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优步空中交通计划:2020年测试运营

核心提示: 今年4月,在美国达拉斯举行的Uber Elevate峰会上,优步公司宣布其eVTOL空中出租飞机计划于2020年开始测试运营。
今年4月,在美国达拉斯举行的Uber Elevate峰会上,优步公司宣布其eVTOL空中出租飞机计划于2020年开始测试运营,目前距离2020年已不到3年时间,为此优步正紧锣密鼓地汇集飞机制造商、电池制造商、政府空域管理人员、交通监管机构和城市交通网络制定者,全面铺开w88官网器、电池技术、安全保障和运营网络的研发工作。 美国优步公司自2010年成立以来,一直致力于提供一键呼叫出租车及共享汽车的服务,截至今年5月,优步公司的一键呼叫打车服务累计使用次数已达50亿次,涉及全球450多个城市。2016年10月,优步公司又提出一键呼叫出租飞机的计划,设想在城市中建立一个空中交通网络,部署数千架垂直起降的电动(eVTOL)飞机作为空中出租飞机,并将其与共享汽车和公共交通连接起来为乘客提供最后1km的服务,以此缓解城市地面交通拥堵。这一计划一经提出,立即引起许多国家的兴趣,美国、阿联酋和新加坡等国的交通管理部门甚至已着手把这种空中出租飞机作为他们2030年的城市交通愿景。一些飞机制造商也开始研制形态各异的eVTOL空中出租飞机。于是一系列问题也接踵而至——eVTOL飞机究竟是什么样的?电池技术的进步是否能跟上eVTOL飞机使用的步伐?eVTOL飞机怎么运营?安全性能如何等。为此,本文详细阐述了优步空中交通计划及其相关的各类技术进展。 优步空中交通计划对eVTOL的要求 优步公司已明确表示,其4座eVTOL飞机将在2023年进入低速生产,届时该机应具备总重约为2270kg、在300mw88官网高度时的巡航速度为280km/h、航程为165km、有效载荷为360kg等性能要求。目前优步公司已经与美国极光w88官网科学公司、贝尔直升机公司、巴西航空工业公司、美国穆尼/卡特航空技术公司和蝙蝠飞机公司(Pipistrel)签订了合作研制飞机的协议。 至于优步公司为何选用eVTOL飞机,其主要原因是由于电推进系统与内燃机推进系统相比,电网的能源成本只有航空燃料成本的30%,而且电推进系统的效率是内燃机的2~4倍。另据波音公司的一项研究表明,4座的倾转旋翼eVTOL飞机与活塞发动机驱动的罗宾逊R44直升机相比,其座英里的运营成本可降低26%,而且推进系统的结构更简单、维护成本更低。 电池技术的发展路线图 能量密度、充电时间、循环寿命、安全性以及电池成本是代表电池性能的关键参数。这些参数之间以复杂的方式相互关联,如能快速周转的eVTOL飞机需要使用能快速充放电的电池,但快速充放电会降低电池寿命、提高电池温度,所以电池既要做好安全热管理又要避免热损失。而能源密度不仅直接决定了eVTOL飞机在空中w88官网的时间,也关系到能驱动的eVTOL飞机的大小。波音公司的一项研究表明,电池能量密度如果能达到400W·h/kg,预计就能用于现在正在设计的很多小型eVTOL飞机,但是要生产这种能量密度的电池显然已超出了现有的技术水平,所以现在正在研制的小型eVTOL飞机,大都把电池的能量密度限定在250W·h/kg量级。 微信图片_20171010095616 空客Vahana eVTOL将使用两个200 W·h/kg的锂聚合物电池组。 优步公司制定的在2023年使用的 eVTOL飞机的电池能量密度的目标是:单个电池级的电池能量密度为350W·h/kg,电池组级的电池能量密度为300W·h/kg,充电电池应能在15min内充好30%~90%,使用寿命为500次循环,成本为400美元/(kW·h)。优步公司还制定了长期目标:到2028年所用电池的使用寿命为1000次循环,到2032年所用电池的使用寿命为2000次,到2030年所用电池的成本降到200美元/(kW·h)。为了能在优步公司设定的时间范围内达到能量密度的目标,众多电池厂商开始使用新的化学物质研制电池,其中锂硫和锂金属是主要候选者。美国Seeo电池公司正在试验能量密度达350W·h/kg的锂聚合物电池,最终目标是研制出能量密度达400W·h/kg的电池。美国Pellion技术公司于2016年开始将能量密度为360 W·h/kg的镁离子电池用于无人机,并且表示有信心在2018年达到优步计划中eVTOL验证机的能量密度目标。此外美国固体能源公司已经展示了单个电池级能量密度为426 W·h/kg的锂金属电池研究并声称将在今年底前达到优步公司的能量密度目标。 此外,充电电池的充电速率和循环寿命还将影响优步eVTOL飞机的利用率。研究表明,只有电池每使用500次才更换一次(相当于使用3~4个月),eVTOL飞机才可开展服务。考虑到这个原因,目前优步公司正与美国充电桩公司(ChargePoint)合作研制充电速率为400kW/h的电动w88官网器充电桩,用于垂直起降机场,以提高eVTOL飞机的利用率、降低使用成本。因为按照现有的充电技术,充电电池高速率充电5 min就会使电池温度至少提高25%,所以充电桩还应具备使用高速循环冷却液将电池温度保持在安全水平的功能。当然,冷却电池的另一个好处是,使用预冷的电池也能为充电电池提供更高的放电功率。 安全性保障的路线图 安全性是关系到优步空中交通计划这一新商业模式能否得以实施的根本。为此,优步公司的目标是使eVTOL飞机的安全性达到汽车的两倍以上,一键呼叫直升机的4倍以上。具体可以从两方面来说明。 微信图片_20171010095830 美国使用无人值守的交通管理系统完成一键呼叫的航空任务。 从飞机设计的角度来看, eVTOL飞机动力传动系统的能量源、传输总线、电力、设备、电机和推进器都有冗余设计,特别是分布式电推进以及自主w88官网系统的冗余设计更被视作关键的安全因素。相比之下,直升机旋翼动态系统的单个故障就可能导致机毁人亡。此外, eVLOT飞机的机体大多使用重量很轻的复合材料制造,可安装弹射降落伞,从而确保飞机在动力失效时飞机及乘客的安全。而直升机的旋翼安装在驾驶舱上方,所以无法安装弹射降落伞,因为旋翼会把降落伞切碎,而eVTOL飞机的旋翼都安装在驾驶舱周围,因此不存在这样的问题,虽然目前的机载降落伞还受到最小打开高度的限制,但制造商正在努力改善这一情况。 从政府航空管理监督的角度来看,eVTOL飞机如何有一个全新的认证规章、如何通过认证是确保安全的另一个非常现实的问题。 按照美国FAA的现有标准,eVTOL飞机应通过FAR 27部(用于认证旋翼航空器)、FAR 23部(用于19座固定翼飞机)和FAR 21.17b部(用于特种飞机)认证,但是大多数飞机制造商更倾向于通过FAR 23部和EASA CS-23部,而不是FAR 21.17b部认证。目前 FAR和EASA(欧洲航空安全局)分别对FAR 23部和EASA CS-23部进行了彻底的修订,通过设定适应行业发展的新标准来进行管理,且修订后的EASA CS-23部允许飞机、发动机和螺旋桨作为一个整体进行认证,这对eVTOL飞机相当重要,因为这类飞机的推进系统和飞机机体是高度集成的。下一步优步公司将与政府交通监管机构合作探讨如何使eVTOL飞机的推进系统和自主w88官网系统得到安全认证,并将目前正在研究的、适用于小型无人机低空w88官网的“无人机空中交通管理” (UTM)规章扩展到eVTOL飞机的型号认证、w88官网管理、交通规则等规章的制定中。此外,优步公司还表示希望能将NASA和FAR的UTM系统扩展到更适合eVTOL飞机起降的建筑物屋顶和机场周围的B类空域(从地面到3000m高度)中,通过UTM自动通知和授权eVTOL飞机进入批准的空域。 运行网络路线图 优步空中交通计划能否顺利实施,建立eVTOL飞机运行网络是优步必须跨越的重要关口。为此,优步制定了“先爬行,再步行,后跑步”的三步法,即从低密度运行网络起步,接着过渡到中密度运行网络,最后发展到高密度运行网络。  优步计划在2023年开始低密度的“爬行”阶段,这一阶段要向公众证明eVTOL飞机在城市中可以安静、安全地运行。第一年先投入50架飞机,依据一键呼叫直升机的航线和视觉w88官网规则(VFR)进行运行。航线的长度也将先从较长的通勤航线着手,之后随着新建的垂直起降机场的密度的加大,逐渐缩短航线的距离,最好能把一次w88官网的时间缩短至2~3 min(相比开车则需20~30min),以便让公众体会到能随时随地一键呼叫eVTOL飞机的快捷和低成本的优势。  微信图片_20171010095836 从政府航空管理监督的角度来看,eVTOL飞机如何有一个全新的认证规章、如何通过认证是确保安全的另一个非常现实的问题。 接下来,优步将在3年内迅速发展向中密度的“步行”阶段。这个阶段优步将建立一个大约由300条航线连接的25架 eVTOL飞机组成的运行网络,大多数航线的w88官网距离为30~80km,此外,一座城市的eVTOL 机队规模也将扩展到300~500架。 最后发展到高密度的“跑步”阶段,那时运行的eVTOL飞机在50~65km半径内要达到1000~1200架飞机,每天能运载15万人次,相当于目前使用仪表w88官网规则(IFR)w88官网飞机密度的4倍, 同时将采用完全自主的eVTOL飞机, 包括在开始起飞后的15m和着陆的最后15m距离内有足够的自主起飞和着陆能力,同时具有自主的空域管理、调度、间隔协调和应急管理能力,以确保安全的同时运营多架飞机。 值得一提的是,为了最大程度地确保安全性,优步在低密度阶段仍会使用有人驾驶的eVTOL飞机,但是很快就会转移到使用自主的飞机。这不仅是为了降低w88官网员带来的高昂成本,还因为一旦eVTOL飞机的数量太大,所需w88官网员的数量将远远超过美国现有w88官网员人数。 综上可见,优步的空中交通计划有着严密的发展路线和清晰的阶段目标,当然最终是希望变革数百万人的城市交通方式,实现全球航空运输业的第三次革命。
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责任编辑:实习生 穆坚