深入分析

编者按：4月18日，在赛文交通网主办的“2024年城市空中交通实践与探索线上研讨会”上，清华大学车辆与运载学院特别研究员、智能车辆与智慧出行研究所副所长王凯作了《未来出行-飞行汽车》主题报告。

该报告聚焦飞行汽车行业的发展现状、技术挑战与未来趋势，评述了飞行汽车在城市交通、旅游和救援等场景的应用潜力；探讨主要飞行汽车企业发展现状。技术路线方面，定义飞行汽车分类及其不同构型的技术优劣，以及动力、平台和交通融合方面的核心技术；同时阐述了电池能量密度、噪音控制、环境适应性以及系统平台等方面的挑战。

一、背景介绍

从城市交通的发展现状来看，城市化进程是不可阻挡的。目前，中国50%的GDP集中在0.24%的土地上，美国约50%的GDP在1.8% 的土地上，城市化使得人口高度集中，而这也带来了城市交通拥堵的问题。

如今，交通拥堵问题非常普遍，尤其在我国北京、上海等主要城市，交通拥堵状况再度加剧，为城市发展带来了很大的问题。此外，基础设施负担过重、应急救援困难等问题导致公众出行体验感非常差。

问题的核心在于如今道路基础设施和群众的出行需求之间是非常不均衡的状态。在基础设施有限的前提下，出行需求正在逐年增加，在这种情况下，城市低空交通应运而生。

城市低空交通的本质意义在于能够将传统地面的二维基础设施拓展至三维，使出行能力变得无限大。低空经济系统出现后，行业做了很多的市场评估，结果都证明了其前景是非常广阔的。

Porsche Consulting预计2035年eVT0L、基础设施及运营的UAM市场达到2300亿美元，在亚太地区占据45%的全球市场；Morgan Stanley预计UAM于2030年达到3000亿美元，2040年达到1.5万亿美元规模，2050年将达到9万亿美元的市场规模。

如今，中国民航、美国FAA NASA、欧洲EASA等政府机构也相继投身这一领域。当前城市低空交通的主体参与方主要可分为三类，一是大家最熟知的航空行业，如中国航天、波音、空客等，传统民航相关企业大量进入低空行业。

二是新兴科技企业，如亿航、Lilum、Uber等都在积极布局这一领域。

三是汽车行业。城市低空交通相当于民航和地面交通的结合体，其规模和模式介于航空企业和地面交通企业之间，因此越来越多的汽车企业纷纷入局城市低空交通。

我国对于低空交通高度关注。中共中央、国务院印发《国家综合立体交通网规划纲要》，提出“发展交通运输平台经济、枢纽经济、通道经济、低空经济”，“低空经济”概念首次写入国家规划。

《交通领城科技创新中长期发展规划纲要（2021-2035年）》指出部署飞行汽车研发，突破飞行器与汽车融合、飞行与地面行驶自由切换技术。

2023年4月7日，国务院总理李强主持召开国务院常务会议审议通过《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例（草案）》，首次从国家层面明确了低空飞行的相关制度和责任方以及管理办法，对低空经济的发展提供了政策上的保证，具有划时代的意义。

2023年10月1日，工业和信息化部-科学技术部-财政部-中国民用航空局四部门联合发布《绿色航空制造业发展纲要（2023-2035年）》的通知，提出开辟电动航空新领域，实现eVTOL航空器试点运行。

近段时间也可以明显感受到由于国家政策的激励，低空经济在各地方热度的上涨。2023年12月，中央经济工作会议明确将低空经济作为我国战略性新兴产业之一，提出打造和大力发展低空经济，开辟产业新赛道。

那么低空交通最初究竟是一种什么样的形态？在相当长的一段时间当中，直升机是低空交通的重要载具，海内外国家在中长距离的出行中通常采用直升机的模式。

但以直升机作为载体的城市空中交通也存在一定的限制。首先，直升机技术复杂，成本高昂；且绝大部分直升机采取内燃机驱动的模式进行驱动，能源利用率较低，不符合未来低碳交通的发展趋势。

此外，直升机飞行主要基于目视飞行规则，驾驶员培训周期长、成本高，且直升机安全冗余度低，螺旋桨一旦失效将产生坠机的灾难性后果。同时，在飞行过程中会产生较大的噪音和振动，这些缺陷也意味着直升机无法驱动城市低空交通的发展。

正因如此，飞行载具引入了电动垂直起降飞行器（eVTOL）的概念。美国优步（uber）公司于 2016 年发布了《快速飞入城市空中交通白皮书》，将电动垂直起降飞行器和城市共享出行的模式相结合，诞生了城市低公交通出行的模式。行业认为，电动垂直起降飞行器是未来5年内飞行汽车的主要载体，该模式能够对未来城市出行方式产生颠覆性变化。

二、核心技术与技术路线

eVTOL相较于直升机的根本性变化在于两方面技术突破。一是电动化，面向新能源产业，电池和电机技术相较以往更加发达，减少环境、噪音污染，能量转换效率优越，驱动了技术的外溢，能够拓展支持低空飞行器的发展。

此外，自动驾驶技术的发展，能够缓解驾驶人员不足的压力，在提升安全性的同时，避免驾驶员的错误决策。如今的低空载具大多为多螺旋桨结构，一旦一个螺旋桨实效，即可通过飞控算法进行调节，实现平稳降落。此外，自动驾驶技术还能够减少运营、人员成本，增加网络结构的灵活性；优化飞行航线，增加飞行航程，增加电池寿命。

目前，全球围绕三种动力构型，共开发eVTOL概念机或模型机六百余种。每种动力构型均面向于不同的续航里程及续航速度进行设计，从而适应不同的应用场景。

eVTOL的技术路线可以分为以下五类。首先，最常见的是多旋翼型。类似于无人机，其优势在于技术风险和研制难度较低，效率较低，具有悬停状态的最佳效率；劣势则在于能效不高，航程有限，速度较慢，使用场景局限，代表机型为Volocopter 2X、亿航216等。

二是在此基础上拓展的复合翼型。复合翼即在多旋翼的基础上增加了平飞的尾翼推动装置，优势在于优良的技术性能，较快的研制速度，较低的研制风险和成本，生产和维护要简单，监管部门熟悉适航路径和符合性方法；劣势则在于垂直升力系统在平飞阶段是死重并且会产生额外阻力，代表机型为Beta Alia-250、Wisk Cora、峰飞V1500M盛世龙。

三是倾转机翼，即在复合翼的基础上，充分发挥螺旋桨的利用率关系，在垂直起飞和降落的时候，所有的螺旋桨都是向上的，在平飞时螺旋桨可以转动变成完全平飞的状态，以避免死重现象，能够充分发挥电机的优势。其优势在于重量较轻，推力大，效率相对高，死重相对少，在速度和航程上均有优势；劣势则在于机械设计和飞控系统复杂，开发和试飞难度大，研制风险和成本较高，较长的研制周期和适航认证过程，代表机型为Joby 4S，Lilium Jet。以上三类是目前市面上最常见的动力构型。

四是倾转涵道风扇+完全矢量控制。其优势在于较好的动力系统可靠性和噪声控制、消除了开放性螺旋桨在安全方面的隐患；劣势则在于存在研制风险，高速旋转部件耐久性差，不易维护，中低速时在重量、成本、效率等方面存在劣势，代表机型为Lilium Jet，NASA-XV24A。

五是隐藏式推进系统+无翼设计。其优势在于飞行速度和续航能力较好，外形科幻；劣势则在于制造成本高，推进器固定，无法实现推力的平衡，代表机型为Bellwether Volar。

eVTOL虽然被称为飞行汽车，但比较大的限制在于其只能在空中飞行，无法在地面行驶。在空中飞行时，我们针对eVTOL在城市出行的场景设计了以下环节。

首先，乘客通过手机终端平台预订低空立体交通服务，制定出行计划；其次，乘客采用地面交通从出发地前往垂直起降停机坪，前往起飞站点；随后，进入起飞垂直起降停机坪，依照指引检查行程计划，完成安检等必要环节；紧接着登上飞行汽车开启飞行旅程，从起始站点飞往目的地停机坪；最后离开飞行汽车，再次采用地面交通方式前往最终目的地。

因此，基于eVTOL的出行是三段式出行模式，即第一段地面交通，第二段空中飞行，第三段内地面交通。

电动垂直起降飞行器（eVTOL）是当前飞行汽车载具的主要形式，但eVTOL实现飞行功能需要地面交通完成最初/最后一公里，这是其目前最大的局限性问题所在。此外，eVTOL还需要通过基于垂直起降基础设施完成飞行过程，且在目前的空域划分中，还无法实现飞行器的全域飞行。

在此基础上我们也在畅享打造未来的一体化飞行汽车，目前已有企业已开展相关探索工作，但具有地面、空中行驶功能的两栖飞行汽车仍是行业的技术难题，这是由于融合地面、空中两套动力系统会使得飞行汽车开发设计难度高，自重增大，动力性能受限；且城市工况复杂，使得空中交通管理困难，需要成熟且稳健的自动驾驶、智能网联技术作为保障。

在一体式飞行汽车无法实现的情况下，产生了分体式飞行汽车的折中方案，即将飞行汽车分为三部分，A部分为旋翼部分；B部分为座舱部分；C部分为底盘部分。A-B-C三个部分可以呈现两种形态，A+B可呈现eVTOL形态，B+C可呈现地面车辆的形态，这样就可以实现点对点的出行。

整个的出行模式结合了目前车辆和载具的发展方向。如今车辆的一个重要发展方向是智能滑板底盘，可分为智能飞行体（上体）、智能飞行座舱（中体）、智能滑板平台（下体）三部分。

通过结合电动垂直起降飞行器和线控底盘，开发“三体”飞行汽车，其优势在于具有地面、空中两栖行驶能力，可根据实际路况切换地空模式，有效解决首末最后一公里出行问题，实现无缝衔接的城市三维立体交通；劣势则在于开发难度大，飞行器和滑板平台都需要有独立自动飞行和行驶的功能，“三体”之间的对接和高速通讯技术需要较高的技术创新。

eVTOL和飞行汽车的应用场景相当丰富，如载物货运、载人客运、私人飞行、公共服务、警务安防、国防军事等。面向不同的应用场景，需要对载具进行定制化处理。

三、参与者分析

当前，世界各国对于eVTOL载人飞行方面都进行了相关布局，并在不断探索商业化应用。

我国的主机厂商在全球处于相对前沿的水平，已知相关厂商都有相应的测试、认证等阶段性规划。

四、中国eVTOL产业链

eVTOL类似于新能源汽车行业，具有非常大的产业链带动价值。eVTOL产业链上下游环节众多，主机厂主要承担整机研发和集成工作，其上游子系统供应商为主机厂提供专业模块组件。核心子系统主要包括能源系统、动力系统、飞控系统、通讯系统、导航系统以及机体六大类。

如今，我国在能源、导航、通讯、新能源、航空等领域都有非常深厚的技术积累。如下图所示，排在首位的就是电池，飞行器的电池需要具备高能量密度、高可靠性、轻量化等条件。目前电池技术已可支持吨级eVT0L，在城市中规模化运行，可以为要直起降固定翼的eVT0L，飞行器提供200km的飞行距离，且还有巨大的提升空间，目前能量密度每年增长速度约为7%。此外，动力系统、飞控系统、通讯系统、导航系统以及机体都非常重要。

整体来看，目前中国未来期望运营eVTOL的企业主要可分为三类，一是整机制造商，即希望采用自运营的方式提供城市空中交通类似的通勤服务，如国内的吉利、小鹏都有自运营的业务规划。

二是传统通用航空的运营企业，即希望在原有的业务上采用eVTOL替代直升机，包括东部通航和南方通航也都有相应的计划。

三是全新业务的尝试者，通常此类企业拥有某一行业的特定资源，例如亿航合作的天行健拥有旅游景区的资源，以及曾经推动eVTOL发展的Uber在美国拥有传统互联地面出行服务的资源。

eVTOL能够带动包括单机在内的多个产业链，其中最直观的就是配套基础设施。eVTOL不具备地面行驶的功能，主要依靠上文提到的电动垂直起降飞行器。由于阵风、降雨等都会影响整个城市低空交通系统的运营通讯，因此为更好地衔接地面交通，就要保证基础设施和现有城市交通之间的连接性，如低空微型气候感知系统。

由于低空交通系统管理非常复杂，且流量非常庞大，可以遇见未来低空交通管理系统是地面交通系统和民航交通系统的融合体。此外，维修管理、平台管理等都是相当大的工作量。当前海内外企业都在开展基础设施的相关工作，但这方面的标准和规则目前还是空白的，我们可以在此方面进行探索。

五、应用挑战与障碍

低空交通系统是无人化的交通系统，智能化是非常重要的发展方向。除主机外，系统是非常重要的研究点。

如何对城市低空交通更好地进行云控，地面交通所使用的模式非常具有借鉴意义。目前低空交通采取无人驾驶和有人驾驶的方式，无人驾驶的好处在于能够实现所有载具的集中控制，从而使得在交通系统管控层面占据巨大优势，这方面也值得未来行业进行深入探索。

同时，基础设施建设以及飞行汽车的感知、决策、控制等方面都有非常多的工作需要我们进行深入研究。

此外，还存在一些关键性挑战。工程技术挑战方面，当前电池技术还不能完全达到满足eVTOL对运行场景的航程、生命周期、快充技术和能量密度等水平；噪音、环境适应性、成本制约、对配套基础设施的需求等都需要进行大量技术工程的攻关。

最重要的是测试、适航许可及政府监管方面的挑战。如今，中国、印尼等主要市场关于测试、适航许可的具体要求及存在不确定性；政府监管政策目前完整性方面尚有欠缺，无论是美国联邦航空管理局(FAA)、欧洲航空安全局(EASA)或中国民用航空局(CAAC)都未对eVTOL的适航取证发布明确的取证适用标准。

因此，我们需要大量数据以验证城市低空公共交通系统是可行的，以推动相应标准的完善，从而推动相关工作快速落地。