eVTOL真的是泡沫吗?

文摘   2025-01-10 16:53   江苏  
在2024年9月,一位英国资深的航空专家Bill Sweetman写了篇文章:《刺破eVTOL行业泡沫》,在业界、尤其是中国被广泛传播。文章提出了10个问题,其实不少都是错误的,只是人类本身对于负面信息的关注度是远高于正面信息,必然大量传播。加上年底时,Lilium和Volocopter相继宣布破产,使得国内行业一片悲观(其实这个另有隐情,第一是这两家并不代表行业领头羊和方向,第二是他通过破产摆脱历史股权问题以及中国资本,第三是管理问题,第四才轮到技术路线因素)。
Bill Sweetman,68岁,先后担任简氏集团、《航空周刊》集团编辑,主要涉及领域是军用飞机,因为几十年坚持不懈的追逐并不存在的美军“极光”高超音速飞行器而出名,写过50多本军用飞机相关书籍。在最近十年兴起的eVTOL热潮中并未有效参与,也并不了解真实的电动航空现状,本文从技术角度对这些论点进行反驳。本文主要采用了eVTOL专家Mark Moore(全球eVTOL热潮发起人)的论据,并结合当前行业发展情况进行说明。

1.载荷与航程问题
Bill Sweetman认为到目前还没有一个eVTOL演示了一次充电后载人完成25英里(40km,英吉利海峡)往返飞行,这个电动路线就走不通。Louis Blériot  1909 年仅用 25 马力就横渡了英吉利海峡。为什么没有一家 eVTOL 制造商完成类似的壮举?
实际上,2015年7月的CriCri有人驾驶电动飞机就已经飞过英吉利海峡了,当前的eVTOL处于前期研发阶段,没有哪个严肃的飞机公司一定要跑到英吉利海峡去展示这个能力。

飞行测试在过去 100 年中不断发展,尤其是在过去 10 年中。当前 25000 英里的测试(Joby 已经实现了)可以通过远程驾驶完成,同时可以更快地以更低的成本收集更高质量的数据时,没有理由冒着飞行员的生命危险。甚至可以说,在早期测试中让飞行员进入 eVTOL 是不负责任的,但是非常具有特技宣传效果(Beta 在他们的第一次过渡飞行测试中就是这么做的)。飞行测试的一个关键方面是:您希望尽可能地管理风险,FAA 鼓励这样做,要求在基地附近进行许多小时的飞行测试,在那里可以控制条件,并且团队/维护支持可以确保最安全的运行。至于有效载荷,在进行过多次飞行测试活动后,安装了大量额外的数据设备和传感器,它们构成了大量额外的质量,实际上可以算作有效载荷。当然,如果公众看到一名飞行员驾驶 4 座 eVTOL飞行将是一件震撼的事情,这将在 2025 年作为市场调查飞行进行。然而,这不太可能发生在英吉利海峡上空,因为英国和法国都不是发展或新兴市场的重要地点,而 eVTOL 行业最令人兴奋的发展发生在世界其他地方,如美国、中国、阿联酋、印度。

Bill Sweetman认为续航问题有两个根源:eVTOL虽然环保,但效率并不高。并举例了直升机飞行。

关于效率问题,eVTOL 效率特别高,但它们选择不过度设计偏向悬停,因为它们在执行任务时只有一小部分时间处于这种飞行状态。悬停载荷不是衡量效率的标准,而是一种针对飞机任务意图进行优化的设计选择。直升机设计用于长距离悬停,而 eVTOL 则不是。所以Bill只是按直升机的模式来分析,而不考虑固定翼状态飞行,这方法就是错误的。

Bill Sweetman认为燃油的能量密度是电池的30倍,差距太大,电池没希望。

实际上还需要计算发动机效率、传动系统效率、巡航升阻比等等,综合计算后,两者的差距大约只有不到3倍,所以罗宾逊R-66航程350海里,JOBY S4为134海里,就展示了这个规律。更重要的是,涡轴和燃油发动机系统在过去40年来并没有大的效率方面进步,而电池性能现在则是每年提升5%以上,当电池能量密度达到668Wh/kg的时候,燃油系统的优势基本就没了。现有的电池系统和飞机早已经能满足和超过了Bill所说的40km航程和2个起落。


2.电池技术的未来前景

Bill Sweetman对电池技术能否提供足够的功率密度,以及承受频繁、深度、快速充放电的能力没有信心。认为需要持续大功率放电,而且寿命极低。

特斯拉和其他领先汽车公司仍在努力推动其跑车和半挂卡车的续航里程达到 600 英里(960km)。硅胶阳极和固态电池单元是下一个将实现大批量生产的重大技术。这些具体方法不仅使我们在未来 5 年内将批产化的电池比能显著提高到约 400 Wh/kg,而且电阻要低得多,从而实现更长的循环寿命和更高的放电和充电率。
从全球各大能源企业发展来看,500Wh/kg的电池已经在测试,各种固态电池技术也在蓬勃发展,尤其是中国,可能会进一步在电池领域占据先机。
关于放电要求,Bill还是犯了同样错误,认为eVTOL需要持续的10C放电,几分钟就没电了,他没有意识到有翼eVTOL巡航阶段的放电需求大幅降低。唯一需要 15C 放电率的 eVTOL  Lilium,他们因为放电率高而受到马克毛无休止批评。很明显Bill没有与 eVTOL 或电池专家交谈过,这些专家会告诉他只需要 2-3C 的放电率,许多电池已经在 eVTOL 工作循环中进行了循环测试,并且在需要退役用于其他用途之前实现了数千次循环。如果他咨询过,Joby  Archer 会向他展示数据以消除他的担忧。这就是 Bill 的文章最让人困扰的地方:为什么他甚至不尝试与每个技术领域的专家交谈,而只是发表没有事实依据的声明?他之前的书籍表明,他已经不遗余力地与经历过航空历史的人交谈--但是对于 eVTOL,他似乎从一开始就认定他们毫无价值。

3.适航认证问题
Bill Sweetman认为eVTOL复杂的气动和动力学、故障模态、分布式动力设计等风险太大,即使是Textron Denali这样的传统飞机从发布到取证也要10年,eVTOL认证更是遥遥无期。
不容置疑,新的飞行器的适航认证的确是难事。关键是eVTOL认证到底会要多久。Denali并不是一个好的例子,德事隆并未投入太多的精力和资源,而且一点都不急,否则可能只需要3年。相反的,JOBY和Archer的投入是非常巨大的,他们拥有行业一流的2500名工程师,已经花费了25亿美元,并且还与国会、FAA确定eVTOL法规,国家层面上在推进eVTOL的发展,FAA和EASA都很积极推进。而且,现在FAA局长也是来自于eVTOL行业(Michael Whitaker,来自现代集团飞行汽车公司Supernal CEO)。JOBY S4项目从启动到现在也8年了,预计2026年会取证。
其他方面,中国、阿联酋会走出自己的路线,飞行器可能先于美国取证运营。同样,FAA 规则允许地方政府出于自身目的运营未经认证的飞机。获得早期运营数据是一件好事,JOBY和Archer都不可能在没有高度信心的情况下做到这一点:因为任何事故都会危及整个公司的未来。你在这里听到的反对阿联酋早期运营的最大声的抱怨者是竞争的直升机公司,随着领先的 eVTOL 公司表明他们已准备好向前迈进,这些公司将失去市场份额。
目前中国的亿航-216已经取得CAAC的适航证书,只是其没有机翼、螺旋桨位于进出通道,应用限制性很大。美国当选总统特朗普也宣布了将大力发展电动航空,支持美国企业在这个领域与中国竞争。

4.储备电量的问题
Bill Sweetman认为放弃储备的30分钟或45分钟(夜间)飞行时间电量、采用基于性能的标准是错误的,即使eVTOL可以紧急降落在路边等地,也会阻塞交通。
基于性能的标准是合理的解决方案(适用于所有类型的飞机,而不仅仅是 eVTOL),FAA SFAR 允许根据预期用途为合理的储备制定标准。如果你看看目前直升机的 20 分钟 VFR 储备(以及固定翼第23 部通航飞机的 30 分钟 VFR 储备),你会发现很难找到这些长期存在的法规的任何实际依据(就这些特定时间量而言)。毫无疑问,基于性能的标准比 50 多年前选择的任意数字提供了更合理的基础。但无论如何,现行法规足以让 eVTOL 执行 VFR(目视飞行) UAM 任务,并保证其安全。一个更引人注目的问题是,eVTOL 如何实现具有更多繁重储备的 IFR(仪表飞行) 飞行,而无需采用复杂且昂贵的混合动力发动机,这将大大降低 eVTOL 享有的运营成本优势。基于性能的标准也将有助于 IFR 储备。
担心 eVTOL 降落在道路上会造成交通堵塞并不是一个需要解决的主要问题。只是需要开发更多的基础设施,但本末倒置是没有意义的。一旦 eVTOL 获得认证,就会有几家房地产开发商准备开始将停车场的上层和其他可用位置改造为正常和紧急着陆位置。这些改造可以在几个月内完成。关键是获得当地社区对这些着陆位置的批准。这受到直升机在社区友好度方面声誉不佳的挑战(主要是由于噪音特性差)。领先的 eVTOL 已经在纽约市和其他地方进行了公开试验,这些试验表明噪音特征比直升机低得多。

5.商业模式问题
Bill Sweetman认为UAM的运行、取酬方式存在很多问题。
UAM 模型始于运营和支持飞行器的公司--公共航空公司--并雇用飞行员。第二组企业是“UAM 服务提供商”(PSU)。 PSU将负责为 UAM 指定的低空空域、空中交通管理 (ATM)、天气和危险监视以及飞行计划,包括分配垂直起降机场时刻。第三组公司将运营垂直起降机场,有迹象表明一些投资者已经获得了可能的位置的权利。然而,UAM 必须在一个方面像 Uber:动态定价。否则,按小时、按天和按季节的城市旅行市场不太可能盈利。这三组公司将通过收费结构分享收入。注:这是执行 UAM 业务模型的一种方式,但肯定不是唯一的方式。Joby 作为制造商/所有者/运营商在内部垂直整合所有这些功能。Archer 与老牌航空公司和 Part 135 运营商合作。在空域管理方面,UAM 并不急需低空空域系统,因为 eVTOL 可以在空域中像当今直升机一样运行,而且许多城市已经建立了直升机走廊(甚至进入达拉斯-沃斯堡等大型机场)。

6.飞行员哪来的问题
Bill Sweetman认为飞行员数量明显不足,而且培训费用高昂,eVTOL永远无法自主飞行,一直需要庞大的幕后监督系统。

目前航空业正处于一个百年自主时代的开端,分布式航空拥有更安全、更低成本、更易于获取的技术基础。未来 20 年的飞行能力将令人震惊,自主驾驶是无处不在的空中交通选择的主要推动力--包括执行各种任务的大规模分布式自主小型无人机--无论你喜欢与否,这都是不可避免的。飞行员将长期存在。Bill的观点似乎与“人工智能将取代每一个程序员和白领工作”以及“机器人将取代每一个制造业和食品服务工作”一样。技术时代随着劳动力的需要而变化,农业时代、工业时代、计算时代都是如此,人工智能/机器人/电气时代也将如此。但这并不是说UAM 永远不会实现,或者飞行员是 UAM 行业的致命弱点。拥有 500 小时飞行经验的商业飞行员可以通过 FAA SFAR 驾驶 eVTOL,而且未来很多年都需要他们。对于急需的拥有 1500 小时飞行经验的大型运输航空公司飞行员,飞行员是否会获得飞行小时积分 - 我希望如此,但我们必须等待一段时间才能知道。飞行员的年薪约为 12万美元,这占总运营成本的不到 10%。这是能够以240km/h的速度飞行的eVTOL 很重要的一个关键原因。

在中国,这个更加不是问题,还有大量飞行员没机会飞行,人机比例远远超过欧美。而且中国对自动驾驶的包容性和推进力度是全球最大的,已经在各地运行的无人机、自动驾驶载人运营车辆和无人运输车就可见一斑。已经CAAC取证的亿航216也是自动驾驶。


7.人们的乘坐意愿问题
Bill Sweetman认为人们会非常害怕乘坐eVTOL。

至于人们是否会选择乘坐 eVTOL 飞机,这是一个合理的问题。

在马车转换到汽车的时代,一代人消亡后,大规模使用才成为常态,这确实花了 30 年时间。如果能够证明足够的价值主张,人们会选择使用 eVTOL。价值主张的核心是 eVTOL 与地面旅行相比节省了大量时间,这就是为什么最初的市场重点放在纽约、洛杉矶和其他交通拥堵的城市地区,在这些地区,在交通高峰时段,地面旅行速度最多为 30-50 km/h。靠近最终目的地的便捷交通对于最大限度地减少完成门到门行程所需的地面旅行时间至关重要。紧凑、近距离和具有成本效益的基础设施是关键,成本效益意味着这种基础设施需要用于高频操作。每天进行 10-20 次飞行(例如 Blade 目前正在进行的操作)并不能很好地摊销设施成本,这也是他们每次飞行支付 300 美元或更多着陆费的原因之一(夜间操作对噪音的敏感性更高,费用要高得多)。

具体涉及乘坐质量问题--设计精良的 eVTOL 飞机的一个优点是,由于起飞和着陆跑道设计条件不同,机翼载荷可以从相比常规通航飞机增加50%。

机翼载荷是决定乘客质量的关键因素,因此,如果使用较小的机翼(重量相同),任何阵风或湍流都会减少对乘客的干扰。就我个人而言,我看到未来的 eVTOL 设计将机翼载荷推高至与支线喷气式飞机相当的乘坐质量。但对于第一代 eVTOL 来说,通过最初的 VFR 操作(避免恶劣天气问题,特别是在避免冬季天气问题的地方),爬行、行走然后跑进未来的 UAM 市场是有意义的。


8.运营安全问题
Bill Sweetman认为eVTOL运营可能达不到直升机的安全性。
实际上,直升机的安全记录非常糟糕,这就是为什么开发 eVTOL 来取代它们是如此的重要。低空飞行确实会增加飞行员失去控制或受控飞行撞地的风险,这是事故发生的两个主要原因。通过采用领先的简化飞行器操作 (SVO) 控制,这些问题相对容易解决。这些先进的控制系统很复杂,但它们绝对是避免此类事故的关键。直升机制造商可以这样做,但是,除了西科斯基之外,他们让其他公司将这些新功能转换为他们的产品。然而,将 SVO 控制系统直接构建到 eVTOL 中甚至比改装现有直升机以实现最佳集成解决方案更好。由于这些 SVO 系统,这两个主要原因将大大减少,无论是直升机还是 eVTOL

事故的第三和第四个原因是推进系统功率损失(造成另外 14% 的致命事故),而这正是 eVTOL 飞机比直升机具有巨大优势的地方。在未知原因之后,第五大原因是部件故障,eVTOL也提供了重大改进以避免这些原因。直升机有大量飞行关键部件,并且不包含冗余(实际上,直升机无法在其旋翼系统中实现冗余,并选择不在其尾桨控制系统中实现冗余)。大多数低价直升机都是单引擎,因此当发动机内数百个关键部件中的一个发生故障时,就会导致功率损失。商用客机实现 10-9 安全统计数据(比直升机好 100 倍以上)的主要原因是大型客机在其推进和控制系统中采用了冗余。分布式电力推进技术(每个 eVTOL 都使用)的主要前提是至少实现与大型客机相同的冗余水平。在安全方面,冗余度是造成商用客机安全事故率达到黄金标准的原因。


9.运营交通管理问题
Bill Sweetman认为eVTOL的交通管理还不明确。

这种说法就像说 1915 年的汽车根本没有意义,因为当时没有高速公路、交通信号灯或道路规则。这是一种反对者的观点,它忽略了任何新市场都需要作为一个生态系统不断发展。交通运输是一个具有重要互联性的生态系统。与任何地面交通相比,航空业由于其对机场节点的依赖(而不是对高速公路等道路的依赖),对基础设施的需求最有限。此外,任何反对者都需要驾驶 Joby 简化飞行器操作 (SVO) 模拟器,才能了解与当前解决方案相比,未来的驾驶将有多么直观——这非常令人印象深刻,Joby 经常提供公开演示。一个城市不会一夜之间出现 1000  eVTOL,要达到这个门槛需要很多年。

全球至少有 40 个很棒的 UAM 市场,大城市面临着可怕的拥堵。可能最终成功的 eVTOL 开发商并不会很多,因此,以非常健康的生产率生产 40000 架飞机需要大约 10 年的时间。在这段时间内,可以采取很多措施来加强空中交通管制,即使有简单的交通规则,比如圣保罗市拥有超过 1000 架直升机的机队。

eVTOL 故障问题是冗余如此重要的另一个原因。本质上,它们具有带故障继续飞行回家模式功能,以及不会阻塞运行节点垂直起降机场的线路可更换组件维护策略。此外,大多数垂直起降机场都会有多个停机坪可供运行,不会因为某个飞行器故障导致停摆。


10.真能解决城市拥堵问题吗?
Bill Sweetman认为eVTOL无法解决城市巨大人口的拥堵,无法运载那么多旅客。
首先,UAM 并未被宣传为解决所有城市拥堵需求的解决方案。相反,它只是增加了一种更快的交通选择,可以摆脱地面拥堵,跳过长达十年的数十亿美元的轻轨地铁开发(指美国进度如此),并扩大了出行自由。城市环境需要更多选择来应对日益严重的拥堵问题。这对于时间紧迫的政府救生服务尤其重要。

虽然大规模将需要在未来 20 年内开发新的 UTM 框架,但目前已经有一些城市开展了大批量直升机运营。洛杉矶和圣保罗就是典型的例子,圣保罗每天有超过 2200 个航班,每 45 秒起飞或降落一次。这是在没有任何花哨的 UTM 自动交通系统的情况下完成的。圣保罗有一座控制所有直升机飞行的塔台,塔台由两个人组成,分别管理半个城市的航班。

地面拥堵是高度非线性的。即使通过使用 eVTOL 减少不到 5% 的汽车,交通拥堵也会改善 10-20%eVTOL 的一个重要方面是它们不会占用二维车道空间,而是通过 3D 导航提供更大的容量。此外,与拥堵交通中的地面汽车相比,eVTOL 的平均巡航速度提高了 6 倍,因此停留时间大大减少。

Bill Sweetman认为eVTOL无法为平民提供便利,顶多是个富人的玩具,没有社会利益。

就像手机一开始只为富人和少数人服务一样。新技术一开始总是更贵,直到它们能够进入规模化的市场。可以看到,未来的某一天,一辆 1-2 人的 eVTOL 如此紧凑、安静、安全和自主,以至于它能够在几乎任何地方起飞和降落而不会打扰任何人,而且利用率如此之高,以至于它的成本将远远低于今天的汽车出行,而且速度更快。未来提供了如此令人信服的机会,让我们从不断发展的电动和自动驾驶技术中做得更好!令人悲哀的是,有些缺乏想象力的悲观主义者看不到这个机会。


结语

《刺破eVTOL行业泡沫》一文提出 10 个问题并没有说明为什么 eVTOL 不能或不应该成为未来交通运输的重要组成部分,但是他有一定代表性,表达了行业外的疑惑。当然,科技发展的车轮必然滚滚前行,人类对于美好生活的向往是不会停止的!

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