面向城市的空中出租车

Flyka 谈无人空中出租车市场。

今年，人们对飞行汽车和空中出租车的兴趣急剧上升。原因在于：多个国家宣布着手制定此类交通工具的法律框架，一批研发者（包括市场上的大型玩家）走出幕后，以及相关领域——电动汽车与替代能源——的蓬勃发展，推动了对该方向而言至关重要的大容量电池和高效电机技术。

还应当考虑到，通用航空占民用航空全部航空器的 89%，全部飞行的 87% 由通用航空完成，而飞行汽车和空中出租车恰好属于这一类别。仅在美国，该行业每年的税收贡献就达 40 亿美元，年营业额达 500 亿美元，并保持稳定增长。这是一个庞大且相当保守的市场，因此一种新型飞行器的出现令其活跃起来也就不足为奇了。








Flyka 正在研发一款基于自持式动力单元集群分布式架构的安全城市空中出租车，这种架构使飞行器能够抵御发动机、电池、系统故障乃至机上火灾，同时将运营成本控制在低于直升机的可盈利水平。在本文中，我将尝试解释为什么选择这样一种架构、我们公司对未来市场的展望，以及为什么该领域相当一部分现代项目将会输给如今已经存在的飞机和直升机。


市场。

着手任何研发时，人们总会问两个问题：
a）你面向的是哪个市场？
b）用户为什么会选择你的方案而非现有方案？
问题在于，通过空中运送人员的任务早已解决。有轻型直升机，有中型和重型直升机，有轻型飞机和客机。将人员运送到任意距离的空中运输任务，现有手段此刻就能完成。那么问题到底出在哪里？
问题出在成本和安全性上。在纽约乘坐空中出租车要花费 500-2000 美元。在俄罗斯价格也一样，因为节省下来的飞行员薪资被直升机及其零部件的进口关税抵消了（我国不大批量生产轻型直升机）。在如此价格下，这项服务无法普及。





为什么要研发一种新型飞行器？

因为在现有机型上无法把航空运输做得更便宜。
整个现代航空都走在提高零部件质量的道路上，从而提升飞行安全，也……提升了机器的成本。每隔固定的时间间隔，航空技术要按“检修等级”进行维护。例如，对于米-171规定每 25、50、100 等飞行小时进行一次检修。根据检修内容的不同，工作从机器外部检查到部件拆解与探伤不等。探伤由受过专门培训的人员在持牌公司使用专用设备完成。这些人每年参加进修课程，并连同公司一起更新自己的执照。另一些人——制造商的代表——负责延长使用寿命并参与技术准入。有人发放执照，也有人给他们发放执照。这是一个由成千上万人组成的巨大蚁穴，其中每个人都领薪水，机构则获利。而这些钱都来自飞行小时的成本。要降低飞行小时成本，只能通过简化维护。
第二项开支是飞行员。需要培训他，需要给他发薪水，同样还要更新他的飞行员执照。
第三项是调度服务，它必须在拥挤的城市空间中协调飞行员的工作。







为什么用多旋翼？

多旋翼架构能够回答那个问题——用户为什么会选择你的方案，即飞行安全性（如果多旋翼设计得当的话）。

问题在于，受损的飞机可以靠滑翔着陆，直升机可以靠自转着陆。但在大都市里没有这样着陆的空间。要靠降落伞下降，至少需要先稳定住坠落中的飞行器。如果飞行器在旋转——例如因动力单元非同时失效而获得的冲量所致——它就会干脆缠进伞绳里。但即便飞行器稳定住了，降落伞也及时张开并充满，在大都市又该往哪里落呢？落到高速公路上、落到有孩子和车辆的院子里、落进河里？……而且乘客大概也不会喜欢这样的“游乐项目”。

多旋翼架构比单旋翼架构出现得更早。在切列穆欣和卡拉迪诺·达斯卡尼奥的首批直升机时代，恰恰是单旋翼方案被认为没有前途，而航空展上却满是多旋翼机（Breguet-Richet 旋翼机、de Bothezat 直升机、Cornu 直升机等）。多旋翼在工艺上更先进、逻辑上更合理，因此更早被发明出来并如此受欢迎。但操控多旋翼很困难。如今这个问题已不复存在。自动控制系统早已比机械装置更便宜。战斗机多年来就采用气动不稳定方案建造，客机在大部分飞行时间里由自动驾驶仪操控，还带有基于 TCAS 的自动避撞。

提升飞行器安全性有三条途径：
§ 提高各个元件的可靠性；
§ 减少关键元件的数量；
§ 将系统做成分布式，对元件进行多重冗余。

多旋翼同时符合所有这三条途径——没有直升机固有的机械操纵元件（其中每一个都是潜在的故障点），这提高了可靠性并简化了维护（标准元件的模块化更换），也简化了自动驾驶仪的集成（无需安装额外的伺服机构，而伺服机构本身又是故障来源）。由于机械部分的简化，提高元件可靠性的问题转移到了电子部分，而电子部分更便宜、更易于冗余。

冗余与这种架构完美契合，因为核心元件——动力单元——本身就是分布式的。冗余程度很重要。四旋翼在任意一个动力单元失效时就会坠落，但螺旋桨过多又会降低系统效率。动力单元的最优数量可以根据所需可靠性和每个旋翼的故障模型，通过数学方法不难算出。

也别忘了电池。无论你有多少个动力单元，如果它们全都由一块电池集中供电，或由一块自动驾驶板通过唯一一根电缆控制，那都无济于事。在我们的项目中，每个动力单元都有自己的电池，悬挂在各自的发动机下方。这不仅隔离了动力单元内部的任何故障（包括火灾）、排除了相关故障和雪崩式故障，还把电池的质量负荷从机身上卸下，使机身可以做得更轻。自 2020 年初以来，已经有两架电动飞行器起火——Alice 和 Lilium——而更早之前波音 787 也曾出现锂电池起火问题。

在我们看来，把电池布置在乘客近旁会给任何航空项目判死刑。飞行中危险本就众多，何必还要自己给座舱埋雷？……而在硬着陆时，它就一定不会在游客的座椅下炸开吗？





为什么用自动驾驶仪？

自动驾驶仪能够把飞行员和调度员从系统中去掉。
确实，屋顶到屋顶的穿梭飞行相当可预测，也很容易计算。没有任何必要为了一段 15 分钟的飞行而在机上配备一名合格的飞行员。

调度和飞行器在空中的避让，用自动化控制系统解决要高效得多。不需要任何人工智能、机器视觉和区块链。移动或无线电通信、坐标和速度数据，以及一个统一的轨迹分析服务器，就能用向量代数把飞行器分到不同的高度层。如果同时使用多家移动运营商和多套卫星定位系统（这里也是冗余），失联的概率就微乎其微。城市空中出租车不需要在所有通信系统失效的核战争条件下工作，况且，最简单的 TCAS 用现代元件也能低成本实现。






为什么用电？

在屋顶到屋顶的穿梭机构想中，燃料的运送和储存成了尖锐问题。把成吨的燃料和润滑材料储存在暴露于雷电和静电的屋顶上很轻率，而保证燃料运送更加困难——用油桶在电梯里运送几乎不可能，因为这违反电梯使用规则。必须创建一种单独的飞行加油机和加油服务，而这将推高运输成本并使系统复杂化。也别忘了城市的生态问题——空中出租车的排放量将相当可观，而一架从天而降的加油机会造成巨大损害。

与此同时，电力驱动如今就已能提供足够城市内飞行的续航时间，而分布式（因此散热良好的）能源系统的充电时间以分钟计。所需的电功率如今建筑物内就已具备。电力动力单元结构更简单，这使得构建分布式系统时的成本增量和维护复杂度增量比内燃机更小。如果把城市空中出租车的空中巡航速度固定下来，从而放弃变距系统，那么整个动力装置中会磨损的就只有唯一一个轴承，其寿命为 6000 小时。

很能说明问题的是，直到两千年代中期，遥控模型市场——尤其是飞行模型——都相当小众。为了玩 10 分钟飞机，得往油箱里加注有毒且受管制的燃料，预热火花塞，用手持电动启动器或手指（有失去手指的风险）启动发动机。而一旦失事，修复模型既费时又昂贵。随着廉价锂电池和电机的出现，市场实现了飞跃。模型成本下降，其种类成倍增加，它们摆满了商店货架，出现了以前无法想象的多旋翼机。正是转向电力、降低拥有的麻烦程度才带来了这样的结果。

问问你自己，你会买一台需要加甲醇、用手指启动的自拍无人机吗？





为什么不用倾转旋翼机？

研发公司展示的许多项目都采用倾转旋翼方案建造。为了理解这种方案的问题，我们来看看螺旋桨效率这个概念。螺旋桨直径越大、转速越低，效率就越高。因此直升机才是那个样子。为高效率付出的代价是直升机最大速度受限，这是由相当慢的桨叶——相对于直升机运动反向运动的那一侧——上的气流分离效应引起的：相对于空气，它的速度和升力趋近于零。

飞机的螺旋桨则相反，直径小、转速高。这是为速度付出的必要牺牲——快速螺旋桨在更高速度下会出现堵塞（或称“波阻危机”）。

现在来看看倾转旋翼机。例如著名的 Bell V-22 鱼鹰（尽管连 雅克-38 也可以算作倾转旋翼机）。显然，它的螺旋桨是直升机螺旋桨（为在悬停时提供可接受的推力和效率）与飞机螺旋桨（为在平飞时提供可接受的速度）之间的折衷。
我们再来看看推重比这个概念——即动力装置功率与飞行器质量之比。它以瓦特每千克或推力单位来衡量——对于垂直起降飞行器，推力必须大于 1（超过飞行器质量），而对于飞机则可以低至 0.3。

下表列出了三种量产飞行器，其起飞装载质量各约 22 吨——飞机安-140、倾转旋翼机 Bell V-22 和直升机波音 CH-47。从表中可以明显看出，为达到安-140 的参数，倾转旋翼机 V-22 必须具有大得多的推重比，而这恰恰消耗在克服倾转旋翼机的气动非最优性上。动力装置和辅助系统的较大质量侵占了内部容积，这从载客量上就能看出来。



起飞时，倾转旋翼机需要提供大于自身质量的推力，而在平飞时，当主要载荷落在机翼上时，发动机可以转入省力模式，但多余的质量却成了“死重”，不得不随身携带。倾转旋翼机的最大效率恰恰是在“像飞机那样”的平飞中达到的，因此它在短距离上并不高效。在长距离上，由于大而慢的螺旋桨所带来的限制，它在速度上又总是不如飞机。

此外，倾转旋翼机在技术上比直升机和飞机复杂得多，这既提高了飞行器及其维护的成本，也因涉及飞行的关键元件数量更多而增加了故障概率。V-22 的事故数量雄辩地说明了这种交通工具的不可靠性。
那么为什么还需要倾转旋翼机呢？这类飞行器有一个狭窄的细分市场——当需要以高于直升机所能提供的速度进行垂直起降（或悬停）运输时。这对于机降作战很重要，那里突破敌方防空的速度比飞行小时成本更重要。在民用领域，倾转旋翼机可用于城际的屋顶到屋顶通勤，在 300 公里及以上的距离上，其相对直升机的速度优势将变得明显。但在城市内部，用更便宜的直升机替代它效果更好。




代结语
遗憾的是，造一台大型四旋翼并给它起个时髦名字是远远不够的。这类设计无法回答那个问题——为什么选你，而不是罗宾逊？更糟的是，大多数从综合参数上会输给量产的罗宾逊。

另一方面，按照经典准则来建造城市空中出租车、只强调效率和能耗，也是从根本上错误的。城市空中出租车的首要标准应当是安全。看看你周围的汽车：它们为运送 1-2 人在能量上有多高效？为什么开路虎揽胜的司机不换乘更高效的轻便摩托车？也许他有与其发动机效率和油耗无关的理由？

尽管多旋翼飞行器螺旋桨的能量效率先天低于单旋翼直升机、甚至低于最简单的 4×1 四旋翼，但只要系统设计正确、分布程度足够，这些飞行器就能提供比现有客机更高的飞行安全性，同时把成本控制在等于或低于轻型直升机的水平。维护也变得更简单、更便宜：标准模块可由低技能人员整体更换，诊断则可像现代汽车那样自动化。将功能从机械部分转移到电子部分，也简化并降低了机载系统的成本。

多旋翼动力单元较低的能量效率（相比直升机）导致每天能源开支增加 48 美元，而技术改进带来的收益每天可达 700 美元。显然，动力单元的效率并不是评估这类飞行器飞行小时成本的决定因素。

乍一看，大量螺旋桨甚至比 4×2 型四旋翼的 4 对成对螺旋桨效率更低。然而，只要稍加思考，差距就会变得没那么大，因为成对的动力单元中每个电机（成对中的一个）及其控制器都必须留有不低于 50% 的功率储备，以便在任何时刻补偿失效搭档损失的推力、避免事故。这多余的储备质量每次飞行都会作为死重被携带而在飞行中用不上（否则储备就完全失去意义了）。对于电机数量众多的飞行器（我们的项目中为 22 个），这份用于补偿故障所必需的储备每台电机仅为 4%。可用飞行功率与质量的利用效率也就更高。

悬挂在电机下方的电池不会以其质量给承力骨架和机身加载，从而节省了它们的质量。此外，也无需从飞行器中心把粗大的铜制动力电缆拉到电机——这些电缆在机上的总质量可达 80 千克（该估算是针对 volocopter 做出的，依据是公开的图纸以及专利中关于供电系统构造和参数的信息）。
在我们的飞行器中，每个动力单元里的动力电缆长度仅为 15 厘米，其总质量不到 1.5 千克。当然，我们电缆中的电损耗也更小。直升机或四旋翼螺旋桨更高的效率，能否补偿机上多出的 80 千克铜和电缆对大气的加热？又能否用一处这样的工程失误就抹杀掉更好气动带来的全部收益？
答案显而易见。

有利于多旋翼效率的，还有相邻螺旋桨压力场中发生的物理过程。原型试飞（包括模拟随机故障）的经验表明，多旋翼的效率并不比等效四旋翼逊色多少（评估依据是电机的耗电电流以及每安时的实际飞行时间），但在操控精度和飞行稳定性上却远远超过它。

多旋翼架构还带来更高的飞行舒适度，因为集群中各动力单元的噪声和振动在很大程度上相互抵消，而螺旋桨集群产生的均匀压力场使飞行器在飞行中更稳定——有利于这一点的还有每个小直径螺旋桨更小的惯性，它改变自身转速、以此消除外部扰动所需的时间和能量都更少。

布置在电机下方（低于飞行器几何中心）的电池，还以其质量额外抑制了发动机的振动，并被螺旋桨的气流有效冷却，提升了飞行器抵抗风扰和倾覆的能力。当然，这会牺牲飞行器的机动性，但我们毕竟不是在造战斗机……

悬停模式下的高稳定性，加上受保护的发动机，使飞行器能够从任意方向接近建筑物，例如放下维修人员。我们飞行器集群的弯曲造型经过如此设计：悬停时电机呈“外八字”朝向，用其不同方向的气流帮助保持位置，就像动力定位船舶和石油平台那样。而只要把飞行器向前倾斜乘客察觉不到的 5-7 度，前部电机就会变为水平朝向，后部电机则已转到与飞行方向成 15-20 度，从而提供明显的水平推力矢量，无需安装额外的水平推力发动机或任何可靠性相对较低、成本和质量较高的转向机构。



问题无法在其产生的同一层面上得到解决（引文）。技术的发展不断改变各种平衡，20 世纪初困难或不划算的事情，到 21 世纪初变得更简单更便宜，而在惯常条件下不划算、乍看愚蠢的技术方案，在新条件下却能带来一场革命。
我们相信，正确设计的超高可靠性多旋翼机将构成 21 世纪世界各城市航空机队的主体。





关于 Flyka 项目


如果不讲一讲 Flyka 团队究竟做了什么、项目处于什么阶段，那就不应该了。

我们从一开始就把重点放在机载系统的研发上。我们研发了自己可靠的共轴发动机、自己的电机控制器，以及严格符合 DO 系列标准（-178、-254、-160 等）和航空规章要求的自己的自动驾驶仪。我们看不出为了在镜头前成功起飞一次，而去建造一架没有认证前景、没有后续发展前景的飞行器有什么意义。
我们用数学方法推导出了飞行器的最优架构和机载动力单元分布式网络结构、分布式自动驾驶仪和电机控制器的最优算法，并在数学模型和试飞中证明了高度的容错能力以及不存在雪崩式和相关故障的情景。

这项工作的成果就是研发出了自主的机载设备，以及带有原创容错自动控制算法的分布式自动驾驶仪。带有病毒代码（在自动控制系统不知情的情况下随机关闭电机）的飞行测试，展示了承受 7 次故障乃至更多的能力（更多时——已经开始掉高度，但仍保持可操控性）。与此同时，还在进行自主设计的共轴发动机的研发。研发历时 2 年，并要求建造一套完备的试验台，其测量通道由 Rostest 计量师认证，否则要把电机参数调到所需值是不可能的。在上面的视频中可以看到在真实条件下 100% 油门持续 26 分钟的寿命测试（其实是 40 分钟，但相机提前没电了）。这也回答了一个问题——下雨或下雪时会怎样？可以看到，不会有任何坏事发生。

同时还研究了涵道共轴螺旋桨的工作以及巴尔蒂尼效应。研发出了一种气动导管，使效率（以克/瓦计）相比开放式共轴螺旋桨提升了 14%。

当然，市面上并没有一款既能在分布式网络中工作、又能正确控制共轴发动机、同时还要轻的电机控制器，因此它也不得不由我们自己研发。

在结构上，项目从尝试把发动机布置在前后（那时就已实现完全分布式），发展到了目前更完善的侧向可折叠集群配置。

来自最早期专利的飞行器图纸

该项目持续研发已超过六年，并且完全遵循科学方法进行。任何想法或模型都先经过数学验证，再经过实物验证，然后才被纳入项目。我们走过了漫长的路，为公司奠定了坚实的技术基础，而不是用玩具零件仓促拼凑飞行器的仿制品。我们已为按最复杂的程序——载客飞行器程序——进行认证做好准备，而不是行业中常见的实验类飞行器（experimental aircraft）证书——某些项目狡猾地把这种证书冒充为其产品通过了完整认证的事实（尽管这种证书可以颁发给任何飞行器，它本来就叫“实验类”）。


乘客安全——永远第一。不惜一切代价把乘客安全送达。这大概就是 Flyka 最好的座右铭。