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震撼!Uber98页白皮书描绘未来城市空中交通系统【附下载】|智东西内参

Fourteen头条 智能内参2016/11/13

打“飞的”听来玄幻,结合Uber共乘商业模式、电力推进,以及NASA与FAA加持,垂直式空中交通似乎十年内有望。

智东西(公众号:zhidxcom)
编 | 十四

很多大型都市都面临着这样一个问题:城市中心集聚效应,与城市面积、人口过大而产生的郊区化产生矛盾。这个矛盾很直接的影响就是通勤成本,而过度通勤这一问题,似乎已经不单单是地铁、公交等公共交通能解决的了。

垂直式交通,似乎是解决城市交通问题的一项选择,而飞行器的设计也由来已久。本期的智能内参,我们推荐来自Uber的城市空中交通计划书,如果想收藏本文的报告全文,可以在智东西(公众号:zhidxcom)回复关键词“nc104”下载。

以下为智能内参整理呈现的干货:

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我们每天在路上浪费掉的生命,有上百万个小时。去年,三藩市人均在工作和家庭之间的通勤就有230个小时,相当于损耗了每天百万小时的工作产出。在洛杉矶和悉尼,居民几乎全年都在通勤。许多国际大都市的这一问题更严重:孟买人均通勤耗时90分钟。这意味着,我们花更少的时间在家庭、工作上,却花着更多的钱在不断涨价的汽油上面。

可以说,我们急需改善城市流动性,让人们的丢失的时间回归生活。由垂直升降飞行器(VTOL,即aircraft for Vertical Take-off and Landing)构成的空中交通将会是一个可行的方案,充分利用三维的飞行空间来提高交通效率。

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这种基于空中飞行器的公共交通体系将在成本方面,大大优于基于道路、铁路、桥梁和隧道的基础建设。我们可以将已有的建筑顶层、直升机停机坪、甚至高速边上的废置陆地改建为飞行器交通网络的枢纽,既减少预算,又可以提高灵活性。此外,VTOL不像汽车、公交、火车,无需遵照道路制定路线,也基本不存在可能的交通拥堵问题。

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美国国家航空航天局的协理署长,航空研究特派团首长Jaiwon Shin,最近就NASA对VTOL体系的可行性在白宫发言。

“空中的士,结合电力推进、自动化、垂直式起降和许多其他通信、导航功能,在复杂的空中领域,我认为这是让人兴奋的新的可能性。汇集这些所有功能,这可能会是航空业的新时代的黎明。”

VTOL服务目前主要有两大技术挑战:分布式电力推进(DEP)和自动操作技术。目前,已经有几个制造商展示和证明了DEP的优势,包括实现更为高效的巡航、所需的悬停功率、汽车控制、简明的设计、有效负载以及制造成本。

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垂直式起降的技术方案:

根据最近的科学技术发展,建设新一代的小型电动飞行器成为一件可行性高的事情。目前,有一打(超过12家)的公司,在尝试各种设计方案,来研发VTOL。

其中,Zee.Aero是飞行器设计公司中最大的一家组件技术公司,包括电机、控制器、电池、低噪的发动机等。目前,Zee概念飞行器已经设计了独立的垂直式起降功能,设计复杂度较低,但这会增加发动机的重量,降低推进效率。

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Joby Aviation则采用了不同的概念:使用S2/S4理念,利用分离的转桨控制旋转和飞行方向。这样一来,悬停飞行所需的推力会更少,内板的转桨可以更有效的推进机身,提高电机效率进行巡航。但这种铰接式的马达和推进器设计更为复杂。

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Airbus则呈现了Vahana概念飞行器,利用旋转的前后翼,而非转桨进行起降。这一点类似于NASA最近的GL-10 DEP飞行演示,这可以降低设计复杂性,避免悬停和过渡期转桨下降碰壁的问题。

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其他的创意,包括eVolo的18转桨,eHang的八爪直升机,都在飞行速度(~时速60英里)、负载、续航都有进展。

事实上,最切实际的空中运输设计方案就是直升飞机,但这一方案的问题在于直升机噪声过大,效率过低,有污染,成本高昂不适合推广应用。因此,未来真正可行的依然在于研发小型的电力飞行器。

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空中交通的计划看起来野心勃勃,这或许是在未来十年能够成真的计划。这需要整个VTOL生态系统中的关键参与者,包括监管机构、交通设计师、社区、城市、网络运营商,有效协作。

11个可预见门槛:

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1、认证过程

在VTOL系统能够在任一个国家取得运行资格之前,它必须要做的是取得法律资格,比如美国联邦航空管理局(FAA)和欧洲航空安全局(EASA),他们分别掌管全球50%和30%的航空活动,保证飞行被控安全。VTOL新生事物,不论是认证标准还是认证过程都会比较缓慢。

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2、电池技术:

基于电力的装备有很多理想特性,这使它成为空中交通理想的推进择,那么电池,显然就是电力的来源了。但目前的电池能提供的能量显然还不足以满足通勤需求。此外,如何快速充电、电池寿命和维护、电力成本也是主要难题。

日前,美国国家航空航天局(NASA)和美国联邦航空局(FAA)牵头发起了一系列对按需流动性(ODM) 讲习班,汇集了整个垂直起降生态系统,包括飞行器制造商、联邦机构、私人投资者、专业社团、大学和国际航空组织,就VTOL服务的ODM电池问题进行研讨。

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3、运载效率

目前,最接近VTOL计划的原型是直升机,但它们的能源效率不高,在经济上也无法实现大规模使用。直升机是为了更为灵活的垂直飞行操作设计的。针对面向共享乘坐的VTOL,可以采用分布式电力推进技术(DEP)。DEP提供的机翼可调功能,可以帮助VTOL灵活升降的同时提高能源效率。但目前并没有商业DEP,因此,成本问题可能是一个重要考量。

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4、运载性能和可靠性

节约时间是垂直起降的关键价值主张。在共享乘车用例中,我们测试并最小化了整体的请求和降落时间。这主要受飞行器运载性能的影响,包括巡航速度和起飞、降落时间,以及系统可靠性。这里面的关键问题在于设计飞行速度150-200英里每小时,起飞、降落时间1分钟的飞行器。此外,途中可能遭遇的天气问题也需要考量。

5、空中交通管制(ATC)

目前,城市领空事实上已经开放商用,而VTOL涉及的起降,与ATC系统完全相同。根据可见飞行规则(VFR),飞行员在必要的时候可以独立ATC飞行,遵从现有ATC中的仪表飞行规则(IFR)。为了处理VTOL可能带来的大量空中交通问题,我们需要新的ATC系统。其中一种方案是在高海拔位置设立于一个服务器进行系统管理,允许自主的分离可能有冲突的当地问题,即便气候恶劣,也能保持运行。

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6、成本和负担能力

如前所述,目前作切实际的是直升机,但它们的过于昂贵,能源效率低,维护成本高,且噪音强。因此,需要建立低端制造链。目前民用直升机的年产为1000左右,规模不足。VTOL需要更为简单的机械结构设计、数字控制等。降低制造成本能够带来良性循环,进一步扩大市场规模。

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7、安全

Uber认为,从单位乘客单位行程的事故率来看,升降式交通将比汽车驾驶更为安全。联邦航空管制(FAR)的事故统计表明,通勤飞行操作比按需航空操作高出两倍多,但通勤飞行的危险率或许可以通过成熟的VTOL体系降低四分之一。

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8、飞行噪音

如果空中交通发展起来,飞行器必然要尊重社区,这样一来,飞行器噪音问题就很重要了,最好是跟环境背景噪音相近。Uber分析认为,飞行器噪音水平可以降低到,当它飞过屋子,只比婴儿哭声响一点。超静音设计的关键在于发动机噪音和推进器推力噪音。

9、排放量

作为未来城市交通,VTOL可能有着大规模的应用,它们对生态的可持续必须负责。从这一点来看,直升机倒是不错。Uber认为,降低排放量的重要手段在于更好的电动设计。

10、起降坪

VTOL面临的最大业务障碍在于城市中部署起降坪。城市并没有必要在地面建立起降坪占用空间资源。目前,有很小一部分城市拥有较多直升机场,这可能足够提供VTOL飞行器起降,但为了VTOL的推广,必须建立新的城市基础设施。

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11、飞行员培训

成为一名飞行员需要长时间的训练,包括500小时VFR和1200小时IFR。而VTOL的推广将对飞行员的需求急剧上升,提出大量培训需求,供应短缺的合格飞行员将大大限制VTOL的实用性。这可能需要飞行器设计时注重更多的自动化功能。

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总的来看VTOL的主要目标人群是那些行程远,耗时长的人们。路途越远,VTOL能省下的交通时间成本和金钱成本就会越多。此外,虽然在郊区建立空中交通停靠站需要花一些时间,但停靠站一旦建立,将能使附近很大公里范围内的人们受益,他们只需花一点时间开车过来,然后坐上飞行器就可以了。

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长远来看,VTOL将成为一个可盈利的项目,因为这是确实的,大量的日常交通需要,而且比起买一辆车便宜不少。很多人对飞行器的固有印象就是昂贵,但这实际是由目前过低的产能造成的。当然,即便是小型电力飞行器,其成本依旧是汽车的20倍之多。

Uber表示,城市空中交通体系想要实现,涉及四个维度:飞行器,需要满足VTOL的具体要求,解决大量技术问题u;基建和业务,需要适合城市,以及城市上空规划;驾驶员,VTOL要求驾驶员熟悉起降,并具备一定的拼车网络经验;经济,需要考虑VTOL的运营成本,及其大规模推广的消费现象。

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智东西认为,如果VTOL可以在城市交通扮演其角色,它将是非常低噪、快速、清洁、高效、安全的交通方式。在NASA联手FAA的技术和政策推动下,制造商也有能力提高产出(至少每年能有上千个特定机型),这使得VTOL有望降低成本。它的产业链将更类似于汽车,而不是飞机。VTOL城市交通方案一开始会非常昂贵,但基于合乘模式,也能运营,一旦步入正轨,正反馈循环将接踵而至。技术方面,也将逐渐实现更高的负载、更低的制造成本。这将与现有的地面Uber成长模式非常相似。

不过,在美国的大型城市,市区的各个单位之间的通勤,主要依靠步行,而郊区之间的主要交通则依赖于汽车,公共交通相对而言并不发达,无法覆盖整个郊区。因此,Uber的着向空中飞行计划显得适应需求。北京的情况可能与东京比较类似,城市范围主要依赖公共交通,城市发展比较平均。换言之,开车去六环可能并不难,主要的交通问题依然在于市区拥堵。

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