稍许浮夸地宣称：“很多人以为当今的电池技能不可实现的成绩，我们乐成实现了。通过这次时机，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，让零排放的空中观光成为一样平常实际。”
此类飞行器要实现贸易载人，必要满意肯定的安全规则，而现现在未有一架飞行器完全通过查验。Anderson表现，思量到要满意羁系机构的要求，里程数就是一大题目。比方，美国联邦航空管理局 （FAA） 要求，在白天目视飞行规则下，配备富足燃料的飞行器必要有30 min的白天备用飞行能源，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，其电池存储的大部门能源将只能用于防备告急环境。这将大大减少飞行器的现实飞行里程。Anderson说：“对于这种严苛规定的修改，FAA非常审慎。假如贸易飞机的备用能源本可以满意45 min的飞行时间，但是FAA被乐成说服，从而将备用能源利用时间缩减到仅剩5 min，你真的乐意乘坐这种飞机吗？”
Datta以为，像FAA这类羁系机构可以促进这一新兴财产的发展，但eVTOL飞行器制造商必要证实其飞行器安全性。Datta说：“当前并未有针对电动飞行器的法规，因此必要订定新的法规。样机运行测试的次数越多，我们就越能在规则订定方面更快告竣同等。”
规格认证要求对此类飞行器的贸易飞行举行规范，而认证流程大概因地区差别会有所差异。在美国，eVTOL飞行器可按照现存的FAA尺度举行认证，而其他方面，如分布式推进器、电传飞行控制体系、噪声尺度，则必要各羁系机构通力互助。
而欧洲航空安全局 （European Union Aviation Safety Agency, EASA） 检察了“处于差别发展阶段的150多个VTOL项目设置”，从而开辟出一整套专用于eVTOL种类的飞行器技能规格，该规格种类被定名为“特别种类”。EASA也努力寻求与FAA尺度第23部门“大要保持同等”，该部门涉及小型飞行器的适航性。接纳多个发动机反而很安全，由于此中可动布局较少，再加上很多独立控制旋翼上的分布式推进器。这一点大概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环境下，发动机数目越多，可用冗余也越多。
末了，这种正在开辟的无人驾驶电动飞行器，无疑还碰面临更多的检察，因此间隔实现贸易应用另有很长一段路要走。不外中国民用航空局 （Chinese Aviation Administration） 已经于2022年2月正式采取并发布“特别条款” （ Special Conditions） ，亿航智能公司声明该条款将为两座式的EH216-S主动飞行器提供规格验证的底子。
Archer Aviation 公司预计，到2024年其飞行器均可以完成规格认证，并将在美国多个都会间运输客户。Lilium Air Mobility公司同样将其贸易产物的发布定在2024年。但由于现在eVTOL飞行器的新式计划越来越多，难以对这些飞行器举行快速的规格认证。
Anderson表现：“由于对于此类仅由电池供电的eVTOL飞行器而言，上述设定的目的时间非常不实际，因此至少要到2030年才气见到结果。”
Datta表现，将eVTOL飞行器规格认证完成日期设定云云之近，大概另有其他目标：“除了加快脱碳，大概还迫使羁系机构敏捷接纳举措，资助投资者树立信心。”
固然，投资方信心高涨，乃至有些不公道。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：“现在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辟一个乐成的市场，就要确保产物不但符合羁系验收，还要确保公众可以或许担当。eVTOL飞行器要想融入都会生存，其发展应循规蹈矩。英国索尔福德大学声学研究中央 （University of Salford Acoustics Research Centre） 传授、美国国家航空航天局向导的都会氛围活动噪声工作组 （Urban Air Mobility Noise Working Group） 成员Antonio Torija-Martinez说：“这种新型交通工具固然可以带来经济、社会及情况效益，但是大概会给沿途的社区带来噪声题目。”
固然发动机固有布局产生的噪声比内燃机更小，但其根本构造通过旋翼驱动氛围，意味着噪声是不可制止的。发动机产生的噪声在团体噪声中的占比并不确定，但制造商却火急地想告知人们，他们制造的飞机不会过分打搅人们的生存。Lilium Air Mobility公司宣称，当他们制造的飞行器回旋在间隔地面100 m的高空时，产生的噪声大概在60 dB，相称于在一米外正常对话的音量。Archer Aviation 公司则表现，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，相称于冰箱的嗡嗡声。Torija-Martinez说：“eVTOL飞行器比传统直升机体积更小、扇叶数目更多，会产生高频噪声，更惹人讨厌。大气吸取可以有用削弱噪声，但对于沿途社区中产生的高频噪声题目，必要可验证的实行数据。”
固然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观光业务。比方，美国团结航空公司于2021年7月公布了一项生意业务，即从瑞典哥德堡的Heart Aerospace公司购买100架符合特定尺度的19座式电动飞机。该公司筹划于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举行测试。
别的，最先辈的飞行器要数由Rolls-Royce公司制造的全电动“创新精力” （Spirit of Innovation） 号飞行器 （见头图） 。该公司总部位于英国古德伍德，部门资金由英国当局支持的“加快飞行电气化 （Accelerating the Electrification of Flight, ACCEL） 项目”提供。在2021年11月，该飞机冲破了两项空中速率天下记录，3 km速率为556 km∙h-1 （之前的记录是213 km∙h-1） ，15 km速率为532 km∙h-1，最高速率可达623 km∙h-1，成为天下速率最快的纯电动载具。
对于eVTOL空中出租车及短途电动通勤飞机还必要多长时间才气在天空中自由行驶，我们仍不确定；但我们信赖这一天终会到来，只是不要盼望太高，不要急于求成。
Datta说道：“对于新兴科技，这是一个老生常谈的话题；但我以为，现在各公司都高估了短期影响，而当局又低估了恒久影响。”
（本文选自中国工程院院刊《Engineering》2022年第6期）
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