飞行汽车-可行性方案分析设计与实现

会怎么样？如果从圣保罗市中心到坎皮纳斯郊区之间的往返路程可以节省近四个小时的时间，会怎么样？

从古尔冈到新德里市中心的办公室，通勤车走走停停需要 90 多分钟，如果缩减为只需六分钟，会怎么样？

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减少，改善经济状况的工作时间减少，却将更多的钱花费在汽车燃油上，还让我们面临的压力显著增长：

按需飞机（“空中出租车”）有望从根本上改善城市交通，挽回人们在日常通勤中失去的时间。优步深切理解

世界各地的城市居民所遭遇的通勤之苦。帮助人们解决这个问题是我们最核心的使命，也是我们对优步乘

客的承诺。正如摩天大楼可以更有效地利用有限的城市土地一样，城市空中交通将利用三维空域缓解地面

的交通拥堵。一个由小型垂直起降电动飞机（因其垂直起飞和着陆而称为“VTOL 飞机”，正确发音为 [vee-

tol]）构成的网络，将能够在郊区和城市之间，并最终在市内实现迅速而可靠的交通。

与公路、铁路、桥梁和隧道等大型基础设施相比，建设支持城市 VTOL 网络的基础设施可能具有显著的成

本优势。已有人提出将停车场的房顶、现有的直升机停机坪甚至包括立交桥周边未利用的土地善加利用，

便可为建设广泛的分布式“垂直起落场”（VTOL 枢纽，有多个起飞和着陆平台以及充电设施）或单机“垂直

起落站”（单个 VTOL 起落平台，几乎不用建设其他设施）网络奠定基础。随着传统基础设施的成本不断增

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择。

此外，VTOL 不需要依赖固定的路线。无论是火车、公交车还是汽车，它们都是沿少数几条专用路线将人

们从 A 地送往 B 地，在这种情况下，只要路线中有一处发生阻断，便会给出行者带来严重延误。而 VTOL

却可以不受特定路线的限制，自由抵达目的地，避免由于路线而导致的拥堵。

近年来，技术的发展使建造这种新型 VTOL 飞机变得切实可行。有十多家公司提出了许多不同的设计方案，

满怀激情地要将 VTOL 变成现实。目前最接近的技术是直升机，可是直升机的噪声太大、效率低、污染环

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噪声非常小，在城市中飞行时不会对附近的人造成干扰。在飞行高度，地面上的人几乎听不到这种先进的

电动飞机发出的声音。即使是在起飞和着陆时，它的噪声也不会超过周边环境中的背景噪声。这些 VTOL

设计的安全性也比现有的直升机有显著提高，因为 VTOL 不是依赖某一个部件在空中飞行，并会最终引入

自动驾驶技术，以大大减少人为操作失误。

 我们希望城市 VTOL 首先应用于拥堵严重的城市和郊区的日常远距离通勤以及现有基础设施已无法满足需

求的路线。这是出于两个因素的考虑。第一，行程越长，就越省钱、省时，因此，VTOL 对那些通勤距离

较长、用时较多的人最具吸引力。第二，尽管在城市中心（例如，在屋顶和停车场）建设密集的降落设施

在一年的 50 个工作周中，旧金山（邮编：94109）的平均单程通勤时间为 27.6 分钟，洛杉矶（邮编：90017）的平均单程通勤

仅受困于交通堵塞中的时间 (http://inrix.com/scorecard/)，不包括所有的车内行程时间

 印度时报

Cooper Center Longitudinal Study，2012 年。https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3360418/

例如，英国提出了 2 号高速铁路计划，这条往返于伦敦和伯明翰之间的直线线路工期为九年，将花费纳税人 270 亿英镑（330 亿

美元），每英里的成本将近 2.8 亿美元，这一数字预计还会继续增加。请参阅 http://www.bbc.com/news/business-36376837。

我们只是用这个项目来做例子，我们想要表达的是，新技术可以提供成本低得多的交通基础设施选择。

“运营排放”指的是交通工具在运营过程中的排放，这只是交通工具在整个生命周期中的部分排放。“实现零运营排放意义重大：请参阅“交通工具：排放”部分，查看我们对该主题的深入讨论。

需要一些时日，但只需少量的垂直起落场就可以满足大量远距离通勤者的需求，毕竟“最后一英里”的地面交

通路程与更长的通勤距离相比是微不足道的。

 我们还相信，从长远来看，VTOL 将成为一种价格实惠的大众化日常交通方式，甚至比购买一辆汽车的成

本还低。通常人们将飞行视为一种昂贵的、不常用的出行方式，但这在很大程度上是由于目前的飞机产量

最终，如果 VTOL 能够很好地（安静、快捷、清洁、高效和安全地）承担“空中出租车”的角色，服务于城

市交通运输，无疑就提供了一个增加飞机产量（一种型号每年至少生产数千架）的契机，从而使 VTOL 的

成本显著低于汽车成本。届时，VTOL 制造经济将会更类似于汽车而不是飞机。当然，起初 VTOL 飞机大

概会非常昂贵，但通过拼机模式可以有效地帮助人们分摊付费行程的交通成本，高成本不应该成为阻止我

们做出新尝试的理由。一旦拼机服务兴起，正反馈循环一定会最终降低成本，从而降低每个用户的使用价

格，也就是说，随着总用户人数的增加，飞机的利用率会随之提高。从逻辑上说，这会进一步促进拼机的

增加，从而达到更高的飞机载客率，即较低的价格反过来推动需求的增加。这将提高飞机需求量，接着又

会促进飞机制造成本下降。除了制造的学习曲线改进之外（这点在汽车的拼车模式中并没有体现），这个

过程在很大程度上与优步在地面交通中的发展过程类似：高成本的高级轿车产品转变为低成本因此更多人

选用的优选轿车和优步拼车产品。

市场可行性壁垒

上述愿景虽然显得雄心勃勃，但我们相信如果 VTOL 生态系统中的所有关键参与者（监管者、VTOL 飞机

设计师、社区、城市和网络运营商）能够有效协作，这一愿景也不是不能实现。为了将按需城市空中交通

服务投入市场，以下是我们认为最需解决的关键挑战。

●认 证 流 程 。 无论在哪一个国家运营，VTOL 都必须先符合主管航空安全的航空管理机构的规定。

其中美国联邦航空管理局 (FAA) 和欧洲航空安全局 (EASA) 分别管理着 50% 和 30% 世界航空活

动，因此需要获得这两个机构的认证。从认证角度来说，VTOL 飞机是全新的概念，尽管认证流程

正不断改变，能够大幅提高速度，但就以往来看，全新飞机概念的认证流程都十分缓慢。我们会在

“飞机：认证”部分深入探讨此问题。

 ●电池技术。电力推进的众多出色特性，使之成为更适合本文介绍的 VTOL 飞机的推进方案，而电

池无疑是理想的能量来源。然而，现今电池的比能量（单位质量的电池提供的能量大小，最终影响

飞机的总重）不足以支持远程通勤。另外，现今电池的充电率（电池能够基本恢复到满电状态的速

率，决定了工作闲置时间）也过于缓慢，难以支持高频率的拼机运营。循环寿命（在电池容量小于

原始容量 80% 之前可维持的充电/放电循环数量，可影响电池的更换频率）和单位千瓦时成本（决

定了电池总成本）也对电动飞机的经济可行性至关重要。我们会在“飞机性能：速度和航程”部分讨

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二战期间，飞机实现了大批量生产，并在此后持续了多年。此外，在 20 世纪 70 年代，通用航空飞机的销量达到了约 20,000 台/

年，但自 20 世纪 80 年代初以来，销量每年只有几千台。

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飞机和直升机不仅比汽车昂贵许多，而且这种交通工具中使用的部件也更加昂贵。通用汽车公司出品的 430 马力 Corvette LS3

6.2 升 Crate 引擎的制造商建议零售价为 7911 美元

(http://www.chevrolet.com/performance/crate-engines/ls3.html) 比飞机引擎复杂得多，如制造商建议零售价为 46,585 美元

的 Continental IO-550C 300 马力引擎

(http://www.continentalmotors.aero/Engine_Details/Stock_Engines/ )。有关详情，请参阅“经济意义”部分。

论电池技术发展的现状，以及未来几年内可能出现的有前景的进步，也是实现在 VTOL 中应用的

必要条件。

 ●  飞 机 效 率 。 直升机是目前与本文中讨论的 VTOL 最接近的飞机[A1]，但直升机的能效过低，从经

济角度考虑远不能满足大规模运营的要求。直升机的设计使之适合需要垂直飞行、高度灵活的任务。

而对于拼机这种限制性更强的情况，需要更加注重任务优化的飞机，例如采用分布式电力推进

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翼倾角飞行的根本性局限，并且机翼提供的上升力效率比旋翼更高。但至今还并未有飞机制造商证

实 DEP 飞机的商业可行性，因此这其中是有风险的。我们会在“经济：飞机效率/能源使用”部分探

讨此问题。

●  飞机性能和可靠性。节约时间是 VTOL 的一个重要价值主张。对于拼机，我们会衡量并尽力缩短

从预约到下机所经过的总时间。而这一时间受飞机性能（尤其是巡航速度以及起飞和降落时间）和

系统可靠性（按从预约到下机所经过的时间衡量）的影响。在这种情况下，要解决的关键问题是，

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要解决在不同天气状况下飞机的稳定性问题（否则随时可能在某一区域造成大部分航班停飞）。

“基础设施和运营”部分，以及“运营：行程可靠性”和“天气”部分介绍了这些难题以及这些领域中令

人信服的技术进步。

●  空中交通管制 (ATC)。城市空域目前实际上已投入商用，借助同样的 ATC 系统，VTOL 服务也

可以进入市场，甚至扩展到数百架飞机的规模。例如，圣保罗每天已经有数百架直升飞机在飞行。

使用目视飞行规则 (VFR)，飞行员可以在没有空中交通管制的情况下飞行，而且必要时可采用利用

了现有 ATC 系统的仪表飞行规则 (IFR)。然而，成功运营的按需城市 VTOL 服务需要大幅提高在

都市区运营的飞机的使用频率和领空密度。为了应对这种复杂程度呈指数级增长的情况，我们需要

新的 ATC 系统。我们设想，低空业务通过一个类似服务器预约的系统进行管理，理顺全球的交通；

同时允许 UAV 和 VTOL 根据类似 VFR 的规则自主分辨各地潜在的冲突（包括恶劣天气下的应

对）。目前有一些计划正在酝酿中，这些计划前景光明，但是完成计划还需要很多年，而它们的制

定速度最终也可能会制约发展。“运营：空中交通”部分对此中问题做出了进一步论述，并总结了当

前的 ATC 计划。

●  成本和支付能力。如上所述，直升机是与本文中设想的 VTOL 最接近的代表性产品，但若将直升

机投入大规模交通服务中，高昂的价格让人生畏。直升机能效不高，维护成本非常昂贵，再加上噪

音过大，在城市中的使用受到了极大限制。因此，人们对直升机的需求不高，这也就导致了产量低

下：当前全球民用旋翼机的年产量大约仅为 1,000 台，不足以形成重要的规模经济。于是，人们

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能形成上文所述的降低成本与价格的良性循环。我们的“飞机”和“经济模式”部分详细介绍了通过经

济型飞机和运营赢得大众市场的进化途径。

http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/6.2016-3920

我们的经济建模显示，这些性能数字对于可行的长距离通勤 VTOL 服务而言必不可少。较短的行程距离可以使用速度较低的飞机，

但会以降低飞机生产率为代价。

11 如今的直升机有无数个部件构成，这些部件属于单一故障的飞行关键组件，因此需要对这些部件的生产质量进行严格监控，而且严

苛的高振动运行环境也会造成部件发生磨损和产生偏差，因而需要频繁进行维护检查。

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●安 全 性 。 根据每乘客英里的死亡人数数据，我们认为 VTOL 飞机需要比驾驶汽车更安全。《联邦

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驶车辆的两倍，但我们相信 VTOL 飞机可将该比率至少降至第 135 部中所述平均值的四分之一，

因此 VTOL 的安全性将提高到驾车的两倍。DEP 和半自动驾驶（飞行员协助）是实现这一安全目

标的关键部分，这些内容会在“飞机：安全性”部分详细讨论。

●飞 机 噪 音 。 随着城市航空交通的兴起，飞机必须得到社会的认可，而这其中飞机噪音是一个重要

因素。我们的目标是尽可能降低噪音等级，使飞机的噪音可以有效融入背景噪音中；我们相信

VTOL 噪音的最终音量应是中型卡车经过房前时音量的一半。这就是说，为了更恰当地描述飞机音

量对社区的影响，我们需要更加精密的“噪音”测量方式。电力推进对实现这一目标也至关重要：无

论是引擎噪音还是推进器推进噪音，都需要超静音设计。“飞机：噪音”部分探讨了这一问题。

●排放。VTOL 代表一种潜在的、全新的城市大规模交通模式，因此，它们需要肩负起环保责任且具

有可持续性。如果将直升机作为对比基点，VTOL 为减少排放创造了重大机遇。我们会考虑 VTOL

的运营排放和生命周期排放前者指 VTOL 在运营期间产生的排放；后者表示与这种交通方式相关

的整个能源生命周期，包括（如果是电动飞机）为 VTOL 电池充电的电力生产。零运营排放是电

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排放成为首要问题。“交通工具：排放”部分中将探讨此话题。

●城 市 中 的 垂 直 起 落 场 /垂 直 起 落 站 基 础 设 施 。 在城市中部署 VTOL 机队的最大运营障碍是缺少

安置起落场的充足场地。即使 VTOL 现在获得批准，城市里也没有必需的起飞和降落站点供 VTOL

以机队规模运行。少数城市已建立多个直升飞机场，可能有足够的空间提供有限的初始 VTOL 服

务，前提是这些机场位置合适，容易从街道进出，并有可用空间增设充电站。但是，如果 VTOL

想要发挥全部潜力，则需要增加基础设施。“基础设施和运营”部分将更深入地探讨此问题，并提供

模拟结果，确定最佳的垂直起落场/垂直起落站选址方案。

●飞行员培训。根据 FAR 第 135 部的规定，培训商用飞行员是一个十分耗时的课题，需要 500

小时的 VFR 机长经验和 1200 小时的 IFR 经验。考虑到按需 VTOL 服务的规模，对飞行员的需

求将快速增加，而这些培训要求很可能会造成合格飞行员短缺，从而严重影响发展速度。理论上来

说，飞行员辅助技术会在很大程度上减少对飞行员技能的要求，从而相对缩短培训时间。请参阅

“飞机：飞行员培训”部分了解更多相关信息。

市场可行性壁垒的行业评估

NASA 和 FAA 最近牵头举办了一系列按需出行 (ODM) 研讨会，将 VTOL 生态系统（新兴的 VTOL 飞机制

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服务的壁垒。ODM 研讨会小组所确定的壁垒（见以下图表）与我们前述评估中确定的难题一致。

本文剩余部分探讨了成功建立 VTOL 市场所要面临的这些难题，重点着眼于尽快克服这些难题，以及我们

对乘客体验要求的看法。我们的目的是为处于初期但在不断发展的 VTOL 生态系统做出贡献，并为帮助加

速本行业发展而承担起应尽责任。我们不会自行生产 VTOL 硬件，而是期望与飞机开发商、监管机构、城

市和国家政府及其他社区利益相关者合作，同时为大家打造一个由满怀希望的消费者、清晰的飞机与运营

计划所组成的广阔市场。本文结尾介绍了我们即将举办的峰会，参会者包括飞机开发领域的企业家、监管

机构和城市代表，希望能帮助推动讨论与协作，真正将按需城市空中交通服务融入人们的生活。

 我们欢迎所有形式的反馈，请将反馈发送至 [email protected]。

供稿人

Uber Elevate 团队在此对参与此白皮书撰写和制作的所有人员表示感谢，您可通过 [email protected]

联系我们。

作者

Jeff Holden优步科技 | 首席产品官

Nikhil Goel优步科技 | 产品经理、Uber Elevate 和高级项目

供稿人和审稿人

Betsy Masiello优步科技 | 政策和通信主管

Jamie Epifano优步高级技术中心 | 战略与业务运营

Justin Ho优步高级技术中心 | 战略主管

Jon Petersen优步科技 | 高级数据科学家

JR New优步科技 | 数据科学家

Zac VawterOttomoto（优步科技）| 工程部

Mark Moore美国国家航空航天局兰利研究中心 | 按需出行首席技术专家

David Josephson声学/噪音顾问

Deran GarabedianNesta | 高级顾问

Alexandra Hall航空顾问

Ricarda Bennett直升飞机场顾问 | 首席执行官兼律师

Mike Hirschberg美国直升机协会 (AHS) 国际 | 执行董事

Brian German 博士佐治亚理工学院航空航天工程学院 | 副教授

Gregory BowlesAirCertGlobal, LLC | 总裁

Parimal Kopardekar 博士美国国家航空和航天局，NextGen-Airspace | 项目组负责人

Parker Vascik麻省理工学院国际航空运输中心 | 研究员

Ken Goodrich美国国家航空航天局兰利研究中心 | 高级研究工程师

插图和图解

Christopher D’eramo优步高级技术中心 | 设计师

Prakash Nair优步科技 | 设计师

Erik Klimczak优步科技 | 设计师

Didier Hilhorst优步科技| 设计总监

外部图片已获使用许可且/或归其出处所有

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目录

介绍 ....................................................................................................................................... 1 

市场可行性壁垒3 

市场可行性壁垒的行业评估 ............................................................................................................................................................... 5 

供稿人 ................................................................................................................................... 7 

作者7 

供稿人和审稿人7 

插图和图解7 

目录 ....................................................................................................................................... 8 

VTOL 的入市之路 ............................................................................................................... 11 

车辆 ..................................................................................................................................... 12 

安全14 

确立安全目标........................................................................................................................................................................................... 14 

提高 VTOL 的安全性............................................................................................................................................................................. 15 

分布式电力推进系统15 

噪音19 

VTOL 噪音的量化目标 ......................................................................................................................................................................... 19 

1) 飞机的噪音目标19 

2) 长期干扰20 

3) 短期干扰20 

4) 站点级分析和定制21 

飞机设计 .................................................................................................................................................................................................... 23 

排放28 

飞机性能30 

巡航与悬停效率...................................................................................................................................................................................... 30 

速度和航程................................................................................................................................................................................................ 31 

电池要求32 

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有效载荷 .................................................................................................................................................................................................... 32 

自动驾驶 .................................................................................................................................................................................................... 33 

认证36 

加快认证速度........................................................................................................................................................................................... 37 

运营商认证................................................................................................................................................................................................ 38 

飞行员培训................................................................................................................................................................................................ 39 

基础设施和运营 ................................................................................................................ 40 

城市基础设施41 

垂直起落场和垂直起落站的开发.................................................................................................................................................... 41 

垂直起落场和垂直起落站的设计41 

VTOL 的拼机基础设施44 

垂直起落场和垂直起落站的选址.................................................................................................................................................... 47 

机场和飞机维护中心 ............................................................................................................................................................................ 47 

规划路线 .................................................................................................................................................................................................... 48 

基础设施模拟49 

设想 .............................................................................................................................................................................................................. 49 

车辆型号 .................................................................................................................................................................................................... 50 

分析与讨论................................................................................................................................................................................................ 51 

需求聚集和多模式优势52 

服务水平低下的路线53 

节省时间54 

为飞机充电55 

运营56 

空中交通 .................................................................................................................................................................................................... 56 

1) 高流量无声空中交通管制交互56 

2) 延伸至 500 英尺高度的类 UTM 管理56 

3) 与机场和航站楼区域的无缝集成57 

4) 以自动驾驶为目标的建筑基础设施58 

行程可靠性................................................................................................................................................................................................ 59 

天气 .............................................................................................................................................................................................................. 59 

密度高度60 

ICE 专车60 

可见性60 

阵风61 

安全 .............................................................................................................................................................................................................. 62 

采纳公众意见........................................................................................................................................................................................... 63 

9

乘客体验 ............................................................................................................................. 65 

预约体验66 

登机体验66 

旅途体验66 

经济意义 ............................................................................................................................. 68 

运动效率68 

比较分析 .................................................................................................................................................................................................... 69 

交通工具负担70 

行程负担70 

车辆与 VTOL 出行效率对比 .............................................................................................................................................................. 71 

经济模型73 

交通工具的使用情况 ............................................................................................................................................................................ 74 

交通工具的利用率74 

飞机效率/能源使用74 

交通工具的载客率75 

地面-空中的等量里程数（实际出行距离）75 

空返率75 

资本费用 .................................................................................................................................................................................................... 76 

飞机的购置成本76 

交通工具的使用寿命 ............................................................................................................................................................................ 77 

基础设施负担78 

运营费用 .................................................................................................................................................................................................... 78 

驾驶及航电系统成本78 

飞机的维护成本78 

间接运营成本78 

经济学结论................................................................................................................................................................................................ 79 

后续步骤 ............................................................................................................................. 80