引领城市空中出租车变革（英）

先锋 城市空中交通革命 1.0 TABLEOFCONTENTS 城市航空运输案例3 城市空中出租车馆4 能源成本16 电池成本18 其他费用驱动因素19VOLOCOPTERonCOSTS21 Conclusion25 贡献者27 城市航空运输案例 预计未来十年将是人类历史上最大的城市移民时期。到2030年，全球60%以上的人口将居住在城市。地面基础设施已经在许多地区满负荷运转，正在努力跟上这种城市增长。我们认为，应对城市化挑战的一个答案是登上天空，在城市环境中释放航空旅行，作为地面交通的可行替代方案。 在本文中，我们将说明为什么Volocopter认为我们正处于实现城市空中交通（UAM）的技术革命的风口浪尖。 我们将专注于城市空中出租车任务的要求，并讨论我们如何专门设计Volocopter，我们的电动垂直起降（eVTOL）飞机，并考虑到这一任务。 重要的是要注意，在本次讨论中，我们将重点关注城市内运输用例：在城市内飞行乘客，最大的痛点将得到缓解。我们不会解决高速区域班车的要求，高速区域班车将在大都市地区之间运送乘客。 电子飞行的复兴 在深入研究之前，我们想反思一下电动推进正在进行的复兴，这项技术将解锁城市空中交通。 航空中电力推进的概念几乎与航空本身一样古老。第一架电动飞机于1917年首次亮相（系留PKZ-1 ），电动航空在过渡时期一直是业余爱好者的替代品。现在，随着多旋翼分布式电力推进系统的进步和管理它们的复杂控制，电力推进终于成为碳氢化合物系统的可行替代方案。 城市空中出租车馆 城市空中出租车的任务是以与替代交通方式竞争的价格将乘客和行李从A点运送到B点。为了完成此任务，eVTOL将需要至少满足以下非详尽列表中的要求。 1.安全与认证：城市空中出租车需要与任何其他商用飞机一样安全，因此其设计应符合同等的安全标准。 2.噪音排放：为了在城市中飞行并在人口稠密地区起飞/着陆，城市空中出租车必须遵守严格的噪音限制，以实现公众接受。 3.范围和速度：空中出租车需要能够覆盖主要城市中最受欢迎的高交通路线，例如机场到市中心的路线。与地面交通替代方案相比，这些旅行应该以合理的高速度覆盖，以节省时间。 4.运营成本：为了实现可行且可扩展的业务，以满足有意义的客户群，空中出租车的运营成本应足够低，以提供具有竞争力的价格的运输服务。 5.座位数：乘客座位数是关键的设计驱动因素，需要与城市空中出租车任务的需求相匹配。 6.可用性设计：乘客需要能够舒适安全地上船，旅行和下船。这将需要对机舱噪音水平，振动 ，气候条件，感知安全性等的设计要求。 我们将在下面详细解决这些要求中的每一个，并详细说明Volocopter在开发可行的城市空中出租车产品时如何解决这些要求。 图1作为城市空中出租车部署的Volocopter 安全与认证 在为城市空中出租车任务设计下一代eVTOL飞机时，安全至关重要。该服务只有在能够安全运行的情况下才能获得公众的认可。为此，欧盟航空安全局（EASA）于2018年10月发布了SC-VTOL-01“小型VTOL飞机的拟议特殊条件”，概述了eVTOL的适航标准。（最终版本预计将于2019年6月由EASA发布。 图2中显示的数据反映了对最终版本的更新，该更新已在2019年2月27日EASA的VTOL特殊条件简报中共享。）在本文档中，EASA定义了城市空中出租车所需的安全目标， 我们赞扬EASA为这个新市场提出了明确的规定，并认识到坚持最高的安全标准是市场成功的关键。 最大乘客座位配置 故障条件分类 Minor Major 危险 灾难性的 类别增强 0至9 ≤10-7 FDALD ≤10-<unk>FDALC ≤10-'FDALB ≤10-¥FDAL A 基本类别 7至9 ≤10-7 FDALD ≤10-<unk>FDALC ≤10-'FDALB ≤10-¥FDAL A 2至6 ≤10-7 FDALD ≤10-<unk>FDALC ≤10-'FDAL C ≤10-8FDALB 0到1 ≤10-7 FDALD ≤10-<unk>FDALC ≤10--FDAL C ≤10-'FDAL C 定量安全目标按飞行小时表示 图2根据2019年2月27日VTOL特殊条件简报的eVTOL飞机（EASA）的安全目标 实际上，在设计符合这些标准的新飞机时，我们必须考虑到系统的各个方面，包括（但不限于）产品设计，机组人员培训，维护方面，制造，空中交通管理部署等。在本白皮书中，我们将讨论仅限于车辆本身的安全性。 原则上，空中出租车的最低安全要求将标准化，因此每辆车都应相同。这些标准由EASA和FAA等国际航空机构制定和执行。任何不符合安全要求的车辆将不允许在商业运营中飞行。因此，我们希望安全虽然是一个进入壁垒，但不会成为一个区分因素。但是，如果我们研究细节，可能会有很大的差异。这是因为从历史上看，类型认证要求中没有概述特定于任务的要求。相反，它们是在运营商需要满足的额外操作要求中指定的，以便获得特定任务的批准。 EASA在SC-VTOL认证基础上定义了这一点。简而言之，SC-VTOL预见了不同级别的安全要求，具体取决于 飞机的预期任务。仅用于城市以外的运动和休闲活动的飞机必须达到比用于城市内商业航空出租车服务的飞机低100倍的安全水平(即比较图2中的“基本”和“增强”要求)。 因此，当我们比较不同的eVTOL概念时，我们需要在其预期任务的背景下看待它们。如今，许多以“空中出租车”销售的eVTOL实际上更有可能是“运动休闲”型飞机。从设计上讲，它们不太可能满足城市空中出租车的严格安全要求。FAA和EASA都提供了在市区以外非商业运营此类飞机的方法（例如Procedre当归类为“超轻型”飞机时)。 在开发Volocopter时，我们将设计的各个方面都考虑到了安全性。我们认为安全性和简单性密切相关。因此,架构越简单,飞行器将越有可能获得认证。具体来说，Volocopter有18个装有固定螺距转子的电动机，它们只有一个自由度：它们运行的rpm（每分钟转数）。在这种高度冗余的推进系统中没有倾斜组件，相对于单个电机故障，这是非常强大的。换句话说，即使在多个电机故障之后，Volocopter也可以安全地结束其任务。这实质上使车辆能够满足EASA规定的安全标准。在Volocopter飞行控制系统及其机载数据网络中设计了类似级别的冗余。Volocopter是少数真正设计的eVTOL之一，可满足城市空中出租车任务的所有安全要求。 图3在城市环境中进行飞行试验的Volocopter 已经提出了许多不同的eVTOL体系结构，我们认为，系统变得越复杂，显示系统将具有认证所需的低故障概率就越困难和昂贵， 即关键系统功能的故障概率为十亿飞行小时之一。有一些有趣的结构，包括倾斜的机翼，倾斜的旋翼和可变螺距的螺旋桨。这些都可以工作，并且是如此惊人的技术。但是，以证明所需的低故障概率的方式设计它们可能很困难。 例如，想象一下，如果倾斜旋翼在倾斜中途被卡住，要显示持续的安全飞行操作将是多么困难。即使是诸如可伸缩起落架或电动轮制动器之类的基本设备也很难证明，因为故障通常会导致飞机损失。 总结一下我们的立场：简单性=安全性=可认证性。 噪声发射 任何城市空中出租车的下一个关键设计驱动因素是噪声信号。今天，许多城市的直升机飞行受到严格限制的原因之一是它们造成的“噪音污染”。如果空中出租车要被在他们乘坐的城市中生活和工作的人们所接受，它们将需要以严格限制地面上可听到的噪音水平的方式进行设计和操作。另外,所产生的噪声应当是主观上无干扰的。无论噪声的实际分贝水平如何，某些频率都被认为比其他频率更令人不安。以传统直升机尾桨的高音调声音为例。 在Uber的Elevate白皮书中1,noiseisidentifiedasoneofthemajordifference-tiatorsandvehicledesigndrivers.FurtherstudiesbyPorscheConsulting2，罗兰贝格3，和麦肯锡4转子叶尖速度和转子叶片的数量定义了频率特征,并结合圆盘载荷定义了转子的整体噪声水平。 在简化的术语中,这意味着相对于其重量具有小的转子表面的空气滑行可能非常大。这是因为飞机的重量将需要通过使用非常小的转子表面将空气加速到非常高的速度来承载。另一方面,具有相对于其重量相当大的转子表面的空气滑行将具有更好的噪声特征,因为它可以通过在更大的表面上以较小的速度加速空气来提供所需的升力。 此外,保持低转子尖端速度是改善噪声特征的另一个关键。 1UberElevate；“快速转发到按需城市航空运输的未来”；2016年10月 2保时捷咨询；“垂直移动的未来”；2018年3月 3罗兰贝格有限公司；“城市空中交通：新交通方式的兴起”；2018年11月 4麦肯锡公司未来移动；“为起飞而滑行：你未来的飞行出租车”；2019年1月 人类动力多翼机JetPack 像滑翔机噪声像一辆赛车非常令人平衡噪声频谱不安的150千瓦 0.7kW所需功率 图4相同有效载荷的噪声提升差异（来源：Aerovelo，MartinJetPack） 为了使圆盘载荷、叶尖速度和噪音之间的这种关系可视化，考虑以下两种用于提升一个人的重量的应用。难以听到人力多旋翼的缓慢移动的大型旋翼，而“喷射包”解决方案及其小型快速旋转的旋翼会产生大量噪音（与图4相比）。 上述情况在关键的垂直起飞和着陆阶段适用，在该阶段，与地面上的人的距离最小。在足够速度的巡航飞行中，使用机翼产生升力可能是降低噪声特征的有效方法，尽管传统螺旋桨的垂直噪声排放可能会抵消这一优势的一部分。 在观察城市空中出租车任务时，就噪音排放而言，最关键的阶段是起飞和着陆。正是在这些阶段，飞机对周围地区和人员的影响最大。像具有大旋翼面积和低圆盘载荷的Volo-copter的飞机将更有可能遵守严格的噪声规定，并被允许进入人口稠密的地区。重要的是要注意,大的转子盘面积可以通过使用几个大转子或许多小转子来实现。可以通过使用大量的小转子来实现更慢的尖端速度,这又减少了来自转子尖端的噪音。此外,大量较小的转子被认为比一个较大的转子更安静。这是因为各种弱噪声源在宽频谱上传播噪声,其比一个突出噪声源对人耳的干扰更小。 3x更安静 76dB(A) 82dB(A) 65dB(A) 73dB(A) 90dB(A) >100dB(A) 45dB(A) 50-60dB(A) 洗手 正常语音 Volocopter 纽约的平均道路噪声 Volocopter R22 燃气割草机3英 B747-400 徘徊在远处 暴露 在远处着陆 徘徊在远处 尺 2mi起飞 75米 30米 75米 （纽约地铁列车） 图5Volocopter可以集成到城市中，而不会增加更多的噪声污染 Volocopter在其空中出租车的设计中考虑了所有上述因素。因此，Volocopter已成为噪声特征最低的空中出租车，最适合飞往人口稠密的大城市中心，而不会增加目前的噪声污染。 范围和速度 关于城市空中出租车的最激烈争论的问题之一集中在城市空中出租车任务所需的eVTOL范围上。与常规飞机相比，城市空中出租车飞行距离非常短，因此只需要有限的范围即可提供有用的功能。 Uber的Elevate论文表明，城市空中出租车将主要对所谓的“大型通勤者”有用，这些人每天通勤超过160公里，因此为这些通勤者提供了最小可用范围，距离为该距离的一半（80公里）。该论文还建议，在两次飞行之间没有机会为电池充电，这意味着空中出租车必须在不充电的情况下进行回程（160公里）。作者断言，对于较短的通勤范围，地面基础设施要求对于实际目的来说过于繁琐。 图6由于其低噪声特征，Volocopter可以飞入人口稠密的地区 Volocopter采取不同的观点。Elevate论文集中在有限数量的地理区域中的一个非常具体的用例（大型通勤者）。然而，