自动飞行、成本、噪音……飞行汽车“梦想成真”的四大挑战

有朝一日 ，电动垂直起降空中出租车或会在我们头顶飞来飞去，但其倡导者提出的时间表可谓是雄心壮志。例如，在今年早些时候举行的Elevate会议上，Uber预测它将在2023年开始部署其系统UberAIR。但是，这意味着自动控制系统将是一种酝酿中的飞行实践，还得价格合理，为了安全和高效进行必要的空中交通控制整合，而在美国联邦航空局的眼中几乎没有闪现任何火花，也没有来自联邦政府和市政府监管的任何祝福，好吧，我们只能说没有什么可以祝福的。

然后是飞行器本身的问题。这个行业主导者Uber，试图将之变为现实，坚持认为电动垂直起飞和着陆(e-VTOL)飞行器是可行的方式，并认为没有其他任何东西可以与之效率、速度、可靠性、安全性和寂静相提并论。 (如Uber的视频所示，图形怪物无人机，或带有乘客吊舱的多叶虫昆虫装置。)这种工艺也不会简单地从现有的硬件演变而来。航空业将不得不开发全新类型的飞行器，这些飞行器o以新的方式飞行，采用新的推进方式、飞行控制和态势感知。

这实际上是一个开始看起来有点难啃，但可用重塑行业的机会。 “现在是时候重新考虑航空业了。” 蒙特利尔技术大学ETS的航空系统研究员RenéLandry说，“我们现在使用的航空电子设备基于第二次世界大战期间修建的一般建筑。例如，这种硬件是为了冗余而复制的，使用的是巨大的、低效率的电缆。我们可以在那里接受一些游戏改变者。”

作为这些游戏改变者之一的一个例子，他指出用于飞行计划的软件直到iPad问世才加入21世纪。 “十年前我们会说iPad永远不会被认证用于驾驶舱使用。”他说， “但在六个月内，它就获得了认证，超过400家企业将电子飞行包系统关闭。它们不再是必需的，因为都可以在iPad上运行。“但是，飞行计划软件当然只是潜在的飞行汽车网络面临的第一个挑战。

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挑战之一：将飞行交给计算机

未来的空中出租车必须使用自动或至少高度自动化的系统自行完成大部分飞行工作。Uber已表示，预计其服务将从人类飞行员开始，但鉴于未来几十年航空业预期的飞行员极度短缺，这是不可持续的。自动飞行系统已经在推进中，但它们还没有准备好被广泛采用。

“那么，一个过渡阶段就是简单地减弱这种影响。NASA的工作证明了所谓的简化车辆操作的可行性。”佐治亚理工学院副教授，航空工程师Brian German说。在这种情况下，管理飞行动作或导航和通信过程的大多数系统都由计算机控制，飞行员基本上告诉它该做什么以及去哪里。 “飞行员不能控制8或10个不同的转子，并期望保持任何程度的态势感知能力。”他说， “因此，当你在这个系统中推进操纵杆时，所有发生的事情都是自动的，将飞机指向你想要的方向。”

这种飞行现在已经触手可及，大多数无人机的飞行方式(以及许多特别先进的军用和商用飞机的某些方面)都是如此。但是，在商业空域中，安全认证的载客版本，且由真正接受最低限度训练的飞行员操作的系统—— 也是Uber所需要—— 仍然还有很长的路要走。这一点尤其正确，因为系统还必须能在城市复杂情况和恶劣天气中完美运行。

自动驾驶系统也缺乏人类飞行员所具有的那种判断力。 “自动系统很难理解不同的场景。”German 说，“也许，例如，你正在驾驶飞机，你会看到左窗外的森林火灾。一名人类飞行员立即知道飞越它可能不是一个好主意。但是自动系统将如何知道呢?我们将在系统方面遭遇 ‘创造力失败’。”

挑战之二：给飞机器充电

虽然大量的小型飞行器 —— 从Robinson R-22等双座直升机到任意数量的传统飞机 —— 理论上可以形成今天的空中出租车队，但Uber及其合作伙伴认为电动是可行的方式。这主要是因为电动推进比内燃机更简单、更可靠、更精确可控。虽然科学家们认为我们距离电池能量密度的上升还有几十年的距离，例如，允许区域飞机一次飞行数百英里，German 认为飞行汽车可以进行的短距离飞行实际上是用今天的技术来维持的。

例如，Uber此前宣布与电动飞机初创公司Karem合作，该公司正在开发可以更有效地调节现有电池的电力使用的可变RPM转子，这只是一种可能的解决方案。许多航空航天和技术专家认为，即使采用目前的电池技术，也只能实现10或20英里的短途飞行。不过，诀窍在于实现快速周转航班所需的高速充电能力，并克服密集城市环境中普遍存在的更广泛的电力供应缺陷。

挑战之三：实现低廉的建造成本

电池技术或会被证明不是一个限制因素，但制造可能会，特别是因为依赖规模经济的可持续空中出租车系统将需要数千架飞机尽快飞起来。其他行业已经解决了这样的制造挑战，但通常是在很长一段时间内。例如，汽车业务在过去20到30年间已经证明，现代制造技术可以显著降低制造最复杂现代汽车的成本。这包括整合新的高科技复合材料和合金，每个复合材料和合金在制造过程中都有独特的要求。在e-VTOL飞机上实现类似的量产可能是不现实的，但将一些批量生产技术从汽车转移到航空将是一个开始。

另一方面，这些是飞机，而不是汽车。与仅仅包含复合材料部件相比，制造轻质、坚固、经过碰撞测试和安静的飞机完全由复合材料制成，这是另一项挑战。用碳纤维等复合材料制造飞机仍然是一个手工执行的过程，因为制造商仍然需要技术工人来铺设材料，将元件连接在一起，然后扫描并消除结构空隙，可以这么说，气泡和其他弱点对于一辆四脚都在地上的汽车来说可能是可以接受的，但对于一个挤满了人，飞行在1000英尺高空的飞行豆荚舱来说却不行。German 说：“我和复合材料制造商谈过了，他们看不到达到我们谈论的那种费率的途径。”这一点极具有挑战性且成本高昂，航空业还没有能够大量实现这一目标，因为需求并不在那儿。对数十万台eVTOL飞机的需求最终可能会到来，制造技术可能会继续发展，但这种情况将持续数十年，而不是几年。

挑战之四：噪音

最后，还有噪音。在直升机噪音和城镇边缘机场的飞机轰鸣声中，空中出租车将在城市环境中运行。如果Uber想象的顶级飞行场景是，每小时看到数百次起飞和降落，那么飞机必须非常安静。 “航空业在联邦政府受到监管，但城市空中机动性的许多问题都是地方性的。”German 说。

对于小型垂直升力飞机而言，挑战不仅在于减少分贝，而且在声波标记中也是如此 - 也就是说，噪声如何与城市的背景混为一体(或不混合)。Uber一直在对此进行研究，并认为降低15分贝，无论是在体积上还是在城市环境中的普遍可检测性方面，将使飞机咔嗒声降至可接受的水平。 (当然，城市环境中的大部分噪音来自车辆交通，在未来几十年内，车辆交通本身很可能很好地过渡到电力推进。因此，eVTOL飞机面临“融入”环境的挑战可能只会因此而变得更糟。)

实现超静音电动飞机需要大量创新，因为机器仍然必须通过转子移动相同体积的空气才能升空和降落。一种方法是降低转子叶片的叶尖速度，因为它们在接近超音速时会变大。German 说，为此，工程师可以在每个转子上添加叶片，这样可以降低转速，同时保持相同的提升能力。所谓的分布式转子系统 —— 即六个或八个小转子，而不是仅仅两个 —— 也将有所帮助。German 说对于这一点他很乐观。

五年的时间似乎不够来克服这些挑战，甚至没有触及计划面临的更广泛的经济和监管问题，以及将空中的士纳入臭名昭著的老式商业空域所需的任何改进措施系统，但Landry和German都注意到，只要有人愿意支付费用，所有技术水平都可以实现。 “这件事有一定程度的不可避免性。”German 说， “所有这些技术都在不断融合和成熟。 一旦人们意识到技术在他们的生活中可以做些什么，甚至可以克服公众认知等事情。 最终，它成为一种文化现象，人们突然围绕它开始重新生活。”

就有点像横空出世的Uber，现在人们出行再也离不开它。