飞行汽车究竟是噱头还是未来出行方式?
在2024年巴黎奥运会期间，德国企业Volocopter计划推出空中出租车服务，旨在验证其飞天车的实用性与可行性。Volocopter标榜其飞行汽车不仅创新前沿，而且高度环保，同时产生的噪音极低，确保城市上空不会遭受类似直升机那般震耳欲聋的噪音侵扰。与此同时，现代汽车及国内的小鹏汽车等多家汽车制造商也纷纷宣布涉足飞行汽车领域，加入这一竞争行列。面对这样的趋势，不禁让人思考：飞行汽车能否成为未来交通体系的中坚力量？对其的投资是否明智？这究竟是商业炒作，还是真真切切的市场需求呢？图1，Volocopter的飞行汽车噪音水平 01,什么是飞行汽车？在2023年6月的巴黎航空展上，Volocopter展示了其飞行汽车的成品——Volocity。这款名为Volocity的飞行汽车随后于同年11月在纽约成功完成了首次城市飞行。实际上，飞行汽车是一种电动垂直起降飞行器（eVTOL），它更像是放大了的多轴无人机，能够载人飞行，成为继私人飞机和直升机之后的第三种飞天载具选择。 以往，飞机和直升机主要由专业的飞行器制造商生产，与其他产业有着明显的界限。然而，eVTOL则更像是无人机与电动车的结合体，因此，能够参与这一领域的厂商更加多元化，设计也变得更加多样和创新。例如，早在2018年，奥迪与空中巴士就共同推出了模组化的概念飞行汽车pop up next。这款真正的飞天车允许电动车座舱的自由更换，无论是底盘、汽车模组还是车顶的飞行器模组，都能实现汽车与飞行汽车之间的灵活转换。除了奥迪，现代汽车、凯迪拉克所属的Stellantis等多家汽车制造商也已宣布加入eVTOL的竞争行列。摩根士丹利预测，到2040年，全球eVTOL市场规模将达到一万亿美元，并在2050年增长至九万亿美元。
图2，凯迪拉克的Stellantis那么，eVTOL与飞机及直升机相比，有哪些显著的区别呢？众所周知，直升机面临的主要挑战在于噪音和起降空间的需求。Volocopter宣称，eVTOL的噪音水平远低于直升机。这确实有其道理：电动车相较于传统汽油车的一大优势便是其静音性。传统汽油车依赖引擎驱动，引擎内部热能转化为机械能推动活塞运动时，气缸的振动会产生声波，形成我们不愿听到的噪音。而电动车则摒弃了引擎，采用电池驱动的马达系统，没有气缸振动，自然就不会产生此类噪音。eVTOL同样采用电力驱动，因此与直升机相比，噪音大幅降低。 此外，直升机的另一大噪音来源是风切声。为了提供足够的升力，直升机叶片必须高速旋转，而叶片切割空气的速度越快，产生的噪音就越大。电动化的eVTOL通过增加多旋翼的设计，可以轻松地缓解这一问题，随着最大转速的降低，噪音也随之减少。通常，eVTOL发出的噪音低于65分贝。一些公司甚至进一步改进设计，让马达的运转声模拟风声或海声，使得即使人们听到这些声音，也会感觉像是白噪音，不会感到不适。
图3，飞行汽车采用电池驱动 与此同时，日本名古屋大学也开展了一项研究，模拟了eVTOL从人们头顶15米高处以25公里的时速飞过时的情景。实验结果显示，随着噪音音量的提升，参与者的压力也随之增大。事实上，这类关于噪音的研究是在无人机广泛出现后才逐渐兴起的。毕竟，飞行器与汽车所产生的噪音不仅在频率上有所不同，而且它们的位置也截然不同——一个位于地面，另一个则悬于毫无遮挡的头顶，因此声音的扩散程度和听觉感受也会有所差异。 另一项研究则聚焦于旋翼靠近地面时产生的“异地效应”，即当旋翼向下吹出的气流与地面非常接近时，会形成一种“气垫”效果，这不仅会产生额外的噪音，还会增加噪音的大小并引发反射。因此，当大量的eVTOL需要在城市中频繁起降时，我们不仅要考虑其在空中运行时的噪音问题，还需要评估起降过程是否会对周边建筑产生额外的震动和噪音。尽管噪音的具体规范还需更多研究来确定，但多旋翼设计仍然是eVTOL的首选，这不仅是降低噪音的有效途径，也是实现飞行器灵活性的关键所在。
图4，“异地效应”产生的噪音 02,飞行汽车的原理以及世界上典型飞行汽车代表 单旋翼直升机必须配备尾翼，这是因为旋翼在旋转时会遵循角动量守恒的原理。具体而言，如果旋翼逆时针旋转，那么机身下方会相应地顺时针旋转，以保持整架直升机的总角动量为零。为了避免驾驶员感到晕眩，直升机需要尾翼来抵消这种机身旋转的角动量。 相比之下，多旋翼飞行器可以轻松地解决这一问题。它们的设计是让一半的旋翼顺时针旋转，而另一半逆时针旋转，从而相互抵消旋转的角动量。当需要改变飞行器的方向时，只需降低顺时针旋转的旋翼的功率，机身就会缓慢地顺时针旋转以进行补偿。若要改变飞行方向，只需提高相反方向旋翼的功率即可。例如，若要向左飞行，就提高右侧马达的转速，这样飞行器的右侧就会向左倾斜，从而实现向左飞行的目的。
图5，多旋翼的飞行器多旋翼飞机以其灵活的飞行性能和卓越的安全性，受到了众多公司的青睐，Volocity便是其中的佼佼者，特别适用于城市飞行环境。然而，这种飞行方式的速度相对较慢，大约每小时110公里，与高速公路上的车速相仿。为了提升航行速度，一些变种设计应运而生。例如，由谷歌创始人拉里·佩奇创立的Kitty Hawk公司，就结合了固定翼飞机的速度与多轴飞行器的灵活性，创造性地将多旋翼安装在飞机机翼上。起飞时，旋翼向下推动气体，使飞机迅速升空；起飞后，旋翼方向改变，成为真正的螺旋桨飞机，时速可达300公里。然而，遗憾的是，这个梦想并未实现，Kitty Hawk在2022年宣布关闭。此外，改变旋翼方向的设计由于结构复杂，安全性相对较低，如2022年Joby Aviation公司的一架遥控原型机在试飞期间不幸坠毁。 Craft Aero公司则提出了一种新的解决方案。他们设计了一款颇具设计感的飞机，同样采用推力原理，但并非改变旋翼方向，而是通过调整机翼后方的襟翼来实现。起飞时，襟翼向下，气流沿控制板向下流动，将推力转化为升力；起飞后，襟翼放平，气流正常向后流动，推动机身前行。更值得一提的是，Craft Aero的方形机翼设计独具优势。传统飞机在机翼末端会产生翼尖涡流，导致升力下降，而机翼末端的翘起部分（翼尖小翼）旨在通过结构设计减少涡流。Craft Aero的方形封闭式机翼由于没有翼尖，自然不会产生翼尖涡流，从而减少了能量浪费，使其时速可达550公里。
图6，翼尖小翼结构设计，减少涡流的产生 03,飞行汽车商业化可行吗？ 飞行汽车的价格究竟如何？这主要取决于三个关键因素：飞行距离、起降地点以及载客率。与飞机相似，起飞和降落是能耗最高的阶段，因此，飞行距离越长，平均每公里的费用就越低。而起降地点则与载客率紧密相连，如果飞行汽车能从你家直接飞到公司，可能只有你一位乘客；但若能像地铁那样在城市中设立多个站点，让飞行汽车从这些固定站点起飞和降落，就能显著提升载客率。一些公司已计划与Uber等出租车公司合作，将乘客送到这些站点换乘飞天出租车，之后再协助他们到达目的地，以此降低成本。以Joby Aviation公司的估算为例，每人每公里的费用约为8元人民币。对于长途飞行而言，这一价格甚至低于出租车，极具吸引力。然而，续航力也是一个不可忽视的问题。电动车刚进入市场时，续航焦虑一直是其主要障碍。而eVTOL飞行器在空中飞行，无法像地面车辆那样随时找到电池交换站。目前，eVTOL主要使用锂离子电池，每次充电后的续航力约为100多公里。如果一台飞行汽车消耗3.5千瓦的电力，那么在大型转运站，同时有数百到数千台飞行汽车时，巅峰时段的电力消耗可能接近500万瓦，相当于6000个家庭使用的电力。但在低谷时期，这些飞行汽车如果连接到电网，还可以作为智能电网电池的一部分，预先储存电能。这种电动车与电网互动的V2G（Vehicle-to-Grid）概念，在电动车问世之初就已提出。在未来，随着电动载具和间歇性能源的增多，这种高度灵活的电力调度技术将是我们需要持续发展的方向。
图7，欧盟航空安全总署EASA的安全标准最后在安全性的部分，还有待更多的试验来验证。目前欧盟航空安全总署EASA给出的安全标准比较大型喷射客机灾难性事故发生率，必须小于每10亿飞行小时一次，至于要不要为乘客装备降落伞，在都市上空的事故如何应对，相关的规范都还有待进一步讨论。
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