欧美在城市空中交通领域的竞争格局

2023-02-17 13:52

近年来,先进城市空中交通(AAM)成为解决城市拥堵、提高城市及其周边区域交通便捷性的热点研究领域。早在20世纪中后期,空客等公司就已尝试利用传统直升机实现城市空中交通,但受限于飞行载具的运行成本、安全性和噪声等问题而未能广泛普及。大约从2015年起,电动垂直起降(eVTOL)飞机快速发展,为实现城市空中交通创造了新的可能性,引起世界范围交通业和航空业的广泛关注。

 

飞行器产品研发和商业化

美欧都已经历长期探索,出现头部AAM飞行器研制企业

据罗兰贝格、SMG公司和垂直飞行协会统计,截至2022年10月,世界范围内AAM飞机研制企业已超700个,其中位于头部位置的企业大多来自美、欧。

大约从2009年起至2015年,第一批以美国乔比(Joby Aviation)、小鹰(Kitty Hawk),以及德国沃珑(Volocopter)、百合(Lilium)为代表的企业,率先开始早期的eVTOL飞机产品探索。

美国的乔比、小鹰,以及德国的百合公司分别推出采用倾转旋翼构型的S4、Heaviside以及Jet型eVTOL飞机,其中乔比和百合均瞄准5~6座级客运AAM市场,强调高气动性能和较长航程,目前已经入适航取证阶段,瞄准2025年商业化运营目标展开激烈竞争;小鹰公司则在2022年9月宣布停止Heaviside项目,未能实现商业化;沃珑公司在初期避开竞争,开辟城市内部短距离客运应用场景,推出VoloCity型2座级客运多旋翼eVTOL飞机,成为当前最为成熟的客运多旋翼飞机,计划在2024年实现商业化运营。2015年创立于以色列、2020年总部移至美国的eS/CTOL飞机研制企业翼威(Eviation)则推出9座级全电动商务机Alice,并设计了针对AAM场景的客运和货运改型,已于2022年9月首飞成功。

美、欧主要AAM飞机研制企业的成立和并购重组时间,以及融资大致规模。

2015—2020年间,AAM飞机研制企业开始大量涌现,许多企业在不断摸索和调整飞机设计的思路,以找准应用场景、提升竞争力,其中最典型的是小鹰和维斯克(Wisk.Aero)公司。2017—2019年,小鹰合并Zee Aero公司、吸收波音公司资源,拆分出维斯克公司并长期资助支持。维斯克公司经过4代差异巨大的产品设计后,于2019年推出第5代Cora型2座级复合构型客运eVTOL飞机、2022年10月推出第6代4座级混合构型客运eVTOL飞机(G6)。

美国企业维斯克的G6、阿彻(Archer)的Midnight以及英国企业垂直(Vertical Aerospace)的VX4同属于混合构型客运eVTOL飞机;美国企业贝塔(Beta Tech.)的Alia(客运型),德国企业沃珑的VoloRegion以及法国企业优飞(Ascendance Flight Tech.)的F-ATEA同属于复合构型客运eVTOL飞机,这些企业正瞄准2025—2027年间商业化运行目标开展激烈的竞赛。

美国维斯克公司的第6代飞机

目前,各主要类型的AAM飞机均已在美欧出现世界范围头部企业,下图显示了这些企业官方公布的产品首飞时间、预计商业化运营时间,可以发现,美欧企业在经历了十几年的技术探索后,近年来竞争节奏愈发激烈,主要企业实现或计划首飞、预期的商业化进度都有加快趋势。

美企在市场运作、技术转化方面呈现竞争优势

尽管美欧企业都大量占据世界AAM飞机研制企业的头部位置,但分析企业的发展历程和产品技术路径,仍能发现,美国企业在以下两方面具有显著优势:

1.市场运作活跃,聚拢全球资源

美国AAM飞机研制企业不仅数量超过欧洲,而且近年来频繁通过市场运作,广泛从欧洲、以色列、韩国等国家和地区引入和聚拢人才、资金、技术等资源,为美国AAM产业生态的形成提供丰富的企业资源。

美国德事隆(Textron)集团于2022年4月收购原斯洛文尼亚老牌轻型运动飞机制造商蝙蝠(Pipistrel)飞机公司,获得并继续推进后者的Nuuva型货运eVTOL飞机项目,还于2021年3月创建电航(eAviation)子公司,推出Nexus型6座级客运eVTOL飞机;2015年成立于以色列的翼威(Eviation)公司,于2020年总部迁至美国;2019年,由空客的原“瓦哈娜”(Vahana)飞机研发团队5名员工创立的美国气流(Airflow)公司,总部设在美国加州,于2022年6月被美国伊莱卡(Electra)公司收购。

欧沃爱(Overair)公司创始人卡雷姆(Karem)原是以色列空军首席工程师,于2020年创立欧沃爱公司,推出Butterfly型6座级倾转旋翼构型客运eVTOL飞机,2022年6月获得韩国韩华集团1.45亿美元投资。斯帕诺(Supernal)公司是韩国现代汽车集团于2021年拆分业务而创建的AAM飞机企业,总部设在美国华盛顿州,推出S-A1型6座级混合构型客运eVTOL飞机。

2.引导技术转化,产品品类全面

美国国防部、美国空军以及NASA等已在长达数十年时间里开展多个项目,针对电推进系统、VTOL飞机等识别出一批先进技术并发展至世界领先水平,以此为基础,在近年来引导和孵化了一批AAM飞机研制企业,并大力推动其飞机产品发展。

伊莱卡公司2021年参与美国空军“敏捷至上”项目,2022年8月获得第三阶段小型企业研究创新(SBIR)合同;2022年夏季参与NASA国家竞赛,2021年7月获得小企业技术转化基金(STTR)合同。伊莱卡公司在上述在两份合同里均主要研发气流增升(Blown Lift)技术,并最终应用在其推出的9座级eSTOL飞机中,显著提升了飞机的低速气动性能。

欧沃爱公司继承了卡雷姆飞机公司的最优转速倾转旋翼(OSTR)技术。该技术由卡里姆飞机公司2004年参与美陆军“联合重型垂直起降飞行器”(JHL)项目时提出并研究,后又通过美国防部“未来垂直升力(FVL)”等项目不断发展,最终发展出大型旋翼产品TR-36,同时应用于欧沃爱公司的Butterfly型eVTOL飞机。

      大量技术的积累使得美企出现大量创新型AAM飞机品类,在很短时间内几乎覆盖AAM所有应用场景。瑞珍特(Regent Craft)公司推出Viceroy型混合电动水面飞机,瞄准AAM城际间跨海运输及短程支线运输任务。琼特(Jaunt)公司推出总体构型非常类似传统直升机的复合构型eVTOL飞机。此两型飞机在同类产品中均处于商业化进度领先优势。

欧洲也有类似的技术引导转化项目。以英国为例,英国研究创新署(UKRI)设立工业战略挑战基金(ISCF),发起“未来飞行挑战”(FFC)项目,至今已持续开展近4年、资助40余其他项目,加快航空交通体系的技术创新和转化;英国国防部装备与保障局(DE&S)于2022年4月联合英国皇家海军发起“重型空运挑战”(HLC)项目,推动无人机货运的装备发展和运用场景研究,加快军方对相关产品和方案的采购,马洛伊(Malloy)和逐风者(Windracers)两家公司分别以T-600和Ultra型货运无人机从中脱颖而出并得到持续资助;英国政府、罗罗、电机制造商YASA公司以及电池制造商Electroflight共同发起电动飞行加速计划(ACCEL),加速引导电推进系统技术创新,致力于打造单次充电可满足伦敦-巴黎通勤的AAM飞机电池系统。

总体来看,在政府和军方主导下开展的AAM飞机相关技术转化方面,美国相比于欧洲具有更大的规模、更强的力度,引导和发展出的飞机产品品类覆盖更全面。

 

3、体系建设和政策创新引导

AAM的实现不仅需要新型飞行器的设计、制造与使用,还依赖于基础建设、机群管理、运营模式、适航管理、政策引导等众多领域的创新与突破,是非常复杂的体系问题。美欧近年来都在AAM体系研究方面开展了大量以国家为主导的项目,引导优秀企业广泛参与,为AAM体系建设打下了扎实的基础。

 

4、美国在体系仿真运行、国家政策引导等方面占优

NASA下设5个任务理事会,其中航空科研任务理事会(ARMD)承担了NASA在AAM体系建设方面的主要探索研究任务。当前ARMD设立4大任务包,正开展约17个项目,其中约6个项目与AAM体系建设直接相关,围绕AAM体系建设与运行中可能遇到的问题开展全面研究。

其中航空系统整合(ISAP)项目包下的AAM项目围绕AAM体系运行管理,又分为3个子项目,分别是自动驾驶飞行与紧急情况管理(AFCM)、高密度垂起平台(HDV)以及AAM国家竞赛。AAMNC项目中,NASA提供具有研究价值的仿真环境,号召不同领域企业联合在其中提出并验证AAM解决方案,模拟AAM体系运行,并进行企业间的数据交换分享。当前已有超过40家企业通过与NASA签署合同参与到AAMNC项目中,其中以美国企业为主,乔比、维斯克、伊莱卡、贝尔(德事隆)等AAM飞机研制企业均在其中。

除NASA外,美国各主要相关企业也基本都已开展AAM体系研究,例如波音和维斯克公司于2022年9月联合发布《无人UAM运行概念》,维斯克公司于2022年7月单独发布《智慧AAM——通过数据驱动的建模仿真部署负责人的AAM》白皮书。相比于欧洲,美国在AAM体系运营方面开展了更多仿真研究,在飞机自主飞行、机群管理、航迹控制于优化等方面发布了更多成果。

在政策引导方面,美国相比于欧洲表现出了更强力的国家领导力度。2022年10月,拜登总统签署《AAM协调与领导》法案并于近期通过众议院。法案强调美国要在AAM行业占据世界领导地位,同时要求美国交通部建立和协调跨机构运行的AAM工作组、规划和部署AAM体系建设的各种相关工作。

除该法案外,2022年5月,美国政府问责署(GAO)还发布了面向美国国会的报告《变革性航空业——AAM重大问题》,系统性梳理了美国当前AAM行业的各主要企业发展情况、角色和面临问题,同时还指出了当前FAA适航管理系统存在的不足。就在同月,FAA改变了对eVTOL飞机的认证路径,将原本采用的针对小型飞机的23号文件替换为针对有动力升力飞行器的21.17(b)文件。美国政府层面针对AAM行业发展不断做出的统一、协调、积极的政策探索,将会使得美国在新兴的AAM世界产业中占据主动权。

 

欧洲在体系试点运行、社会接纳引导、适航管理创新等方面领先

相比于美国在仿真、政策方面的优势,欧洲表现得更注重实践、民意和适航规范。近年来,欧洲在多个重要城市落地实施了大量AAM试点运营活动。

2021年7月,沃珑与物流公司DB Schenker签署合作协议,共同研究Volodrone物流无人机的运行场景和运营模式。仅约一年后,2021年9月,沃珑在德国汉堡市世界ITS展览上进行了运行场景演示,在大量市民的围观下,直接演示了飞机的装卸货物、载货飞行等过程。

2022年4月至5月,英国考文垂市政府联合UAP公司、斯帕诺公司,在考文垂市举办世界首个eVTOL飞机空港试运营体验活动“Air One”,活动直接在城市内搭建了UAP公司的垂直起降机场、并停放一架斯帕诺S-A1型eVTOL飞机。活动面向任何人售票,累计数千名市民目睹了该飞机在起降设施附近的运行演示。活动结束后,该垂直起降机场被继续保留和维护,或将成为未来英国AAM体系的首个实用化的空中出租车站点。

法国政府机构CPR携手机场运营商ADP和城市交通运营商RATP,在巴黎政府的支持下开展巴黎城市空运项目,计划在2024年巴黎奥运会开幕之际实现城市空运商业试运营,并于2021年面向世界征询运营方案意见。2022年初,活动策划方已在来自25个国家的150个方案中选出30个,开始进一步细化和落实方案。2022年11月,CPR运营的蓬图瓦兹机场(POX)启用欧洲首个AAM垂直起降航站楼,开始在机场内进行以沃珑Volocity为主要机型的飞机运行测试。此次测试选用真实机场,可对飞机-地面车辆整合管理调度、飞机在机场的地面移动和充电、乘客登机前安检和人流管理等一系列问题进行最直接、准确的研究和演示验证,极大保证了2024年巴黎奥运会期间法国AAM试点线路的运行。

美国虽然也形成了洛杉矶城市出行实验室(UML)、长滩经济组织(LBEP)等地方性政企联合组织,宣布推动AAM体系在当地的建设,但相比于欧洲,其开展的体系试运营活动较为滞后、力度较小、与城市实际设施的结合程度也显著不足。例如,UML在洛杉矶市华纳中心打造了一片先进交通技术试运营区域,但实际运行以智能机器人、物流无人车为主,eVTOL飞机则仍停留于政策讨论中。

此外,欧洲格外重视民众对AAM的认知和接纳程度,以EASA为代表、包括欧洲各国政府在内的组织机构,持续不断发布高质量、通俗易懂的AAM文字和音视频资料,同时多次大规模发放调查问卷,了解民众对AAM发展的担忧及理由、针对性地制定战略文件和发展路线图,引导欧洲各AAM企业打造民众满意、信任和期待的AAM体系。

英国民航局(CAA)设立创新港(IH),发起“未来AAM管理沙盒”项目,该项目联合AAM飞机研制企业垂直、沃珑、EVE公司,希思罗机场和伦敦机场,英国交通部等,于2021年至2022年密集发布大量研究报告,如《城市空中交通空域整合关键因素》报告等,以及科普文件,如《让我们飞翔穿过城市——为何选择城市空中交通》。这些文件详细论证了在现有城市交通系统基础上融合加入AAM系统的可行性和措施,并向民众深入浅出地进行科普。为英国建设AAM进行了先期探索,打下社会民意基础。法国、德国、意大利等国家的民航局也均在近1~2年内发布各国AAM实施路线图。

在适航政策方面,EASA不仅积极向前探索,而且内容详实、具有针对性。EASA于2019年7月发布《垂直起降飞行器特殊条款适航条例》(SC-VTOL),是世界首份垂直起降飞行器适航条例,至今仍是世界各国民航局(包括美国FAA在内)的重要参考对象;2022年3月发布《垂直起降飞行器机场技术设计规范》,是世界首份垂直起降飞行器机场设计指南,规范了垂直起降机场上方漏斗形“无障碍空间”的概念及其尺寸、形状等,为欧美各eVTOL飞机研制和运营企业丰富了参考标准和适航依据。

 

结束语

随着AAM的快速发展,美欧已在实现AAM的道路上展开了紧张激烈的竞争,并呈现出以下差异:

在AAM飞行器产品研发和商业化方面:虽然美欧各主要国家都已经历长期技术探索和攻关,涌现出大量世界头部企业,但美国企业不仅在企业数量、飞机品类丰富程度方面占据竞争优势,而且通过活跃的市场运作,从世界范围内吸收企业、人才和技术资源;美国军方主导的项目产生了大量垂直起降飞机设计的相关技术,正加快向民用AAM市场转化,催生出伊莱卡、欧沃爱等一批具备技术优势的头部AAM飞机企业。

在AAM体系建设和政策创新方面:美欧具备不同的竞争优势。美国在AAM体系的仿真运行和国家政策引导方面占据优势,NASA开展大量AAM体系研究和仿真项目极大推动了eVTOL飞机的无人驾驶、交通管理、空域融合等技术研究;同时,美国政府积极发布系列政府报告,甚至通过国会法案,指导美国AAM行业发展,具有强烈的占据世界AAM领导地位的意愿。欧洲则更擅长将AAM体系直接放入真实城市中进行试点运行,已在英国考文垂、法国巴黎等多地开展eVTOL飞机的实际演示运行;同时,以英国为代表的欧洲主要国家高度注重民众对AAM的接纳程度和质疑,进行大量高质量科普教育活动,配合EASA在AAM适航政策方面的领先创新,致力于打造民众信任和认可的AAM体系。

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