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        城市空中交通市場發(fā)展前景分析

        2019-09-03 07:04:52王翔宇中國航發(fā)研究院
        航空動(dòng)力 2019年4期
        關(guān)鍵詞:空中交通飛行器電動(dòng)

        ■ 王翔宇/中國航發(fā)研究院

        航空“第三時(shí)代”(Third Era)已經(jīng)拉開了帷幕,而城市空中交通概念的興起,既體現(xiàn)了長期以來人們對于快捷的城市空中出行的固有需求,也是航空業(yè)界迫切希望電動(dòng)飛行走進(jìn)現(xiàn)實(shí)、搶占市場的必然反映。

        來自全球的7家航空制造商(空客、波音、達(dá)索、GE航空、羅羅、賽峰和UTC)的首席技術(shù)官于2019年6月18日在巴黎航展上發(fā)表聯(lián)合聲明,在不斷追求常規(guī)動(dòng)力燃油效率、支持可持續(xù)燃料的商業(yè)化使用的同時(shí),將通過研發(fā)全新的飛機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng),真正實(shí)現(xiàn)航空運(yùn)輸行動(dòng)集團(tuán)(ATAG)確立的減少二氧化碳排放的宏偉目標(biāo),即到2020年限制二氧化碳凈排放量的增長,到2050年將二氧化碳排放量降低至2005年的一半。這是整個(gè)航空業(yè)界攜手關(guān)注氣候變化、保護(hù)地球生態(tài)的一步,更是從萊特兄弟時(shí)代的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)到當(dāng)今的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、再到方興未艾的電推進(jìn)系統(tǒng)歷史性變革的一步。

        20世紀(jì)早期萊特兄弟首架飛機(jī)成功上天標(biāo)志著航空“第一時(shí)代”的到來。20世紀(jì)50年代噴氣式飛機(jī)的出現(xiàn)則開啟了航空“第二時(shí)代”。如今,以數(shù)字化和電氣化為典型特征的航空“第三時(shí)代”已經(jīng)拉開了帷幕,電動(dòng)飛行概念正席卷而來,更加清潔安靜、高效廉價(jià)的電氣化空中旅行作為未來航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇,將深刻地改變?nèi)藗兊墓ぷ骱蜕罘绞健?/p>

        城市空中交通應(yīng)運(yùn)而生

        廣泛的行業(yè)研究表明,受制于當(dāng)前兆瓦級高功率密度電動(dòng)機(jī)、大能量密度儲(chǔ)能系統(tǒng)以及高效熱管理系統(tǒng)的發(fā)展,全電動(dòng)飛行的初始商業(yè)應(yīng)用似乎更可能在有效載荷、飛行速度和航程都較小的通用航空場景下率先實(shí)現(xiàn),將隨著電氣化技術(shù)的成熟再逐步進(jìn)入大型商業(yè)運(yùn)輸領(lǐng)域。如果不了解在這條“漸進(jìn)式”發(fā)展道路上孕育的全新商業(yè)模式和機(jī)會(huì),既無法有效地對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行持續(xù)投資研究,更無法在瞬息萬變的航空市場搶占先機(jī)。在此情況下,城市空中交通(UAM)應(yīng)運(yùn)而生,成為當(dāng)下航空業(yè)界關(guān)注的核心熱點(diǎn)。

        所謂的城市空中交通,就是用一種小型的全電動(dòng)或混合電動(dòng)垂直起降飛行器(eVTOL)承載不超過1t的旅客和貨物,以比地面出行更快的巡航速度(200km/h左右)在城市空域飛行,到達(dá)15~100km以外的目的地。直觀上看,空中公交車(Air Metro)和空中出租車(Air Taxi)將是未來城市空中交通市場的主體組成部分。

        據(jù)統(tǒng)計(jì),目前已有近百個(gè)處于不同開發(fā)階段的UAM項(xiàng)目瞄準(zhǔn)了未來城市空中交通市場,其中既有優(yōu)步(Uber)公司等飛行新勢力的積極滲透,也有傳統(tǒng)航空制造商未雨綢繆的產(chǎn)業(yè)再布局。無論是出于短期的商業(yè)利益考慮還是為未來開展大型航空運(yùn)輸業(yè)務(wù)做準(zhǔn)備,大多數(shù)市場參與者均認(rèn)為,10年內(nèi)可以迎來電氣化城市空中交通的首次商業(yè)運(yùn)營,而完整的城市空中交通生態(tài)體系的建立,則不僅需要合適的eVTOL產(chǎn)品投入市場,在空域管理、適航條例、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及社會(huì)認(rèn)知接受度等方面的完善與突破同樣至關(guān)重要。

        城市空中交通飛行器競相推出

        早在2016年,優(yōu)步公司就發(fā)布了Uber Elevate白皮書,利用共享eVTOL飛行器為未來城市提供一鍵約飛機(jī)的空中交通服務(wù),預(yù)計(jì)于2020年開展測試,自2023年起投入商業(yè)運(yùn)營。優(yōu)步公司將與極光飛行公司、貝爾公司、巴航工業(yè)、卡萊姆公司以及蝙蝠公司合作開展新型飛行器研制工作,每家公司都提出了自己的方案,其中極光公司的PAVX和貝爾公司的Nexus已完成首飛。Uber Elevate體系還納入了多個(gè)科研機(jī)構(gòu)和高校伙伴協(xié)同推進(jìn)電動(dòng)飛行技術(shù)提升與城市空中交通環(huán)境建設(shè),其中美國國家航空航天局(NASA)將參與開發(fā)無人駕駛交通管理(UTM)和無人機(jī)系統(tǒng)(UAS);美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室(ARL)將進(jìn)行同向旋轉(zhuǎn)螺旋槳的研發(fā);Molicel公司將參與生產(chǎn)飛行器所需鋰離子電池組;佐治亞理工大學(xué)則負(fù)責(zé)系統(tǒng)安全分析和UAM市場研究。事實(shí)上除優(yōu)步公司以外,美國的Joby Aviation 、Kitty Hawk,德國的Volocopter、AutoFlightX和國內(nèi)的億航等眾多的航空初創(chuàng)公司均在針對城市空中交通需求開展相應(yīng)的eVTOL項(xiàng)目。

        億航184(多旋翼,億航公司)

        S2 eVOTL(傾轉(zhuǎn)旋翼,Joby Aviation公司)

        eVTOL Multicopter(升力巡航,Aurora公司)

        在這些飛行新勢力大舉進(jìn)軍城市空中交通市場的同時(shí),傳統(tǒng)航空制造商也對這一領(lǐng)域表現(xiàn)出了極為濃厚的興趣。2018年空客公司成立了專門的城市空中交通部門,同年其單座eVTOL驗(yàn)證機(jī)Vahana進(jìn)行了50余次試飛,飛行速度為220km/h,航程接近100km。到2019年又啟動(dòng)了4座eVTOL飛行器City Airbus的研發(fā)計(jì)劃,設(shè)計(jì)巡航速度為120km/h,最大航程為50 km,8臺100kW電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的4組同軸反轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇為該飛行器提供動(dòng)力。此外,空客公司也與西門子公司合作研發(fā)了一款功率為60kW的小型雙座電動(dòng)飛機(jī)E-Fan,雖然其最初的目的是用于評估支線客機(jī)混合電推進(jìn)系統(tǒng)的可行性,但后續(xù)也可能投入到城市空中交通市場。

        典型城市空中交通概念產(chǎn)品的最大起飛質(zhì)量與航程分布(R22和R44為羅賓遜公司生產(chǎn)的常規(guī)2座和4座輕型直升機(jī))

        除了為下一代E-FanX概念機(jī)提供2.5MW發(fā)電機(jī)和電力電子設(shè)備,羅羅公司基于M250混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)獨(dú)自開發(fā)了5座混合電動(dòng)飛行器,這也是羅羅公司第一次提出了飛機(jī)層面的設(shè)計(jì)概念。此款串聯(lián)式混合動(dòng)力飛機(jī)采用了螺旋槳和傾轉(zhuǎn)機(jī)翼設(shè)計(jì),吸收了“鷂”式戰(zhàn)斗機(jī)的垂直/短距起降技術(shù)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。羅羅公司還與阿斯頓馬丁公司和克蘭菲爾德大學(xué)合作,開發(fā)一種用于城市空域飛行的3座混合動(dòng)力概念機(jī)Volante Vision,其總體設(shè)計(jì)方案更接近于飛行汽車,預(yù)計(jì)于2025年左右投放市場,屆時(shí)其巡航速度將達(dá)到300 km/h。

        通過梳理這些項(xiàng)目不難發(fā)現(xiàn),一方面UAM總體設(shè)計(jì)已經(jīng)突破了當(dāng)前常規(guī)飛機(jī)選型的條條框框,既有成本較低、適宜短距飛行的多旋翼飛行器(Multirotor),也有飛行速度更快、航程更遠(yuǎn)但結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的有翼飛行器,例如,傾轉(zhuǎn)旋翼(Tilt Rotor)、傾轉(zhuǎn)涵道(Tilt Duct)、傾轉(zhuǎn)機(jī)翼(Tilt Wing)以及升力巡航(Lift and Cruise)等多種設(shè)計(jì)方案競相出現(xiàn),未來必將根據(jù)細(xì)分市場的具體需求進(jìn)行有側(cè)重的發(fā)展。另一方面,關(guān)于這些eVTOL飛行器采用全電動(dòng)力還是混合電推進(jìn)的爭論則是從未停歇:以優(yōu)步公司為代表的城市共享運(yùn)輸企業(yè)普遍認(rèn)為在2025年前高能量密度電池的發(fā)展足以滿足小型城市空中交通飛行器的需求,除貝爾公司的Nexus概念機(jī)外,均采用了全電設(shè)計(jì);而傳統(tǒng)航空制造商,特別是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商,則傾向于充分利用其海量燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展載重更大、航程更遠(yuǎn)的混合電推進(jìn)系統(tǒng),這樣也為后續(xù)大型航空電動(dòng)運(yùn)輸做準(zhǔn)備。

        進(jìn)一步來說,這些種類繁多、五花八門的eVTOL項(xiàng)目正是當(dāng)前整個(gè)城市空中交通市場野蠻生長的最好寫照。演示文稿上一個(gè)個(gè)外形炫酷超前、具體參數(shù)語焉不詳且研發(fā)進(jìn)度猶未可知的飛行器概念被眾多初創(chuàng)公司當(dāng)成了最關(guān)鍵的融資工具,很顯然,從技術(shù)突破到飛行試驗(yàn)、從適航取證到批量生產(chǎn),每次動(dòng)輒上億美元的資金投入意味著其中只有極少數(shù)的公司能存活下來,而且傳統(tǒng)航空制造商對這一領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)力進(jìn)一步壓縮了初創(chuàng)公司的發(fā)展空間,要知道汽車行業(yè)這么多年來也只有特斯拉公司這一個(gè)真正破局者,這還在很大程度上得益于老牌汽車巨頭對電動(dòng)地面交通發(fā)展長期的心不在焉。但也要注意到,即使是傳統(tǒng)航空制造商給出的那些看起來更為清晰可行的方案構(gòu)想,與人們期待的勝任城市空中交通市場需求的產(chǎn)品相比仍有不小的差距。如果未來eVTOL飛行器連當(dāng)前常規(guī)動(dòng)力直升機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)都達(dá)不到,那么城市空中交通市場就徹底喪失了其后續(xù)發(fā)展的根本支撐點(diǎn)。

        城市空中交通市場模式的艱難孕育

        如果各種eVTOL飛行器在載重、航程、速度、安全性乃至低噪聲等方面均取得了前所未有的突破,演示文稿上宣傳的“爆點(diǎn)”一個(gè)接一個(gè)實(shí)現(xiàn),是不是就意味著塵封的城市空中交通市場大門被徹底打開了?很遺憾,空中出租車走向市場的過程是不可能像在地面上用電動(dòng)出租車替換掉燃油出租車那么簡單的,還有太多產(chǎn)品以外的因素同樣能夠左右未來城市空中交通市場的發(fā)展進(jìn)程,而打破這些外部因素的制約是無法在現(xiàn)有城市交通框架下完成的。至少目前來看,只有少得可憐的經(jīng)驗(yàn)可供未來的電氣化城市空中交通發(fā)展運(yùn)營所借鑒。Voom、Blade和Skyride這3家能夠提供類似城市空中交通服務(wù)的公司具有強(qiáng)烈的區(qū)域性,均不擁有或直接運(yùn)營任何eVTOL飛行器,只是通過App的方式將旅客和常規(guī)直升機(jī)所有者/飛行員連接起來,而這一切離創(chuàng)造適合城市空中交通走進(jìn)千家萬戶的生態(tài)環(huán)境還差得太遠(yuǎn)。

        盡管電動(dòng)汽車的購置費(fèi)用不菲,其日常通行使用卻比燃油汽車劃算,畢竟電費(fèi)比油費(fèi)便宜多了(特別是在國內(nèi)),但是這一點(diǎn)并不適用于城市空中交通市場。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,eVTOL飛行器每千米單個(gè)旅客產(chǎn)生的費(fèi)用僅比搭乘常規(guī)直升機(jī)節(jié)省不到20%,其平均價(jià)格至少是地面出租車的3倍以上,基本與豪華專車花費(fèi)持平。除了燃油成本變成了電力成本,目前這些城市空中交通產(chǎn)品直接使用成本要素與常規(guī)動(dòng)力直升機(jī)相比并無根本差別,而即使是飛行耗電量最大的5座eVTOL飛行器,其電力成本也僅占總成本的2成左右。城市空中交通還是太貴了,不是誰都能玩得起的,有錢人會(huì)選擇私人飛行器出行,普通人更傾向于便宜的地面交通,至少短期內(nèi)海量資本的驅(qū)動(dòng)而非廣大民眾的迫切需求將是空中出租車或者空中公交車發(fā)展的決定性力量。

        不同城市出行交通方式花費(fèi)比較(來源:NASA)

        城市空中交通直接使用成本要素分解(來源:NASA)

        城市空中交通直接使用成本要素說明

        城市空中交通的典型外部制約因素

        一個(gè)悲觀的事實(shí)就是,城市空中交通也很可能沒有想象中的那么方便快捷,制約其發(fā)展的外部因素不會(huì)因?yàn)槭怯胑VTOL飛行器還是常規(guī)動(dòng)力直升機(jī)就能發(fā)生巨大變化。NASA的研究報(bào)告認(rèn)為,在不考慮任何外部約束的理想情況下,2030年前美國城市空中交通市場的日均運(yùn)輸量超過千萬次,占交通運(yùn)輸總量的1/5,年化市場價(jià)值達(dá)到5000億美元,而對外部制約因素建模后得到的日均運(yùn)輸量僅為5萬多次,年化市場價(jià)值縮水到25億美元,在役eVTOL飛行器也只有4000架,幾乎與同期北美地區(qū)客機(jī)需求量持平??紤]到美國的通航產(chǎn)業(yè)高度發(fā)達(dá)、人均收入全球領(lǐng)先,同期更大地域范圍(特別對于發(fā)展中國家)的城市空中交通實(shí)際轉(zhuǎn)化率只會(huì)更低。甚至可以說,在現(xiàn)有條件下除非有國家意志在背后的強(qiáng)力推進(jìn),否則電氣化城市空中交通的發(fā)展形勢可能并不會(huì)與常規(guī)直升機(jī)空運(yùn)有什么顯著不同。

        結(jié)束語

        電動(dòng)飛行越來越成為推動(dòng)航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主宰力量,而城市空中交通概念的興起,既體現(xiàn)了長期以來人們對于快捷空中出行的固有需求,也是航空業(yè)界迫切希望電動(dòng)飛行走進(jìn)現(xiàn)實(shí)、搶占市場的必然反映。從產(chǎn)品自身的因素來說,城市空中交通的eVTOL飛行器對于電氣化飛行技術(shù)的要求相對較低,短期內(nèi)研發(fā)成功的可能性更大,隨之而來相當(dāng)多的初創(chuàng)公司也瞄準(zhǔn)了這一領(lǐng)域,但在這百家爭鳴的背后,想要快速把一頁頁奪人眼球的演示文稿變成現(xiàn)實(shí)、真正拿出一款在性能上至少不輸給當(dāng)前常規(guī)動(dòng)力直升機(jī)的電氣化產(chǎn)品仍非朝夕之功;從產(chǎn)品以外的因素來說,這么多年來城市空中交通一直沒有建立一種完善可持續(xù)的市場運(yùn)營模式,制約其發(fā)展的太多問題不會(huì)因?yàn)椴捎昧薳VTOL飛行器就消失不見,而這些問題也不是單純依賴eVTOL飛行器制造商就能解決的。

        特別值得一提的是,就在積極布局城市空中交通市場、研發(fā)全電eVTOL飛行器的同時(shí),傳統(tǒng)航空動(dòng)力制造商也在瞄準(zhǔn)未來航空運(yùn)輸市場不遺余力地開展大功率高負(fù)載混合電推進(jìn)系統(tǒng)研究。雖然混合電推進(jìn)系統(tǒng)看起來在技術(shù)上更復(fù)雜,但也意味著高企的門檻隔絕了大多數(shù)飛行新勢力染指這一領(lǐng)域的可能,傳統(tǒng)航空動(dòng)力制造商幾十年來的深厚技術(shù)儲(chǔ)備也能夠充分發(fā)揮。更為關(guān)鍵的是,不論是客運(yùn)還是貨運(yùn),不論是干線還是支線,納入混合電推進(jìn)飛機(jī)與納入常規(guī)動(dòng)力飛機(jī)對于高度成熟的航空運(yùn)輸市場來說需要做出的改變很小,機(jī)場還是那個(gè)機(jī)場,塔臺還是那個(gè)塔臺,甚至從外形上看飛機(jī)可能還是那個(gè)飛機(jī)。在不遠(yuǎn)的未來,基于混合電推進(jìn)系統(tǒng)的航空運(yùn)輸取代城市空中交通成為電動(dòng)飛行市場的領(lǐng)跑者也許并不會(huì)讓人感到吃驚,城市空中交通市場能否打破重重阻礙破繭而出仍需拭目以待。

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