飞行汽车：开创城市交通新纪元 打造未来交通运输新方式
打造未来交通运输新方式
发布于2025-03-18
几十年来，飞行汽车一直是未来主义的象征。现在，小型的货运无人机和客运载具终于要起飞了。本文将探讨城市空中交通（UAM）的新兴应用，以及为短途飞行提供动力的电池、电机和导航技术。
“城市空中交通”的定义
UAM这一概念涵盖的是市内和市郊的短距离、低空飞行。虽然传统的直升机就可以胜任这一角色，但UAM通常特指高度自动化的航空器，特别是电动垂直起降（eVTOL）飞行器和无人航空载具（UAV，也就是常说的“无人机”）。
UAM预计将于2025年前后在部分城市投入运营，初期重点发展的将是有人驾驶客运航空器和物流配送无人机[1]。该项技术还可以扩展到应急服务、公共安全和交通监控等潜在应用。
UAM的一大主要优势在于其使用开放空域，而非早已超负荷的地面车辆基础设施，有望实现更快、更高效的交通运输[2]，毕竟飞行载具可以直接飞往需要去的地方，而不是堵在路上动弹不得。此外，这些飞行载具是依靠电力而非内燃机实现推进，因而也是减少排放的理想选[3]。
然而，UAM要实现这些目标，离不开强大的电池、更好的电机和精密的导航系统提供支持。
重量更轻、密度更大、灵活性更强的电池
电池技术仍然是UAM普及的最大障碍之一。
挑战和要求
要达成能够实用的航程和有效载荷，UAM载具需要约400瓦时/千克的电池能量密度，但现有电池最高只能达到约300瓦时/千克[4]。电池的使用寿命也是一个问题：使用仅仅一年后，电池容量就会损失达45%[5]。
UAM还需要遵守严格的航空器安全法规，这些法规对电池提出的要求又会大大地限制能量密度。因此，工程师必须考虑如何在确保高性能的同时防止热失控。
此外，设计人员还需要提高电池的峰值性能。为了提供垂直起降所需的动力，UAM电池必须具有很高的放电率，并且要在飞行过程中可能遇到的各种温度和大气条件下保持高性能。
可以说，成本是UAM电池面临的最大挑战。要使UAM具备可接受的经济性，电池成本必须大幅降低。除了电池化学方面的进步外，UAM电池可能还需要采用新的材料和制造技术。
新兴电池技术和创新
为了应对这些挑战，研发和设计人员采取了各种各样的措施，其中固态电池是一条很有前景的技术路径。与使用液态电解质的传统锂离子电池不同，固态电池使用固态电解质，此举可以提高能量密度并降低热失控风险。目前，丰田（Toyota）和QuantumScape等企业正在进行固态电池的开发，他们的目标是在2020年代末将这项技术投入商用[6], [7]。
另一条路线，是将电池与燃料电池整合为一套混合能源系统。燃料电池可以在更长的时间内持续提供电力，补充起降阶段所需的高功率输出。这种系统可以延长UAM载具的航程，同时保持电力推进的优势。现代（Hyundai）等公司对这项技术进行了投入，为他们未来的UAM载具探索氢燃料电池技术[8]。
UAM技术要想成功开发和应用，需要电池制造商、UAM开发商和监管机构之间进行合作。诸如欧洲电池联盟（European Battery Alliance）这样的倡议，就是要通过合作研发来加快电池技术的进步[9]。
可扩展、模块化、高效率的电机
eVTOL飞行器大概率会采用分布式电力推进结构，而不是噪音大、排放高的内燃机。在这种方案中，每架飞机都将配备多个小型螺旋桨，这些螺旋桨比传统螺旋桨更安静、更高效[10]。
然而，与电池技术一样，电机技术也必须克服多项技术障碍，才能实现广泛普及。为了尽可能提升航空器的效率和航程，电机必须在减轻重量的同时提高输出功率，并且要具备足够的扭矩以实现垂直起降。
不仅如此，电机在具备足够扭矩的同时，还不能产生过多噪音，这就让问题变得更加复杂。毕竟，没有人能够忍受每天都有好几架直升机从自己头顶飞过。
续航能力更强的电机
有效的热管理对于保持UAM应用中电机的性能和安全性至关重要。在极端气候条件下，传统的风冷方法难以满足要求，需要采用更先进的散热技术。液冷系统、相变材料和导热管是当前研究的重点，这些技术有望实现更高效的热管理[11]。
用于UAM的电机必须能够承受频繁启停并具备较长的使用寿命，才能让维护成本保持可控。它们还必须与控制和配电系统无缝集成，以实现出色的性能。为了延长航程并降低能耗，这些电机必须兼容高压系统，以便通过更小的电流实现更大的功率。
这些功能都需要融入到按照航空业严格安全标准设计的电机中，并配备多重故障保险和冗余，以降低电机故障风险。除了安全规范外，电机要想提高成本效益，还需要采用可扩展的模块化设计，才能快速适应各种航空器构型和功率要求。
电机结构的进步
电机模块化是UAM载具可扩展性和适应性的另一大关键要素。模块化设计使用户能够快速更换和升级电机，从而减少停机维护时间并降低成本。这种方法还可以让制造商能够根据航空器的具体要求定制电机配置，从而增强UAM解决方案的通用性[12]。
新材料的开发也显著提升了电机性能。许多电机零部件现在可以采用碳纤维复合材料和高级合金等轻质高强度材料，从而减轻电机的整体重量并提高效率。此外，磁性材料和绕组技术的进步也提升了电机的功率密度和热性能。麻省理工学院（MIT）等机构的研究人员正在积极探索这些新材料，致力于促进电力推进技术的发展[13]。
这些进步并不局限于学术领域。罗尔斯-罗伊斯（Rolls-Royce）等企业也在开发应对这些挑战的创新技术，探索材料和电机设计领域新的进步。罗尔斯-罗伊斯与其他公司的差异点之一，在于其电机的结构。带有非强制风冷功能的横向磁通电机就是他们开发的[14]。这不仅有助于他们的电机实现高扭矩重量比，还可以显著提高热管理效率。
更智能的导航
自动驾驶地面车辆已经上路行驶了多年，但由于还没有足够强大的AI系统能够很好地应对人类驾驶员的不可预测性，这项技术的广泛商用还是遇到了一些阻碍[15]。
这个问题至少短期内还不会对UAM构成太大影响，毕竟它使用的空域并不像地面交通那样混乱，对自动驾驶技术而言是非常理想的环境。某种程度上，空中出租车甚至可以作为持续的试验平台，帮助相关企业完善地面的自动驾驶车辆。
仅靠GPS是不够的
然而，UAM面对的挑战并不局限于载具自身。比如，它对定位精度和可靠性的要求，就远远超出了现阶段全球导航卫星系统（GNSS）技术的能力。
德克萨斯大学奥斯汀分校的Robert Tenny和Todd E. Humphreys曾在一份报告中指出：“对用于UAM的〔定位、速度和授时（PVT）〕解决方案而言，99%乃至99.9%可用性的分米级精确定位仍然是不够的。UAM对导航系统的要求，除了分米级精确定位外，还包括完整性风险达到10−7水平的米级警报，以及〔远高于〕99.9%的可用性。”[16]
此外，UAM的导航系统还需要进行强化设计，以应对城市环境中经常遇到的多路径和信号阻塞状况。换言之，即使GNSS信号发生中断，导航系统也不能受此影响，包括即使在可能干扰功能的极端天气条件下也必须可靠运行。
为此，制造商需要采用一种深层次的导航方法，就是通过先进的传感器融合算法，将来自GNSS、惯性传感器、地面无线电导航、光学传感器、惯性测量单元（IMU）和雷达的数据结合起来，为自动驾驶飞行载具提供可靠支持。与此同时，先进的计算机视觉技术对于支持导航而言也是必要的，特别是在高密度环境中[17]。
迈向自动驾驶
对UAM载具而言，防撞、自动起降等自主能力也是非常重要的。虽然训练人类操作新一代UAM也许是可行的，但从长远来看，天空必然会越来越拥挤，因而我们有理由相信，让它们完全自主飞行会是更安全的选择。不然，我们很可能会“喜提”跟地面上一样的问题，也就是粗心的人类驾驶员制造出各种麻烦。
与地面自动驾驶车辆一样，网络安全依旧是值得持续关注的问题。UAM系统必须具备强大的保护功能，以抵御干扰、欺骗等各类网络攻击。
好在，导航系统可以说是技术发展的焦点领域之一。包括霍尼韦尔（Honeywell）在内的多家企业已在着手开发融合了航电、导航、飞控、电传操纵系统和先进雷达技术的集成式解决方案。AI的新进展也将对UAM导航产生重大影响。AI能够实现更复杂的传感器融合、更好的实时决策，并通过更新颖的方法来应对城市环境所特有的导航挑战。
未来展望
按照罗尔斯-罗伊斯公司的说法，UAM的近期实践可能会以固定航线的空中出租车为主，在专用的垂直起降场之间运送乘客[18]，例如作为机场和市中心之间的接驳交通方式，提供地面巴士之外的另一种选择。东京、北京、洛杉矶和纽约等特大型城市很可能成为这项技术的首批受益者。事实上，这些城市已经在使用直升机进行交通运输。
当电池、电机和导航系统达到必要的先进水平后，基础设施将成为UAM面临的下一个重大挑战。UAM载具制造商和城市管理者需要共同努力，了解这种新型交通工具的电力需求，并制定与之相匹配的空管和维护方案。
结语
就在短短的几十年前，量产飞行汽车还是一种近乎荒诞的念头，没有人能够想到它会如此快速地成为现实。如今，航空航天和汽车业界正在努力打造第一代城市空中交通工具。
城市交通的未来即将到来，我们对新型交通方式的探索永无止境。
参考资料
https://www.easa.europa.eu/en/what-is-uamhttps://www.rolls-royce.com/media/our-stories/discover/2024/propulsion-technology-to-unlock-urban-air-mobilitys-full-potential.aspxhttps://www.assemblymag.com/articles/96879-assembling-the-future-of-urban-air-mobilityhttps://physicsworld.com/a/lithium-ion-batteries-break-energy-density-record/https://eepower.com/tech-insights/the-impact-of-battery-performance-on-urban-air-mobilityhttps://www.businesswire.com/news/home/20240711282094/en/PowerCo-and-QuantumScape-Announce-Landmark-Agreement-to-Industrialize-Solid-State-Batterieshttps://electrek.co/2024/01/11/toyota-solid-state-ev-battery-plans-750-mi-rangehttps://www.hyundai.news/eu/articles/press-releases/hyundai-reveals-vision-for-hydrogen-energy-and-software-solutions-at-ces-2024.htmlhttps://single-market-economy.ec.europa.eu/industry/industrial-alliances/european-battery-alliance_enhttps://www.clean-aviation.eu/ciclop-casts-an-eye-on-distributed-propulsionhttps://www.sae.org/publications/technical-papers/content/2024-26-0468https://www.rolls-royce.com/media/our-stories/discover/2024/propulsion-technology-to-unlock-urban-air-mobilitys-full-potential.aspxhttps://news.mit.edu/2023/megawatt-motor-could-help-electrify-aviation-0608https://www.rolls-royce.com/media/our-stories/discover/2023/powering-urban-air-mobility.aspxhttps://www.idtechex.com/en/research-article/the-biggest-challenge-for-autonomous-vehicles/25011https://radionavlab.ae.utexas.edu/wp-content/uploads/2022/10/tenny_tight_coupling.pdfhttps://www.researchgate.net/publication/376618069_Vision-Based_Navigation_for_Urban_Air_Mobility_A_Surveyhttps://www.rolls-royce.com/media/our-stories/discover/2023/powering-urban-air-mobility.aspx作者简介
Brandon是一位有超过十年经验的深度技术记者、讲述者和技术作家，从软件初创公司到半导体巨头都是他曾经报道过的对象。他关注的领域包括嵌入式处理器、硬件、软件和工具，因为它们都与电子系统集成、物联网/工业4.0部署和边缘人工智能等用例有关。他还是一名出色的播客、视频博主、活动主持人和会议发言人，并曾在多家电子工程贸易出版物中担任主编和技术编辑。Brandon在不出席B2B技术受众的大型活动时，会通过电视指导菲尼克斯地区的体育特许经营公司。