快速飞入城市空中交通的未来-权威公司发布参考
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介绍
想象一下，开车从旧金山海港区到圣何塞市中心上班，通常需要花费将近两个小时，如果只需 15 分钟，
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？
2
每天，全世界的人们在路上浪费数千万小时。去年一年，旧金山市民平均花费 230 个小时往返于办公室和
家之间，1相当于每天损失掉 50 万小时的生产力。在洛杉矶和悉尼，市民每年相当于花费七 1 个工作周的
时间用于通勤，其中有两周时间浪费在交通堵塞中，没有产生丝毫效益。2在全球许多大城市，问题更加严
重：在孟买，平均通勤时间3超过 90 分钟，让人错愕不已。对所有人来说，这意味着我们陪伴家人的时间
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：
例如，《美国预防医学杂志》 的一项调查发现，通勤路程超过 10 英里的人患高血压的几率更大4。
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 [veetol]）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
加，5这些新型设施凭借低成本、更为出色的灵活性，也许会成为对世界各地的城市和国家更具吸引力的选
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
境，而且大规模使用的话成本高昂。VTOL 飞机将采用电力驱动系统，因此它在飞行中的排放为零；6它的
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
1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
2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
3 印度时报
4 Cooper Center Longitudinal Study，2012 年。https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3360418/
5 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⫿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。
6 “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。
3
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
不高造成的。7尽管小型飞机和直升机无论从大小、重量还是复杂度来说都与汽车类似，但它们的购置成本
约是汽车的 20 多倍8。
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
7 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。
8 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。
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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
(DEP) 技术。 9效率大幅改善可能会实现，因为 DEP 能够使固定翼 VTOL 飞机克服直升机依靠旋
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，
设计的飞机具备每小时 150-200 英里的巡航速度、起飞和降落时间最多不超过一分钟，10同时还
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
提出利用数⫿控制代替复杂的机械，设计出更简单、安静且运营高效的飞机。11我们希望这一转变
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。
9 http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/6.2016-3920
10 我们的经济建模显示，这些性能数⫿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
航空条例》 (FAR) 第 135 部表明，运营的飞机（通勤飞机和按需飞机） 12的致死率平均是私人驾
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
力推进设计的众多优势之一，这使发电（现今仍主要以煤、天然气和石油类燃料发电） 13及其相关
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
造商、联邦机构、私人投资者、专业学会、大学和国际航空组织）聚在一起，14共同找出推行按需 VTOL
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。
12 http://www.ecfr.gov/cgi-bin/text-idx?tpl=/ecfrbrowse/Title14/14cfr135_main_02.tpl
13 http://www.tsp-data-portal.org/Breakdown-of-Electricity-Generation-by-Energy-Source#tspQvChart
14 http://www.nianet.org/ODM/roadmap.htm
6
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 elevate@uber.com。
7
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 elevate@uber.com
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 Vawter | Ottomoto（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 Garabedian | Nesta | 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 Bowles | AirCertGlobal, 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
8
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
9
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
10
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 |
11
VTOL 的入市之路
在后续部分中，我们将从四个维度分析 VTOL 的可行性，以及该生态系统的入市之路：
● 交通工具： 一种交通工具必须满足哪些具体要求才能在城市使用（尤其是用于城市通勤）？这其
中涉及哪些方面的技术？
● 基础设施和运营：城市必须满足哪些基础设施和运营要求才能大规模运营 VTOL？
● 乘客体验：乘客如何通过拼机网络（包括优步）预约 VTOL？乘客在登机及旅途中应该获得什么
样的体验？
● 经济因素：消费者使用 VTOL 服务的费用是多少？大规模普及 VTOL 服务及取代其他交通方式
（尤其是私家车）意味着什么？
总而言之，我们通过分析得出如下结论：借助当今技术，具备规模运营所需属性的 VTOL 从技术方面而言
具有可行性；此外，在规模运营（即在合理的制造生产水平）方面，也能以足够低的成本运营 VTOL 服务，
从而实现大规模普及。我们会在后面的部分对我们开展的分析进行详细论述。
12
车辆
VTOL 飞机生态系统正处于蓬勃发展阶段，多家公司已着手开发和试飞早期飞机原型。NASA 航空研究任
务委员会的副署长 Jaiwon Shin 最近在有关“无人机和航空业未来”的白宫研讨会上表示，NASA 对 VTOL
的前景持乐观态度15：
“空中出租车将结合采用电力驱动系统、自动驾驶技术、垂直起降技术以及很多其他通信和
导航功能。完全自动化的空中出租车运营，尤其是在人口密集、交通拥堵问题严重的区域，
想到这样的可能性将变为现实，真是令人无比激动。当我们将所有这些功能融合到一起时，
航空领域将翻开新的篇章，我们即将迎来一个新的航空时代。”
我们设想的 VTOL 在拼机网络（即上面
所说的“空中出租车”）中提供服务，必须
克服下列四个主要障碍才具备商业可行性：
安全、噪音、排放和飞机性能。解决这些
难题需要用到两大重要的技术：分布式电
力推进系统 (DEP) 和自动驾驶技术。一
些制造商已提出各种概念来展现通过使用
DEP 技术来获得不同优势（以及劣势）
的方法，具体取决于设计师在巡航效率、
所需悬停功率、飞机控制、设计简单化、
有效负荷或飞机成本等方面的偏好。
在这些公司中，Zee.Aero 的规模最大。
这家公司侧重于推进所需组件技术（即先
进的电机、电机控制器、电池和噪音极小
的推进器等）不断发展。 到目前为止，
Zee 公开发布的几个飞机概念16均采用起
降加巡航配置，由独立的非铰接式推进器
提供垂直起降和向前的推力。由于垂直起
降推进器在飞机向前飞行时没有任何作用，
因此这种概念方法会增加电机重量和飞机
阻力。不过，这种设计的复杂程度较低。
Joby Aviation 17在其 S2 和 S4 概念中
提出了一个与众不同的概念方法，即使用
一组分布式倾转螺旋桨（6-12 个，具体
取决于飞机的大小/容量），这些旋翼随
15 Jaiwon Shin ， NASA 航 空 研 究 任 务 委 员 会 的 副 署 长 。 https://www.whitehouse.gov/blog/2016/08/02/harnessingpotential-unmanned-aircraft-systems-technology，时间戳约为 1:58:00。
16 http://www.bloomberg.com/news/articles/2016-06-09/welcome-to-larry-page-s-secret-flying-car-factories
17 http://www.jobyaviation.com/
13
着飞行的方向旋转，从而使推进器在整个飞行过程中同时提供垂直起降力和推进力。由于向前飞行时所需
的推进力比悬停时要小，因此内侧螺旋桨桨叶会向机舱折叠，以确保巡航时推进力最大且电机效率最高。
采用这种方法时，电机重量和飞机阻力都比较小，但铰接式电机和推进器也大大增加了设计方面的复杂程
度。
A3/空中客车公司 (Airbus) 也对外公布了自己的 Vahana 18概念，这一概念不是使用铰接式螺旋桨，而是
旋转每个上面装有四个螺旋桨的前翼和后翼。这种方法采用倾转机翼/倾转尾翼，与最近的 NASA GL-10
DEP 飞行展示机类似。19这种方法只需要使用两个致动器推动机翼旋转，因此能够降低复杂程度；此外，
它还能避免悬停以及转向阶段螺旋桨的下推力作用在机翼上，并在同时提供矢量推力和起降力。
还有很多公司提出了其他方法，例如，高度冗余的 18 个螺旋桨 eVolo Volocopter20，或机身小巧的
eHang 184 四轴八旋翼飞机。21这些多轴机架设计的飞机在速度上要慢得多（约 60 英里/时），航程短且
效率低，因为它们没有利用机翼升力飞行。此外还有其他概念，例如 Lilium 采用极高程度的分布式设计，
并将垂直起降系统与机翼的高升力系统紧密结合。这种喷气起降设计的桨盘载荷较高，飞机在起飞和着陆
时需要更高的动力，而且在城市中飞行的噪音问题很难解决。
目前全球仅有少数几个主要的 VTOL 制造商，而且尚没有一套明确的 VTOL 标准。除了飞机设计之外，下
一个难题就是设计师或更广泛的生态系统如何才能朝着满足实现规模制造所需的认证和监管程序推进。
此部分将深入分析专门针对飞机的市场可行性障碍（在简介中已作详述），即安全、噪音、排放、飞机性
能及飞机认证。
18 https://vahana.aero/
19 http://www.nasa.gov/langley/ten-engine-electric-plane-completes-successful-flight-test
20 http://www.e-volo.com/index.php/en/
21 http://www.ehang.com/ehang184
14
安全
要广泛普及 VTOL 这种拼机选择，乘坐 VTOL 一定要比乘坐汽车更加安全才行。为了使 VTOL 被市场所接
受，仅仅声称这种飞机跟驾车一样安全，尤其是考虑到大众对自动驾驶车辆可能带来安全改进的积极反馈，
几乎可以肯定是不够的。此外，大众普遍认为商业航空比驾车要安全得多，这也在无形中加大了航空公司
的服务安全压力，尤其是面向日常使用的航空服务，压力只会更大。
确立安全目标
>如今，按照《美国联邦航空条例》第 121 部规定运营的航班几乎可以肯定是最安全的交通方式，我们的
初始目标就是将每乘客里程的死亡人数降低到驾车的一半，即将安全水平提高到两倍。目前，按照第 135
部运营的直升机和固定翼飞机是最接近的代表性产品，空中出租车航空的安全水平仅为驾车的二分之一，
这意味着我们需要提高三倍（将每亿乘客里程的死亡人数从 1.2 降至 0.3）才能达到安全目标。然而，需
要注意的是，虽然我们设定了此目标，但监管机构对 VTOL 安全目标的要求却不一定比汽车更加严格。另
外，监管方面的讨论将会很复杂，因为安全性可通过不同的维度（例如，伤亡、事故）进行衡量，但我们
自身将死亡人数作为分析基准（如图所示） 22。
我们之所以选择第 135 部而非直升机或通用航空作为基准代表性产品，是因为这一部 FAR 中包含了关于
直升机和固定翼飞机提供定期和非定期空中出租车服务的规定。我们认为，与按照第 91 部规定运营航空
22Ken Goodrich，
http://www.nianet.org/ODM/presentations/Overview%20SVO%20Ken%20Goodrich%20and%20Mark%20Moore.pdf 堪 萨
斯城 ODM 研讨会，幻灯片 8，2015 年 10 月 21-22 日。
15
业务的通用航空 (GA) 领域相比，按照此部规定运营与 VTOL 飞机的实际运营非常接近。通用航空中发生
的大量事故是由于私人飞行员缺乏经验和飞机疏于维护，而且老旧飞机、战斗机和自制实验性飞机也占到
了事故中很大的一部分。在 VTOL 的制造、飞行和维护方面，我们将会遵循比第 135 部更为严格的控制
级别和 FAA 监管要求。此外，至少在自动驾驶得到广泛普及之前，运营 VTOL 将需要比私人飞行员更加
训练有素、经验更丰富、飞行审核更严格且健康认证要求更高的商业飞行员。即使在飞机故障率相等的情
况下，严格按照第 135 部规定运营 VTOL 的事故率至少可以控制在与按照这一部运营同样低的低水平。
提高 VTOL 的安全性
要了解如何提高城市空运的安全性，我们需要了解历来空难的根源。23按照第 135 部运营定期航班和空中
出租车在阿拉斯加尤为普遍，阿拉斯加发生的致死事故中有约半数是因为飞行员操作失误，例如，可控飞
行撞地、空中相撞和失控。大部分地区都没有雷达监测，因此无法实时管制空中交通，而天气预报也往往
不准确。规划欠佳和错误判断共同导致失控，飞行员的个人能力不足，加上恶劣的天气状况，势必会造成
飞机脱离飞行员的控制而导致悲剧发生。这些事故本可以通过相对简单的自动驾驶技术避免，此类自动驾
驶技术不仅能够更好地控制飞机，还能及时了解最新的导航和天气信息。军方已实施防止撞地的安全驾驶
辅助系统，例如，自动防撞系统，经确认该系统已成功帮助多名 F-16 飞行员幸免于难。阿拉斯加的空中
相撞事故率已24显著减少25，当地政府大量引入更好的导航传感器和飞机到飞机广播式自动回报监视 (ADSB) 系统，到 2020 年，这些装备将被普遍应用到在密集城区飞行的所有飞机上。VTOL 也必将利用数⫿电
传操纵系统，在这些系统中增加安全驾驶辅助系统将能够大大减少因飞行员操作失误而造成的飞机失控。
安全驾驶辅助系统将最终发展为完全自动驾驶系统，这也会对飞行安全产生显著的积极影响。
由于半数第 135 部飞机事故归根结底是由天气数据掌握不足、飞行员主观臆断所致，在城市区域飞行中实
时掌握天气情况并空中交通管制将使现有的第 135 部运营的安全性与驾车的安全性不相上下。通过采用先
进的安全驾驶辅助系统和自动驾驶系统将安全性进一步提高一倍，VTOL 将朝着实现两倍于驾车安全性的
最初目标迈进。
分布式电力推进系统
为了使 VTOL 达到高于车辆的安全性，我们必须考虑控制多个推进电机的复杂性。从本质上而言，本文所
设想的 VTOL 可以进入自动驾驶状态，也就是说，除非有障碍物和其他飞机造成视觉障碍的情况下，VTOL
无需飞行员操控。飞行员无需实际操控引擎和操纵面，只需要设定一条航线，飞机就会沿着设置的航线自
动飞行。直接的机械控制工作大大减少，飞行员可以集中精神监测各种状况，而不必规划和执行飞机飞行
状态的具体操作便可以按照设置的航线飞行。保守估计，从基于飞行状态到基于航线，飞行员操纵能力将
提高到两倍，预计总死亡率可至少降至驾车的一半。
除了不明状况和失去控制，导致事故的第二大原因与引擎故障有关，引擎故障和燃料管理失误所导致的事
故一共占到了通用航空事故的 18%。幸运的是，这两种原因都能通过实施分布式电力推进 (DEP) 技术来消
除，而该技术是新型飞机概念的基础。通过使用多个（一般而言为六个或更多）电机、控制器和一个冗余
23 http://www.ntsb.gov/investigations/data/Pages/AviationDataStats.aspx#
| 24 | https://theaviationist.com/2016/09/13/watch-an-f-16s-automatic-ground-collision-avoidance-system-save-an |
| unconscious-pilot-from-certain-death/ | |
| 25 http://www.cdc.gov/niosh/topics/aviation/ |
16
总线结构，利用完全的推进系统冗余避免发生灾难性引擎故障。引擎故障可能导致减速或上升能力减弱，
但仍能在飞机安全系数内维持对飞机进行完全控制。在这方面改进有望在前述目标的基础上进一步降低事
故发生率。
结合 DEP 技术与自动驾驶技术将有机会实现全数控电传操纵系统在数⫿系统之间进行交互，而且无需复杂
的模拟接口或机械接口。推进系统中每个元件的数⫿数据（从电池的充电电压状态到电机温度）均可通过
冗余的主飞行控制器进行管理，从而优化系统性能和运行状况。
分布式推进不仅提供了冗余，而且还有机会增强飞机系统设计中的控制稳健性，如此一来，任何组件发生
故障都可以从容应对，飞机都可以安全着陆。稳健的飞机控制确保能够妥善处理飞机控制系统中的不确定
性或干扰。此外，控制稳健性还有助于应对强风和阵风飞行条件，尤其是在局部气流干扰频发的城市中飞
行时。
垂直飞行会增加操纵难度，这是以传统方式起飞和着陆的飞机无需面临的问题。DEP 技术已经解决了大多
数难题；采用 DEP 技术的 VTOL 很可能具有更高的下洗气流速度，从而可以更快速地降落；将其与多个
螺桨旋翼结合使用有助于避免旋翼产生再循环气流（例如陷入涡环状态）。下洗气流速度是在推进系统螺
旋桨的作用下向下偏转以实现垂直起降的诱导气流速度。例如，直升机的旋翼下洗气流通常会产生每平方
英尺 2 到 10 磅的推力。采用 DEP 技术的 VTOL 配置通常使用每平方英尺 10 到 20 磅的推力。
下图显示了以往和最近的垂直起降飞机的旋翼盘负载分布情况，而且也显示了随着旋翼盘负载/旋翼下洗气
流提高需要增加的动力以及所产生的下降气流速度。旋翼盘负载的计算方法是：飞机的重量除以产生垂直
起降力的推进桨盘面积。图中的曲线表示理论上所需的理想功率（即 VTOL 的推重比为 1），曲线上方是
一个具体的 VTOL 概念，显示功率有所增加，这可能是为了提供额外的动力以增强控制，也可能是因为特
定垂直起降方法引起的效率低下所致。
17
VTOL 的推重比通常为 1.15 或以上，以便在上升时提供额外动力，或作为控制动力储备。该推重比通常在
连续的额定功率下测得。相比而言，涡轮引擎和活塞引擎通常能够提供短时紧急额定功率，将动力提升
10-20%，而电机一般能在 1-2 分钟内将动力提升 50% 以上，直到温度过热。最高定额功率不用于计算推
重比，仅用于电机故障等紧急情况。
如果需要调整飞机大小以有效应对单引擎（或电机）故障的状况，同时又要保证有足够的动力完成飞行并
安全着陆时，一架双引擎直升机需要具有 2.0 以上的推重比，且最高额定功率可在单引擎紧急情况下提供
1.1 到 1.2 的有效推重比。对于采用 DEP 技术、配备 6 个螺旋桨的 VTOL 而言，单引擎故障会导致推力
降低约 17%，在单引擎无效的紧急情况下，电机的最高额定功率提供的推力完全可以弥补之前降低的推力。
这种通过调整飞机大小来有效应对引擎（电机）故障的措施是 DEP 的重要优势之一，可以弥补之前的垂直
起降飞机的相关劣势。直升机可以自动旋转，并可在没有动力的情况下紧急着陆，而采用 DEP 技术的
VTOL 不太可能自动旋转（取决于具体配置）。无论如何，直升机在密集城区低空都不能很好地自动旋转：
因为直升机的下滑角较大，会导致着陆距离较短。
采用 DEP 技术的 VTOL 通过结合更加先进的自动驾驶系统，可以进一步提高飞行安全性，实际上，自动
驾驶系统可在第一时间防止 VTOL 陷入任何可能⬀在危险的境地。自动飞行控制可以优化航线飞行剖面图，
同时通过优化最优速度、爬升角、迎角和推进器/机翼倾角、悬停以及前飞的过渡速度范围，最大限度地减
少控制所需的额外动力。
让乘客充分认识到良好的安全性也十分重要，尤其是在初始使用阶段。最近的通用航空飞机采用了一种紧
急安全模式，这种模式的工作原理相当于靠边停车。通过避免使用大型旋翼，DEP 飞机还可以利用弹道式
18
回收系统 (BRS)26（可以在紧急情况下展开的整机降落伞）让飞机安全着陆，此外，还可以利用其他不断发
展并在接受测试的安全技术（例如整机安全气囊）。还有多家公司正在开发更加先进的 BRS 解决方案，几
乎能够为所有运营状况下的飞机（即使是飞机缓慢飞行以及接近地面时）实现更可靠的安全性。
虽然这些安全因素的独立作用可能⬀在某些差异，但这些差异有可能相互抵消，最终实现甚至超越两倍于
驾车安全性的最高安全目标。当然，在安全方面的创新工作在第一批 VTOL 投产后还会继续进行下去；全
自动驾驶以及来自真实飞行的大量数据在设计中的体现将推动 VTOL 达到航空公司的飞行安全水平。
26事实上，通用航空公司在 http://www.brsaerospace.com/brs_aviation_home.aspx
19
噪音
VTOL 将在人口密集的城区上空低空飞行。因此，务必要确保 VTOL 不会影响社区生活，而 VTOL 开发人
员也将减低噪音这一目标牢记于心。社区之所以能够接受公共安全类飞机（如医疗直升机），是因为此类
飞机的使用频率不高，并且具有明确的社会价值；不过，由于噪音过大，人们一直以来反对将其用于其他
目的。在这一部分中，我们将了解针对 VTOL 的一组更加严格的噪音定量和定性目标，分析直升机设计中
产生噪音的根本功能，并探索我们认为最有望实现 VTOL 噪音目标的技术进步。
VTOL 噪音的量化目标
FAA 及其他监管机构针对固定翼飞机对机场周边社区的噪音影响设置了相应的阈值，也针对直升机和倾转
旋翼机确定了相应阈值。27不过，要实现广泛的商业用途，VTOL 必须满足更严格的噪音标准。现行的
FAA 直升机噪音法规也给 VTOL 高频率、在城区低空飞行得到社区认可带来了挑战。
从定量方面而言，定义和有针对性地定制飞机及其配套的垂直起落场/站的飞行噪音水平以及测量方法对有
VTOL 穿梭的新兴 VTOL 社区也是有益的。要使社区能够接受庞大规模的 VTOL 飞机，飞机的噪音必须融
入到飞经区域的背景噪音中。我们对 VTOL 飞机的发出噪音的声源进行了分析，并探索出一种比简单的声
压更为细致和全面的噪音定义：一些形式的噪音比相应的声压测量所显示的结果对人的刺激性更强。
我们通过探索现有的空中及地面交通，认识了如今的噪音测量方法以及人们如何感知噪音，然后根据这些
知识来了解未来的 VTOL 经营能够在多大程度上超越法规要求，达到更为严格的噪音目标，才能为人们普
遍接受。我们通过下面的分析得出了初步噪音框架和目标，如下所述：
1. 飞机的噪音目标：通过垂直起落场/站飞行的 VTOL 飞机应最终的噪音水平目标是接近于卡车在
居民区道路上行驶的噪音水平（最邻近住宅受到的噪音影响，50 英尺 75-80 分贝）的一半：
500 英尺高度的最大声压级 (LAmax) 约为 62 分贝，约是目前市场上最小的四座直升机噪音水平的
四分之一。
2. 长期干扰：VTOL 飞机通过垂直起落场和垂直起落站飞行产生的长期干扰不会超过人耳可以察觉
的背景噪音最小变化量（即昼夜声级 [DNL] 指标增长约 1 分贝）。
3. 短期干扰：VTOL 飞机的飞行噪音导致周边社区居民夜间被吵醒的增长幅度不会超过 5%。
4. 站点分析和定制：应在各个站点持续监测 VTOL 飞行情况，确定实际的日间-傍晚-夜间背景噪音
水平。
1) 飞机的噪音目标
使 VTOL 达到与地面交通相近的噪音水平对 VTOL 的普及十分重要。以 35-55 英里的时速穿过居民区的
中型卡车28产生 50 英尺 75-80 分贝 (A) 的声压级 (SPL)，这对在标准距离的临近建筑物中的听者而言大
27 14CFR36、Subpart H 和 Subpart K 上部署的 BRS 系统已经挽救了 358 人的生命
28http://www.fhwa.dot.gov/environment/noise/traffic_noise_model/old_versions/tnm_version_10/tech_manual/tnm10te
chmanual.pdf
20
致是可以接受的。我们预计这一数⫿是最小的四座直升机 Robinson R44 飞行时的声压级的一半（低 10
分贝）。Robinson R44 的认证噪音水平为 500 英尺高度 81 分贝29暴露声级 (SEL)，其 250 英尺高度暴
露声级约为 87 分贝30。
不过，考虑到一个 VTOL 网络将要部署可能由数百架飞机组成的机队，我们知道，如此多的 VTOL 同时飞
行，噪音仅仅达到与卡车相当的水平可能仍无法为人们所接受。因此，我们认为，对于 VTOL 飞机，达到
中型卡车目前一半的噪音水平才算合理的目标，即 250 英尺高度的地面噪音水平为 67 分贝 (A)，根
据之前所做的分析，这个目标是可以实现的。这相当于丰田瑞普斯以 35 英里的时速从距离听者 25 英尺
的地方驶过。
2) 长期干扰
要确定 VTOL 的噪音参数，必须要用到声压级这一指标，但这还不够。这是因为干扰的概念：一种与生理
上感知到的响度、持续时间和重复有关的现象。人们对于干扰有两种不同的反应：(1) 有的人会注意个别干
扰事件，记住它们并倾向于数一数这种干扰事件发生的次数；(2) 还有另一些人会综合评估某个区域长期的
噪音水平，使用“热闹”或“吵闹”等词汇来评价社区。相较于“安静”的社区，“热闹”或“吵闹”往往会降低房产
的价值。31短期噪音也会产生单个刺激性事件，将人们从睡眠中吵醒。
幸运的是，目前已有成熟的方法来测量干扰。自涡轮喷气式客机开发以来，各个城市和 FAA 一直在努力解
决长期噪音问题，因而产生了昼夜声级 (DNL) 概念。32DNL 是 24 小时内的平均声压级，夜间 10 点到早
上 7 点之间⬀在 10 分贝的灵敏度补偿值。如果某个社区在白天的稳定噪音水平为 70 分贝 (A)，在夜间
为 60 (A)，那么该社区的 DNL 是 70 分贝。为了报告机场的噪音影响，FAA 花费了一年时间来检验 DNL
的平均值。昼夜声级准则因社区类型而异。例如，与居民区或郊区相比，工业区的昼夜声级准则就比较宽
松。33当 VTOL 开始运营后，能够确定具体着陆地点的环境噪音特点而非使用任意目标非常重要。这对运
营具有极大的好处，能够使 VTOL 的运营更加敏锐地适应每个起飞和着陆地点的环境噪音特点，将噪音有
效限制在不打扰周边社区的水平以下。为了在垂直起落场和垂直起落站实现更具针对性和适应性的噪音水
平，运营商需要计算每个飞机在每个站点可以执行的作业次数，同时将昼夜声级 (DNL) 的长期平均值
保持在 1 分贝的增长幅度之内，这是人耳可以察觉的最小响度变化。
3) 短期干扰
测量在使用 DNL 测量长期干扰的同时，我们通常在测量短期干扰（例如医院直升机坪附近的噪音）中使用
单个事件噪音等效水平（SEL34或 SENEL35指标，该指标用于确定起飞或着陆打扰到人们讲话或睡眠等日常
活动的可能性。已在医院直升机坪研究中应用的短期干扰目标是保证事件引起的夜间惊醒次数增长不超过
10%。短期干扰通常使用 SEL 进行预测，为持续一秒钟、包含与一个完整的飞机事件（起飞或飞越上空等）
29 EASA TCDS for R44、Chapter 11 SEL 81 分贝（以 150 英里每小时的速度飞行）
30我们根据卡车的 FHWA 模型数据和直升机的 TCDS SEL 值估算出社区 SENEL 值，并根据我们自己的测量值近似换算为 LAmax，这些
指标之间不能直接换算。
31 Schomer, Paul (2001)《噪音干扰的评估》。伊利诺斯州尚佩恩：Schomer 及其同事。
32 Plotkin、Kenneth J、Wyle Labs 及其他机构 (2011) 对昼夜平均声级 (DNL) 进行更新和补充。Wyle 报告 11-04，
DOT/FAA/AEE/2011-03 ， 2011 年 6 月
http://www.faa.gov/about/office_org/headquarters_offices/apl/research/science_integrated_modeling/noise_impacts/m
edia/WR11-04_Updating%26SupplementingDNL_June%25202011.pdf
33 14 美国联邦法规 150
34 暴露声级
35 单个事件的噪音暴露级别
21
相同能量的 A 加权声压级。持续两秒的 70 分贝 (A) 噪音对应的 SEL 为 73 分贝；若持续四秒，则 SEL
为 76 分贝。如果是一个噪音上升到最大值然后下降的简单事件，持续时间是从声音达到 10 分贝尚不及
最大值的瞬间到降至 10 分贝以下尚不及最小值的瞬间。如果 VTOL 飞机能够在 250 英尺的高度达到上述
噪音目标（250 英尺高度 67 分贝 [A]），那么降低飞行造成的夜间惊醒次数的增长幅度的可能性就更大。
因为36响度和惊醒次数之间⬀在直接统计关系，将 FICON 的最大夜间惊醒次数的增长幅度降低到 (10%)
的一半（即 5%）应该是可以实现的。
4) 站点级分析和定制
确定与飞机平台尽可能无关的指标是一个重要考虑因素。目前已制定并测试了多种电动 VTOL 设计方法，
其中至少有三种方法已经过载人飞行测试，更多方法正处于规模或静态测试阶段。虽然具体细节并未公开
发布，但我们知道，不同的设计方法会有明显不同的声学特征。这种设计多样化无疑增加了定义严格中立
的定量噪音测量标准的难度。如果声音具有不同的频谱特性，那么仅仅使用简单的声级测量来比较两种声
音是不准确的。
得益于音频编码领域的发展，我们今天对响度生理学的认识比十年前要深刻得多。MP3 编码和其他压缩音
频格式也是利用这些技术才能够舍弃人类无法察觉的声音波形。这一领域的研究善加利用了几十年前感音
神经性研究者的发现，也让我们确信，我们的提出的定量噪音测量指标将能够准确地预测社区对 VTOL 飞
行产生的噪音分量的反应。例如，我们谨慎使用一些可以确定额外干扰的指标，例如一些电机发出的突兀
的音调或呜呜声，这些声音比声级计显示的响度更大。
所有的 VTOL 噪音测量都将从某个参考位置的校准噪音压力-时间关系曲线开始。然后，此类信息会经过处
理，得到一个随时间变化的 A 加权声压级 LA（与声压计显示的结果相同）和 LPN (T) （针对人类听觉敏感性
更准确地校正后的加权声级）。其中包括对突兀音调的校正。A 加权 (IEC 61672) 旨在反映单音调在安静
的讲话环境中的可听度，而非复杂的噪音，这一指标因操作简单而常用于噪音测量；但无法捕获许多声音
的干扰，因此不适用于比较具有不同频谱特性的声音。通过捕获这两个指标中的最大值可以确定最大声压
级 (LAAmax) 和针对人类听觉敏感性校正后的加权最高声级 (LPN(T)max)。下一步是测量某个事件的持续时间以
及对于社区而言，该事件的重复频率。
如果电机像一些早期实验那样发出突兀或恼人的呜呜声，那么务必要将所有突兀的声音（如果有）考虑在
内，因此我们要在各种情况下考虑 LPN(T) 37中的音调校正。DNL 和 SEL 均使用 A 加权声压级定义，我们可
以通过 A 加权声压级进行比较，但除了先后使用 LPN(T) 和 LA 之外，我们将再次使用生理响度指标，以确定
LA 测量中不一定会体现的干扰特性。FAA 要求所有接受噪音排放认证的飞机均使用统一航线。除了遵循面
向直升机制定的标准化着陆、飞越上空和起飞程序外，创新者应该可以在进近和出发安全区内自行选择任
何航线，这将有助于获得最低的噪音剂量。我们认为，有效感知噪音 (EPNdB) 可以测量单台飞机飞行的相
对响度，经过修改后可以实现如上所述的最优航线，将是评价 VTOL 噪音评价的最合适的指标。
确定每个飞机的噪音排放特点之后，下一步是预测在白天或夜间的哪些时间执行的多少操作将达到 1 分贝
的 DNL 增长阈值，或在社区中达到 5% 的夜间惊醒增长阈值。这需要结合每架飞机的噪音发出（飞机发出
的噪音）及其与社区的距离（由空中的路径损耗决定），据此我们可以预测最近社区的可闻噪音（噪音到
36 联邦机构噪音委员会，1992 联邦机构对选定机场噪声分析问题的审查
37 Kryter，Karl D. (1960)《感知噪音级别的含义和测量》。噪声控制 6、5
22
达听者）情况。实时监控站点噪音可以记录不会超过的目标噪音水平，而且可以根据噪音背景的变化进行
调整这一阈值。飞机的噪音越小，意味着它可以在特定站点执行的操作越多。这项分析在几年前计算起来
非常困难，如今已经发展为一种实用的方法，而且成本较低。这种站点分析方法可以帮助运营商根据垂直
起落场/站衡量和有针对性地制定噪音要求，还使我们能够动态适应特定站点的运营。这将是进行与飞机相
关的噪音测量和管理的有效方法，并且我们相信这种方法将有助于我们在社区内外构建一个安静、高效的
VTOL 运营网络。
23
飞机设计
在认识飞机噪音之前，首先了解目前的直升机产生的噪音非常有帮助。直升机要达到合理的巡航速度，叶
尖就必须达到一定速率，而且直升机具有至少三个具有不同频谱特性的主要噪音源（主旋翼、尾旋翼和引
擎），因此从本质上讲，一定会产生噪音。
直升机一般使用以一定倾角旋转的单旋翼，其中一个桨叶正向旋转，桨叶上方空气的运动速度等于桨叶的
速度加上正向速度。同时，在直升机的另一端，另一个桨叶反向旋转（称为“后行桨叶”），桨叶上方空气的
运动速度等于桨叶的速度减去直升机的前进速度。这意味着，直升机旋翼的旋转速度必须比它的航行速度
快得多，才能实现两侧提升，无论桨叶相对飞行方向而言是正向还是反向旋转。这也直接影响到主旋翼系
统的机械复杂性，因为主旋翼系统必须随着桨叶沿着 360 度方位旋转而不断调整倾斜角度。
目前，直升机的飞行速度约为 150 英里每小时38，要实现这一飞行速度，直升机主旋翼桨叶的叶尖要以大
约 400 英里每小时的速度旋转。那么，对于噪音而言，这意味着什么呢？旋翼桨叶发出的噪音以叶尖速度
指数的形式变化。例如，如果叶尖的速度降低到三分之一，则其声能将降低到二十四分之一（降低曲线呈
非线性变化，并且在很大程度上取决于初始的叶尖速度和桨叶的几何形状）。不幸的是，叶尖的旋转速度
必须始终比飞机的航行速度快得多，否则后行桨叶端的起降力就会不足，从而导致飞机失衡。如果您将叶
尖的旋转速度降至 300 英里每小时，那么直升机的最高航行速度将降至大约 100 英里每小时，因为仍然
需要使桨叶保持至少 200 英里每小时的速度才能实现前行-后行桨叶合理而有差别的起降力和桨弦尺寸。
38 复合直升机使用机翼代替旋翼和/或推进器或通过喷气动力以获得正向推力，实现了每小时 300 英里的速度。虽然能够实现高速度，
但是这种方法的效率相当低，并会导致解决方案复杂且昂贵，不适合执行短距离城市飞行任务。
24
在相反情况下：直升机的航行速度越快，飞机另一侧的叶尖速度就越高，前行桨叶叶尖以接近声速的速度
快速旋转，则会产生社区无法接受的噪音。这两种情况就属于根本性局限，导致直升机必然会产生噪音。
要显著降低直升机噪音，唯一方法是牺牲巡航速度，使直升机的速度跟汽车差不多。人们已经在研究增加
了机翼和螺旋桨的复合式直升机，这种飞机的航行速度更快，但结构也更为复杂，而且与固定翼 VTOL 飞
机相比，旋翼毂的阻力使得此类直升机效率相对较低。
直升机面临的另一个难题是旋翼大小。直升机的旋翼比较大，可以以低转速旋转来保持高效悬停，在这样
的速度下，桨叶转过特定点的速率较低，因而产生的噪音频率比速度更快的旋翼更低。遗憾的是，噪音频
率越低，在大气中传播的距离越远。旋翼越小，噪音的频率越高，在传播过程中被大气减弱，因此在特定
距离听到的响度更小。这一解决方案听起来似乎是可行的，但是要知道人类听觉对中高频率声音比对低频
声音更加敏感39，因此提高噪音的音调将造成不利影响。在每个旋翼上增加更多桨叶或在尾翼上应用矢量推
力只能解决部分问题，治标不治本。另外，若缩小直升机旋翼的尺寸，仅靠一个甚至两个旋翼就没有足够
的桨盘面积来产生所需的起降力。这仅仅是 VTOL 多元工程设计中做出的其中一个权衡。
通过使用多个小型旋翼代替一个大型旋翼（在之前讨论的分布式电力推进系统模型中仔细考虑过），飞机
设计师可以同时提供足够的垂直起飞动力，还能保持较低的可感知噪音水平。
DEP 结合不断提高的自动化技术，使独立控制多个电机来自适应控制推力方向（以及强大的故障应对能力，
如“安全”部分所述）变得可行，而无需尾旋翼或复杂的机械联动。
假设一架飞机配备 26 个旋翼，每个旋翼的直径为 5 英尺，而另一架飞机为配备一个直径为 25 英尺旋翼
的小型直升机。两种飞机的总旋翼面积均约为 500 平方英尺。单旋翼直升机的转速为 530 转每分钟，叶
尖速度为 672 英尺每秒（约 0.6 马赫），而 26 旋翼飞机的转速为 1,700 转每分钟，叶尖速度为 445
英尺每秒（约 0.4 马赫）。看似差别甚小，但噪音实则以叶尖速度的五到六倍增长。在这种情况下，叶尖
速度提高到 1.5 倍，噪音量则会增加到 8 到 12 倍之多。由于 26 个旋翼以几乎相同的速度旋转，噪音只
是各个旋翼噪音量的简单相加，人们感知到的响度不会比各个分散噪音元素叠加到一起更大。
引擎是另一个重大噪音来源，几乎所有直升机都使用一个或两个（通常无消音装置）引擎。引擎分为活塞
引擎和涡轮引擎；要使引擎带动很多旋翼（建议使用此方法减少噪音），机械结构相当复杂，需要用到变
速箱和横轴，而这些装置本身都会产生噪音。
NASA、美国军方以及很多国家/地区在 1950-1980 年的 VTOL 飞机发展黄金期研发的许多固定翼 VTOL
飞机都尝试过此类方法，美国也在此期间开发了大量 X- 飞机40。X-19 便是其中的一种，这种飞机的机械
复杂性极高，可以达到构建固定翼 VTOL 飞机所需的要求，这导致这种飞机的负荷承载能力较差，而且费
用和维护成本极高。
39 Fletcher 和 Munson (1933)
40 https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_X-planes
25
幸好，DEP 也可以解决这一问题。首先，去掉引擎，从而减少一个主要的噪音来源。电机的噪音比活塞引
擎或涡轮引擎小得多，因为此类引擎无需燃烧碳氢化合物，也就不需要吸入和排出大量空气。与螺旋桨的
噪音相比，使用现代正弦波控制器的电机噪音几不可闻（与使用方波控制器的早期原型不同），而且活塞
引擎或涡轮引擎的噪音通常与旋翼的噪音相当，并且具有不同频谱特性，这也进一步增加了噪音响度。
26
其次，电动 VTOL 可以发挥 DEP 的优势，而且不改变尺寸。尺度不变的推进技术意味着，设计师可以根
据需要产生起降力和推力。如果 VTOL 使用 DEP，则可以使用很多配备小型螺旋桨的电机，而不损失性能
或增加重量。此外，通过使用 DEP，还可优化设计以更轻松地实现低噪音目标，因为在 VTOL 的整个范围
内，设计师有诸多选择来实现扭矩和转速目标，而无需添加变速箱。将 X-19 与 NASA 近期开发的 GL-10
（利用实施的尺度不变 DEP）相比，GL-10 的设计复杂程度要小得多，并且减掉了本身就产生噪音且⬀在
很多潜在故障点的主要结构。独立的推进系统可以提供完全的冗余，因此，螺旋桨或电机单方面出现故障
对飞机的推力和控制力的影响甚微。
DEP 灵活性的另一个优点是可以考虑设计可快速开启或关闭且可倾斜的旋翼。此方法可用于避免前飞过程
中的边流，飞行时的叶尖速度可以为大约直升机叶尖速度的一半，且不会造成叶片失速，从而从根本上降
低噪声。
VTOL 产生的噪声和下洗气流总量由其起飞和降落所需推力的大小决定。要使噪音尽可能降低，就需要限
制 VTOL 的载客量，让噪音和下洗气流不会过大。这一容量非常符合潜在的按需城市空中交通服务，且在
本质上和汽车（通常仅载一到四人）相似。下洗气流随飞机重量增加而提高，因为它和推进系统加速所必
需的空气量直接相关。噪声同样也随功率增加而增加，重量每增加一倍，噪声提高约 3 dB，这在现有直升
机噪升规律中也可以反映出来41。但地面上的人们不太可能会关心它是轻型还是重型直升机，他们只关心每
次产生的噪声大小或下洗风力。
41 14 美国联邦法规 36 子部分 H（美国）和国际民航组织附件 16（世界上大部分其他国家/地区）
27
除主旋翼外，直升机还有几个其他噪声来源：尾桨、发动机以及旋翼和其尾迹之间的气流相互作用。由于
这些噪声所处频带不同，因此产生的响度比将各自的响度叠加在一起时要高，而 DEP 则不同。相对于接近
的频率，相差很大的频率产生的生理响度明显较高42，而且频宽较宽的声音听起来更响，因为人耳将各个频
带作为独立的噪声源进行处理。这种噪声来源的组合使得人们难以想出办法，将传统直升机的噪声水平降
至与高速公路或其他城市地点相当的背景噪声水平。电动 DEP VTOL 没有燃油发动机，而且是利用多个旋
翼的转矩变化而非尾桨来实现偏航控制。
42 Fastl 和 Zwicker (1990) 心理声学：事实和模型。Springer
28
排放
交通运输是美国最大的单一温室气体排放源，排放量大约为 18 亿公吨的 CO243，占总排放量的 26%。考
虑到城市中及上空⬀在的各种交通方式，城市居民自然会担忧燃料中的铅和颗粒物排放带来的污染。任何
新型大规模城市交通方式显然应该为环保和可持续发展负责。全电动 VTOL 的设计提供了具有吸引力的解
决方案，既可以在飞行中的碳排放量为零，由可以提供一种显著降低碳排放的途径，原因是所需电力来源
是风能和太阳能等可再生能源。
首先，全电动飞机通过电网充电，因此和碳氢燃料相比，其能量来源高度集中。这意味着飞机真正的生命
周期排放量和电力事业（既包括传统发电站，也包括新兴发电场）排放量高度相关。其次，2016 年数据
（见下表）显示，尽管目前 90%44的电能来源是碳氢燃料（石油、天然气或煤），但是新的可再生能源
（风能、太阳能和水力发电）发电量的增长速度是新的石油/煤发电量增长速度的两倍以上。第三，（各种
类型的）电动飞机将促进电力需求的增长，从而有助于推动可再生能源发电的增长，而且电力公司会越来
越重视 CO2 对环境的影响。
现有飞机发动机使用汽油（通常是用于活塞发动机的 100 号低铅航空燃油）或用于涡轮发动机的喷气燃油。
供小型飞机使用的 100LL 汽油目前是美国最大的单一铅排放来源45，同时，往复式发动机和涡轮轴发动机
带来的噪声增加、安全问题及其他问题，是导致通用航空机场被关停的原因。涡轮发动机产生的超细颗粒
物不仅是航空公司飞机面临的主要问题，46还导致直升机运营面对公众压力，一家医院曾由于废气进入通风
43 https://www.epa.gov/ghgemissions/overview-greenhouse-gases#carbon-dioxide
44 http://www.eia.gov/tools/faqs/faq.cfm?id=92&t=4
45 http://ehp.niehs.nih.gov/121-a54/
46 http://www.latimes.com/local/la-me-0529-lax-pollution-20140529-story.html
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系统而关闭了其停机坪。47我们知道，要让城市居民欢迎城市航空交通解决方案进入其城市，需要尽量将整
个服务过程中（从飞机到持续的基础设施建设和运营）对当地社区所造成的环境影响降低至零。电动
VTOL 是这种解决方案中必不可少而且也是令人期待的一部分，因为它们不但具备交通服务能力而且在当
地的排放为零，同时有助于摒弃各种基于碳氢化合物的方案。
影响交通服务生命周期排放量的因素不仅包括能源的排放，还包括飞机本身所需的（每人每英里）能量。
由于电动发动机的效率大约是内燃机或小型涡轮轴发动机效率的三到四倍，因此与现有小型飞机和直升机
相比，电动飞机实际消耗的能源大幅减少。与直升机相比，电动发动机的集成自由度可使其他能源消耗减
少约三分之一以上（即利用固定翼 VTOL 方案以及协同式气动一体化优势达到较高的升阻比）。哪怕是飞
机能量消耗减少十分之一，这对于利用 VTOL 实现合理、可持续的交通方案来说都至关重要。这种效率改
进在“飞机：性能：效率”和“经济因素：出行效率”部分有所介绍。
47 http://articles.latimes.com/2009/feb/07/local/me-county-usc-helipad7
30
飞机性能
如果考量客户和社区对飞机的一些重要要求（如噪声和安全性），我们会发现，采用多个小型螺旋桨和分
布式电推进 (DEP) 的飞机为我们指明了发展途径。不过，我们务必要了解该设计决策对飞机运营的利用率
和经济性的影响，以及是否会限制预期的用途。
巡航与悬停效率
VTOL 的运行包括起飞时以大滑翔道倾角迅速攀升，达到高达几千英尺的巡航高度，然后在行程结束时减
速垂直降落。悬停时间可能需要限制在一分钟之内，大多数垂直起降过程在大约 30 秒内完成。
与之相对的是，直升机是专为军事和多用途而设计的，需要持续悬停较长时间（搜寻和救援、电力线路检
修、在毫无准备的位置起降等）。因此，目前直升机的设计重在优化悬停效率，而非巡航能力。VTOL 需
要将更多的时间用于巡航，这就引出了一个问题：如何优化这种飞机以在短时间悬停与长时间巡航之间合
理分配能量。
飞机利用机翼和螺旋桨实现高效巡航飞行，而直升机即使在巡航时也是利用旋翼升力和效率很低的旋翼倾
斜实现前飞。决定是否使用机翼或旋翼的设计权衡主要取决于速度、航程和悬停要求，以及在着陆区的设
计限制。随着 DEP VTOL 设计逐渐成熟，可能会产生一系列方案，从固定式多旋翼设计到倾转旋翼、再到
各种吹气襟翼飞机。
增加机翼以实现较高的气动巡航效率，与能够倾转旋翼或开启/关闭不同的螺旋桨来提供升力或巡航动力相
结合，这可能是设计方案偏重巡航多于悬停时的一种解决方案。然而，这种解决方案会使重量增加，从而
导致由于旋翼盘负载增加，起降时的动力要求变高 48这还会对噪声和下洗气流产生不利影响。下洗问题在
于流动空气的总质量（不只是速度），这意味着只能在混凝土地面运行且旋翼盘负载低于 50 磅/平方英尺
的小型 VTOL 的下洗气流可能不会受到影响。很少有 VTOL 设计会采用超过这一数值的旋翼盘负载，原因
是所需的动力极高，如前文中代表性的 VTOL 飞机的下洗气流和下沉气流图所示。
不过，提高旋翼盘负载也有益处。在我们的示例通勤场景（可能是我们最早的使用案例）中，我们所做的
权衡是：在 50 英里巡航（需要 15 到 20 分钟）中，加速到利用机翼升力巡航飞行，大大降低了巡航功
率，用以弥补一分钟起降需要的功率。整体节能可对飞行的经济性产生有利影响，而且有助于重新平衡从
悬停到巡航效率在设计中的优先级。未来版本的 VTOL 可能重新调整设计以用于不同的基础设施，以及可
能需要更长悬停时间及更短平均行程距离的主要用例。
虽然在很多人的印象中电动飞机的速度比较低，但对 NASA X-57 和短距 (Thin-Haul) 的研究表明，由
DEP 提供动力的提升配置支持超过 150 英里/小时的高速巡航解决方案49。
48 https://en.wikipedia.org/wiki/Disk_loading
49 配 备 分 布 式 电 力 推 进 系 统 的 短 距 (Thin-Haul) 通 勤 飞 机 的 设 计 研 究 ，
http://www.jobyaviation.com/DesignStudiesOfThinHaulAircraft.pdf
31
目前的直升机设计表现为重视悬停效率的产品解决方案，因为其客户习惯了这一功能。直升机所具备的高
度操作灵活性对很多任务来说非常重要，但提高灵活性的巨大代价是噪声提高，成本增加，而且尤为重要
的是会降低巡航效率。
速度和航程
VTOL 拼机网络最终将需要各种类型的飞机，正如目前为客户提供的拼车服务一样。具有不同速度和运营
航程的 VTOL 将应运而生。适合短程（50 英里以内）的 VTOL 的速度不需要与满足长途通勤者需求的
VTOL 的速度一样。所谓长途通勤者是指如“美国超级通勤者普查”和“纽约大学超级通勤者研究”中规定的每
天行程不少于 100 英里的人50。美国的超级通勤者数量正快速增长，符合这一描述的通勤者人数有 60 多
万名。
运营商在考虑影响未来服务的参数时，很明显，速度受到一般地面速度的制约，却要凭借门到门的速度优
势与其他交通方式展开竞争。这表明，我们需要确定一种有效的速度（决定了客户往返垂直起降场时的地
面交通时间），要至少达到两倍的门到门速度优势。NASA 和 MIT 的城市 VTOL 研究表明51，52在高度拥
挤的都市区域，VTOL 的速度可在高峰时段达到其他交通工具的三到四倍。由于很大程度上取决于当地交
通状况，因此很难确定具体的速度要求。研究表明，DEP 在 150-200 mph 时效率最高53。
在美国，FAA 规定高度在 10,000 英尺以下的飞行活动的速度上限是 287 英里/小时。在某些敏感的地理
位置，FAA 将这一速度上限降至 230 英里/小时（如华盛顿特区）。一方面需要低速高效，一方面希望提
高飞机利用率以将成本分摊到更多里程中，要在两者之间进行平衡，结果可能是一种折衷，即 VTOL 的速
度在 150 到 230 英里/小时之间会比较合理。很少有直升机的飞行速度可以达到这一水平，且无法在合理
的效率下做到这一点。
美国人口调查局的数据显示，542013 年，在美国 1.43 亿上班族中，1.23 亿人 (86%) 驾驶私家车上下班，
其中独自驾驶者所占比例为 89%。这其中，1890 万人 (15.0%) 的通勤距离超过 30 英里，790 万人 (6%)
所需时间超过 60 分钟，其中华盛顿特区 27.4% 的上班族通勤时间超过这一数值，在所有州中比例最高。
虽然美国人口调查局的数据显示，城市通勤距离单程通常为 8.5 英里，但由于需要密集的基础设施提供支
持，这不太可能是好的早期用例。超级通勤者（位于同一都市圈内）平均每天的单程通勤距离为 93 英里。
虽然这些较长的行程需要的基础设施少很多，但是需要可以高效巡航的飞机，或者采用某种基于碳氢化合
物的增程器（弥补相对较低的电池比能量），从而能够在目前的电池储能解决方案的基础上完成一次以上
的行程。
目前的通勤情况表明，短期内最小的有效 VTOL 范围是以最大速度完成两次 50 英里的行程，并由足够的
能量可供两次起降，同时还满足 FAA 的仪表飞行规则 (IFR) 30 分钟的储备能量（加上飞往其他位置）规
| 50 | https://www.census.gov/hhes/commuting/files/2012/Paper-Poster_Megacommuting%20in%20the%20US.pdf |
| http://wagner.nyu.edu/files/rudincenter/supercommuter_report.pdf | |
| 51 《硅谷，按需民用 VTOL 运营的早期采纳者》，Kevin Antcliff 等人，AIAA Paper 2016-3466，2016 年 6 月。 |
52《洛杉矶城市 VTOL 空中出租车研究》，Parker Vascik， http://vtol.org/what-we-do/transformative-vtolinitiative/transformative-proceedings/transformative-workshop-briefings
53 https://aero.larc.nasa.gov/files/2012/11/Distributed-Electric-Propulsion-Aircraft.pdf
54 http://www.census.gov/hhes/commuting/
32
定。通过与 FAA 和国际保险经理人协会 (GAMA) 合作，飞机制造商也许可以为制造航程更短储能要求更
低的电动飞机打下基础，因为这样的飞机有很多备选降落位置，而且在较短飞行时间内应对天气变化的不
确定性降低。要满足这一航程要求，就需要电池至少需要保持 20% 的电量以确保较长的使用寿命。这种类
型的任务与以最佳航程飞行速度执行 200 英里单程行程的能源要求相似。
电池要求
我们的分析结果表明，这一设计任务航程可能会在未来 5 年内实现，这意味着 VTOL 设计可以实现升阻比
大于 10（理想范围是 12 到 17）、电池的比能量为 400 Wh/kg 的巡航空气动力效率55。电动 VTOL 可
能会使用大型电池组，4 座飞机配备 140 kWh 的电池组。使用大型电池组可确保很好地匹配电池比功率，
以实现较高的比能量。名义上，可以在低于 3C 评级时放电的电池组能够避免对比能量的严重损害。要提
高飞机利用率，就要求在执行多个平均行程距离之后再充电，从而为使用大型电池组提供进一步支持。从
本质上讲，这与特斯拉比照其他汽车设计电动汽车的方式相似，采用更大的电池组并改进比能量，因为放
电率是有限的。如果 VTOL 基础设施支持在各次行程之间，抓紧乘客登机和下机的几分钟时间，使用高压
快速充电器完成再充电，则行程范围将进一步扩大。
毫无疑问，电池比能量将限制 VTOL 的续航能力。电池单元的比能量与有效的电池组比能量之间⬀在重大
差异。电池组装的最优策略还在研究中，目的是确保即使某个电池单元发生故障，与之相邻的电池单元也
不会受影响。对汽车而言，这种电池外壳的重量开销相当高（大约高出电池单元重量的 100% 以上）。不
过，电动飞机公司对重量非常敏感，因此他们已经在此领域取得了进展，例如 Pipistrel Alpha Electro 飞
机的电池组装开销可以低于 30%。
由于很多产品都需要较高的比能量（如笔记本电脑、智能手机、汽车等），目前电池研究领域的投入相当
可观，很多新的化学方法都在测试当中。尤其令人兴奋的是，最近美国能源部 (DOE) 的投入与 VTOL 的优
先事项非常契合。DOE 的“Battery 500”计划将在未来 5 年内投入 5,000 万美元，研发 500 Wh/kg 的
电池以及 350 kW 大容量充电器。DOE 实验室和各大学之间在锂金属电池研究领域展开了合作，并由包
括特斯拉、IBM 和西北太平洋国家实验室 (PNNL) 在内的行业小组委员会实施监督，以确保解决方案能够
投入实际制造。这些研究在努力实现 1,000 次循环寿命，同时将每千瓦时成本降低到 100 美元以内。如
果可以将成本控制在这一范围内，这样的循环寿命是极易被接受的。索尼公司的目标是到 2020 年，将
400 Wh/kg 的锂硫电池组商业化56。同样令人兴奋的是高能充电器将能够在短短 10 分钟之内完成再充电。
另外，有关脉冲充电器的研究已经证明可以改善循环寿命，并能且随着时间推移维持改进后的最大充电容
量。实现大型电池组的快速充电和实现高比能量电池同等重要，甚至更为重要。
有效载荷
有效载荷重量（或者说乘客的数量）决定着飞机的整体大小。可以利用的有效载荷要减去飞行员的重量。
随着时间推移，VTOL 很有可能会变为自动驾驶飞机，但我们预计运营初期还会需要飞行员。在初期由飞
行员驾驶可以收集 FAA 认证所需的统计证据，同时慢慢提升自动化水平。因此，最低标准是 2 座 VTOL，
55能源电池部 500 项目，
http://www.hybridcars.com/federal-government-aims-to-develop-a-500-whkg-battery-350-kw-charging-system/。
56 http://techon.nikkeibp.co.jp/atclen/news_en/15mk/121800252/?n_cid=nbptec_tecrs
33
也就是只能搭乘一名乘客。
更大的有效载荷将需要更大功率来进行起降，同时也意味着噪声更大。较大的飞机在结构上更高效，且运
载的“乘客/飞行员比”更高，从而降低运营成本。根据之前直升机噪声敏感度与飞机大小的关系研究，最可
能符合严格的社区噪声限制的是可运载少数乘客的小型 VTOL 飞机。
“美国旅游调查”57跟踪了与汽车运输利用率相关的统计数据，针对一般的汽车类按需乘客出行工具的大小给
出了合理指导建议。这些数据表明，对于 100 英里以内的行程，超过 70% 的行程都是一个人，平均负载
系数为 1.3 人。对于 100 英里以上的行程，超过 59% 的行程都是一个人，平均负载系数为 1.6 人。
以前传统的空中出租车的统计数据也非常相似。有关 SATSAir 和 DayJet 等公司负载系数的轶事证据表明，
他们的 4 座和 5 座飞机的平均载客量达到了 1.3 到 1.7。综合以上各种因素，最适合作为城市空中出租车
的飞机的有效载荷容量是 2 到 4 座（包括飞行员在内，如果有的话）。这种大小可在近期的试行方案中实
现真正的按需运营，更大一些的话可以实现集中运营，以尽可能降低出行成本。虽然将飞机的座位数增至
5 或 6 个会更经济高效，但不确定的是如此大型的飞机是否符合严格的社区噪声限制。
旋翼（对于 VTOL）和机翼（前飞时）所产生的升力大小必须超过飞机载有乘客时的总重量，还要有足够
的余力用于攀爬和操纵。前后及左右平衡对于让重心和升力中心对齐非常重要，同样需要充足的余力来支
持所有飞行规则下的安全控制。在确定飞机安全系数之后，可在试飞过程中全面确定各种限制。这就是“挑
战极限”这一词语的出处：试飞飞行员挑战飞机安全系数，直到飞机不受控制，这样就会知道超出某个点便
无法正常飞行。飞行员需要评估每次飞行的载荷，以确保这些参数保持在限制范围内。
对于小型飞机，这些问题更加重要，因为每位乘客占总重量的百分比都很大。VTOL 将具有最大有效载荷
容量，这个指标也会因飞行高度和温度的不同而有所差异。这就引出了 VTOL 运营商如何处理乘客重量的
问题。最初，飞行员可能需要估算要登机的乘客的体重，然后相应地分配乘客（目前商业航空公司针对小
型飞机采用的就是这种做法）。随着飞机逐渐成熟，机上的传感器可能会自动完成这一任务，尤其是与拼
机移动应用程序（其中保⬀了用户信息）搭配使用时。DEP 从一开始就是候选解决方案之一，因为 DEP
飞机的重心范围可能比使用常规推进方式的类似飞机要广。
自动驾驶
自动驾驶 VTOL 将提高运营的安全性，就像自动驾驶汽车有潜力减少汽车事故（每年在全球范围内导致
130 万人死亡）一样58。自动驾驶 VTOL 可能会在一段时间之后变成现实，因为用户和监管机构会逐渐适
应这一技术，并看到证明自动驾驶比人类飞行员驾驶的安全性更高的统计数据。和其他改进一样，要表明
安全性相同或更高，直接的做法就是证明在部件发生故障（或操作错误） 时依旧能安全运行。
为快速达到 VTOL 飞机可能的最安全操作状态，VTOL 网络运营商将努力寻找尽快实现完全自动驾驶的途
径。和地面交通工具相比，VTOL 飞机的飞行环境更加开放、有序，只有在起降时会接近地面、建筑物和
人员。虽然可能会有空域限制并且需要注意其他 VTOL，但和自动驾驶汽车（需要注意从建筑物到路上障
57 https://www.rita.dot.gov/bts/sites/rita.dot.gov.bts/files/subject_areas/national_household_travel_survey/index.html
58 世界卫生组织。http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs358/en/
34
碍物等方方面面，并且只有很短的反应距离）相比，VTOL 的自动化所面临的挑战似乎没有那么令人畏惧。
但是，和自动驾驶汽车相比，VTOL 对天气这种操作风险因素的依赖性的确更高。59此外，虽然可以通过多
种途径确保 VTOL 非常安全，但在遇到不确定情况或错误时，无法将其停在路边。
就像出行解决方案提供商对自动驾驶汽车的处理方式一样，短期内的方案是提供恢复模式，即飞行员始终
可以取代飞机所推荐的操作控制。障碍物探测和避让系统会让 VTOL 飞行员受益颇多，这些系统可以提醒
飞行员注意障碍物并提供飞机安全系数保护。此方案是在城市环境中减轻飞行员工作负担（以及减少培训）
的一种途径，同时，飞行员与自动驾驶组件和软件相结合所达到的可靠性可能还会降低认证负担。“内省式”
自动驾驶通过主动监控电池系统等部件的运行状况、主动维持飞机稳定性以及管理分布式推进系统，为减
少对飞行员技能的依赖创造了机会。
由于这一级别的控制系统软件对小型飞机来说是全新的，因此一个问题随之产生：如何对这些系统的安全
性进行认证以及该过程将需要多长时间。从时间和成本讲，这都是一个大问题，因为以前只对大型商用飞
机的电传操纵系统进行过认证。幸运的是，AgustaWestland AW609 民用倾转旋翼机和 Bell 525 直升
机作为先锋，为通用航空飞机电传操纵飞行系统的认证铺平了道路，这两种旋翼机的认证正在进行中。除
了认识到自动化对于避免通用航空事故主要原因有潜在的益处之外，我们还看到，FAA 小型飞机指挥部已
经在努力探索更经济的方法来实施这些类型的系统。
自动驾驶的长期解决方案可能是提供分布式的航电和控制架构，与目前的方案相比，这一方案可以实现以
更低的成本获得更高的系统可靠性。该长期解决方案还可能将飞行员从飞机转移到地面上，从而使飞机更
经济高效。军事领域已经使用“地堡飞行员 (Bunker pilot)”来远程操控无人机，预计在技术成熟时，地面上
的飞行员将能够同时监控和管理数架 VTOL。
和早期驾驶这些 VTOL 的飞行员一样，地面操作人员也需要接受培训并获得执照。作为新型飞机认证过程
的一部分，制造商需要定义操作员监控飞机适航性以及远程判断飞机安全飞行能力的方法。这种向远程驾
驶的转变可能需要与 FAA 的无人机系统密切配合，因为他们负责处理民用空域大型无人机的类似问题。
下方的 SAE 自动驾驶技术分类图60展示了目前汽车的自主驾驶功能的演变。优步已经开始利用 3 级自动驾
驶汽车（配有安全驾驶员，可在必要时进行干预）载客。特斯拉宣布，61他们出售的所有汽车至少会配备满
足 5 级自动驾驶（即全自动驾驶）要求的硬件。虽然自动驾驶汽车领域因为这些进步而感到振奋，但是开
发出软件62，并确保在所有非正常状况下都能安全行驶还需要很多年的时间。自动驾驶飞机也会经过类似的
自动技术发展过程，虽然自动驾驶汽车不会直接为自动驾驶飞机提供支持，但两者的技术要素具有很强的
通用性。
59 《 转 型 的 自 动 和 个 人 交 通 ： 汽 车 和 飞 机 之 间 的 协 作 与 差 异 》 ，
http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20160010146.pdf。
60 资料来源：国际自动机工程师学会和 J3016。
61 https://www.wired.com/2016/10/elon-musk-says-every-new-tesla-can-drive/
62 特斯拉在其 5 级声明的免责声明中称：“自动驾驶功能取决于大量的软件验证和监管机构批准，可能因管辖区而发生很大变化。要
确切知晓上述功能的每个元素何时可用是不可能的，因为这高度依赖于当地监管机构的批准。”
35
在巡航飞行期间，自动驾驶飞机遇到软件和传感器无法解决的非正常状况的不确定性和可能性相对较低。
确保自动驾驶飞机软件可以准确地感知各种飞行条件并相应地做出反应，这其中所面临的挑战主要在于确
保起降时的安全自动操作。由于风险只是⬀在于特定位置，因此在实现“5 级”自动驾驶 VTOL 的进程中，
可能需要在地面操作的飞机自动驾驶辅助系统，以便对 VTOL 传感器和决策制定进行行为检查。这种冗余
不可能从自动驾驶汽车中复制，因为地面上的自动驾驶风险随处⬀在而不是局限于特定位置。
在地面上设置自动化的备用传感器（可与飞机通信并验证自动驾驶软件的操作）也提供了一个尽早普及自
动驾驶的途径。由于 VTOL 可组合使用各种备用方案，以确保运营安全（远程地堡飞行员和自动化垂直起
落场的飞机飞行确认），自动驾驶 VTOL 可能会快速发展，甚至可能超过汽车或不依赖高度结构化、标准
化的垂直起落场和垂直起落站基础设施的飞机的发展速度。
36
认证
无论在哪一个国家/地区运营，VTOL 都必须先符合主管航空安全的航空管理机构的规定。这些规定为飞机
设计、生产、驾驶执照以及维护和运营要求确立了标准。FAA 和 EASA 分别管理着全球 50% 和 30% 的
航空活动，这意味着 VTOL 开发商最终需要获得这两个机构的批准，才能实现大规模的普及。FAA 和
EASA 合作达成了互惠协议，63因此获批在一个管辖区飞行的飞机也可在另一个管辖区飞行。飞行员培训和
商业运营商的认证因国家/地区而不同，但要求都大同小异。
>制定认证路径包括几个步骤。首先，监管机构和制造商必须就认证依据达成一致。认证依据是指适用于特
定飞机的一套规则（例如，在美国，第 23 部适用于通用航空飞机，第 27 部适用于小型直升机）。其次，
监管机构和制造商必须就如何根据认证依据判断飞机的合规性达成一致。由于这是一种新型飞机，在美国，
经过试验计划的验证后，将根据第 21.17 (b) 部“等效安全水平”进行认证。FAA 已经在动力提升认证依据
方面完成了初步工作，以便认证类似 AgustaWestland AW609 的倾转旋翼机64但尚未完全确定。接下来，
制造商证明飞机符合监管机构所接受的标准以获得型式认证，这是一个反复进行的过程。完成型式认证之
后，便可以开始制造，65与此同时，制造商要取得生产证书以证明其具备大量生产符合同一标准的飞机的能
力。
63 https://www.faa.gov/aircraft/repair/media/EASA_EU_roadshows.pdf
64 http://newatlas.com/agustawestland-aw609-tiltrotor/21466/
65 https://www.faa.gov/aircraft/air_cert/production_approvals/prod_under_tc/
37
商业销售或使用的飞机在生产之前，会获得研发实验类别的特殊适航证书。这在有人驾驶飞机的开发过程
中是很短的一段时间，期间还要协商运营限制以使飞行测试远离人口密集地区。FAA 不要求采取任何特殊
措施或制定新规则。FAA 还允许市场调查等其他的实验目的的测试，但不允许让乘客付费。有创新意识的
厂家会选择提供组装飞机，66由业主制造商用几周的时间在制造商的工厂完成装配，以符合自制产品要求。
在美国，适用于实验飞机的常规适航要求很少。在按照型式证书制造飞机之前，可以通过实验飞机快速积
攒丰富广泛的经验（尽管无法将这些飞机用于营利性服务）。
一直以来，对于简单的端到端认证过程（型式和生产认证），例如新型常规通用航空飞机的认证，获得型
式证书大约需要两到三年的时间，另外还需一年时间获得新的生产证书。但是，新型飞机的推出需要新的
认证，可以与型式证书认证同时进行，这会将端到端认证过程延长至 4 到 8 年（AW609 甚至用了长达
20 年的时间）。幸运的是，1995 年，美国国会通过了一项法律，支持采用业界公认的标准67代替政府自
行规定的标准，类似于自动驾驶汽车的安全认证。美国材料和试验协会 (ASTM International) 已经成为一
个高效平台，推动利益相关者就适用于轻型运动类飞机的共识标准达成一致（ASTM F37 委员会），以及
就日渐兴起的将通用航空飞机（美国联邦航空法规 - FAR - 第 23 部）标准替换为新的 ASTM F44 共识标
准达成一致。这样做有望从根本上加快新标准（认证新型电动 VTOL 所必需的）的制定，因为由业界负责
制定认证依据，然后提供给监管机构，供其采纳。
ASTM International 的共识标准处理小组目前正在完成电力推进标准（即 F39.05 小组委员会标准）的最
终制定工作，以期被 FAA 和 EASA 采纳。到目前为止，有关飞机自动驾驶的进展很慢，但是最近还是有
所进展，因为 FAA 针对飞行员辅助系统（例如迎角指标）的审批制定了一套精简的流程。FAA 在无人机
的新标准方面的表现也很活跃，通过第 107 部来规范视线范围内重量低于 55 磅的飞机的早期运营。68美
国有六个无人机测试点，可用来快速检验将当前“发现并躲避”规则（目前针对有人驾驶飞机）转变为通过新
型传感器和轨迹管理系统实现“感知与规避”的新技术。这将有助于实现向视线外自动驾驶过渡。69就像电传
操纵系统已集成到根据第 25 部进行认证的飞机以及传统的喷气式飞机中一样，VTOL 的认证必须证明与
第 23 部（小型固定翼飞机）或第 27 部（正常类别的直升机）具有同等的安全性。在软件方面，虽然新
客机通常使用 RTCA DO-160 环境和电磁兼容性测试并将 DO-178 用于软件验证，正在制定中的要求则
不那么严格，有望加快认证速度并降低认证成本。GAMA 也已开始通过下属的电动推进创新委员会 (EPIC)
的简化飞机操作 (SVO) 小组委员会，召集制造商共同商定通用做法，以支持小型飞机电传操纵系统的认证。
加快认证速度
我们发现一些加快 VTOL 认证的有效途径，因此按需城市空中交通服务的上市时间有望加快。
首先，拼机服务是一种非常具体的用例。优步非常了解客户的需求，我们在全球坐拥庞大的客户群，大部
分客户非常希望这一愿景能在今天就成为现实。这种情况不同寻常：市场的需求方已做好准备。拼车服务
的快速增长表明了人们对按需出行的强烈渴望，而且按需飞行在节省时间方面的价值主张是一种自然演变。
为满足这样的需求，我们有兴趣、资源和关系来与各城市紧密合作，了解基础设施和运营要求。这些因素
66 有关“两周搭乘出租车”的详情，请查看 http://glasairaviation.com
67 https://www.whitehouse.gov/omb/circulars_a119
68 https://www.faa.gov/news/fact_sheets/news_story.cfm?newsId=20516
69 https://www.faa.gov/news/updates/?newsId=82947
38
应该会有助于更广泛的生态系统来探索这一需求的影响以及限定飞机的目标和设计的用例。这些都将应该
有助于加快开发和测试。
其次，如前所述，FAA 和 EASA 采纳了共识标准制定过程，取代之前非常缓慢的内部标准制定过程。对于
VTOL 飞机认证，FAA 和 EASA 将很快采用 ASTM 44 规范，取代第 23 部（针对小型固定翼飞机的规
定）。一旦 F44 得到普及，就将打开在此 FAA 框架下为 VTOL 动力升力飞机制定标准的大门。
为了推动标准制定程序的出炉，在动力升力飞机方面，需要有人挺身而出，组建利益相关者（如感兴趣的
飞机制造商）的联盟并联系 ASTM，成立委员会来制定要提交给 FAA 和 EASA 的一套标准。在制定直升
机停机坪/垂直起落场标准方面，共识标准的制定也⬀在差距。目前并没有针对直升机停机坪的现行标准，
只有 FAA 的咨询通告指南（通常被当作地方标准对待）。业界在呼吁改变这种情况，只是还没有人站出来，
将有志于此的团体组织在一起，完成共识标准的制定。在这一点上，优步可以发挥作用。
第三，飞机制造商可以向 FAA 申请在确定型号认证依据之前，为其飞机颁发实验适航证书。这样的审批过
程非常简便，可以让飞机在受限情况下（如仅搭载机组人员、不从事营利性运营）飞行。70随着飞行时间的
积累，可以放宽一些限制以实现示范飞行。71示范飞行可以证明一些影响运营认证的功能和特性，而且对于
公众了解并接受这些飞机产生的极低噪声是至关重要的。另一个示例是，第 135 部规定了能源储备相关要
求，但其依据的是假设飞机进行长途飞行，期间天气可能发生重大变化，且可供降落的备用机场很少。对
于专为短途飞行（如 30 分钟）而设计的城市电动 VTOL，可以降落的地点很多，20 到 30 分钟的能源储
备可能毫无意义。通过利用蒙特卡罗模拟来识别可能出现的极端情况，实验飞行可以验证最差的情况，从
而向 FAA 提供证据，以便 FAA 修改针对电动 VTOL 的这一重要要求。
第四，一直以来，FAA 和 EASA 在等效安全水平 (ELOS) 这一概念方面的表现都很积极，允许不直接遵守
标准要求，而是通过提供证据证明可以通过其他方式实现同等安全水平。例如，这种方法非常适用于车辆
的全自动驾驶。飞行员驾驶通过认证之后，便可以推出自动驾驶系统，实现大规模的数据采集，证明自动
驾驶飞行至少与飞行员驾驶一样安全的统计学意义（很像目前自动驾驶汽车的发展过程，即开始于由安全
驾驶员辅助的半自动系统）。这样做可以避免非常漫长的自动驾驶标准制定过程，同时向 FAA 提供统计学
方面的安全证据，让 FAA 有信心向前推进。
运营商认证
美国的商用空中出租车服务在第 135 部的监管范围内，这部法规允许定期的通勤航班以及非定期的空中出
租车（按需）航班。我们预计，飞机在可以按照型式证书生产后，这些规则将无需针对 VTOL 进行大的改
动。个人可以以单人飞行员经营者的身份获得简化的证书，或者允许拥有多名在职飞行员、主管运营和维
护的主管以及首席飞行员的公司按照第 135 部法规开展运营。目前，大约 2,100 家运营商获得了执照，
共计经营飞机 10,000 多架。72
70 FAA 规则 8130.2H
71 联邦航空局第 21.191 部规定了实验飞机的使用，包括“研究与开发。测试新飞机设计概念、新飞机设备、新飞机装置、新飞机操
纵技术或飞机的新用途。”第 21.195 部进一步规定了实验飞机的使用“是为了进行市场调查、销售演示和客户人员培训。”
72 http://nata.aero/data/files/gia/4656_001.pdf
39
飞行员培训
目前在美国按照第 135 部运营要求持有商业飞行员执照，目视飞行规则 (VFR) 操纵下机长 (PIC) 飞行时间
不少于 500 小时，仪表飞行规则下的机长 (PIC) 飞行时间不少于 1,200 小时。通常，第 135 部要求由飞
行教练记录新手飞行员在获得私人飞行驾照之后的飞行时间。VTOL 飞行员可以是拥有固定翼飞机和直升
机飞行经验的飞行员，总 PIC 时间要求可以包括驾驶任一种飞机的时间。动力升力机型等级的商业执照要
求73至少 50 小时的驾驶动力升力飞机的 PIC 时间，其余时间可以是驾驶传统的轻型飞机。
如安全部分所述，具有自动驾驶功能的 VTOL 将显著改变飞行员的技能要求。目前，飞行员必须比照目标
航线监控飞机轨迹，还需调整很多飞机状态参数以使轨迹和目标航线保持一致。自动驾驶是指飞机能够自
行做出这些调整，飞行员的指令仅限于控制所需轨迹，而不必关注实现方法。
虽然我们最初计划商业飞行员按照目前第 135 部的规则及美国之外的同等规则进行操作，但我们预计，早
期飞机成功运营之后，由于飞行员的任务负担减轻，更重要的是由于飞行员要负责的任务范围的缩减，对
飞行员在传统飞机方面的经验要求会有所降低。这和 FAA 在制定轻型运动类飞行驾照时的做法相似，也就
是轻型运动类飞行驾照要求的时间大约是私人飞行驾照的一半。对此，不仅要让 FAA 相信，也要让承保运
营风险的保险公司看到 VTOL 对飞行员的技能和经验的要求确实有所降低。
在飞行员培训中，要获得认证，需要证明具备处置故障模式、在恶劣状况下继续安全飞行的能力。一般的
私人飞行员花 8 至 10 小时学习基本的操作动作，其余时间则学习处置非正常的飞行情况（失速、跑道条
件差、侧风操作、发动机故障等）。商业飞行员和仪表飞行员也是如此，他们驾驶的飞机复杂程度更高，
精确度更高，其中包括在导航设备出现故障时做出处置。多发飞机飞行员的大部分培训时间是用来学习当
一个发动机不工作时该如何应对。如果通过设计自动驾驶系统可以应对这些故障，导航系统有适当的冗余
能力，而且飞行员无需采取纠正措施来确保飞行安全，那么不难看出，飞行员所需的培训期将大大缩短，
却同样能够在飞机可能出现各种故障的情况下做到安全操作。这方面已经有先例，传统的双发飞机一旦发
生故障，便会呈现不对称的推力，应对这种情况的难度非常大，相比之下，如果多发飞机采用中心线推力
（前后各一个发动机），则飞行员的控制难度就相对较低，获得认证所需的时间也会短的多。
73 14 美国联邦法规 61.129(e)
40
基础设施和运营
要在城市里开展按需 VTOL 运营，非常有必要根据当地的需求模式调整基础设施和运营需求。都市区域内
基础设施的建设内容不仅取决于高效运营的需求和模式，还取决于当前基础设施的占地面积以及是否需要
改变现有基础设施的用途。在很多情况下，现有基础设施的适用性以及相关基础设施的规模可能都有所欠
缺。
要开发城市所需的 VTOL 基础设施，需要以数据为依据，了解当前的交通需求，并模拟未来的通勤模式。
运营商还必须主动与当地居民社区以及当地、州和国家政府接触，帮助确定和动员私营部门进行投资，开
发有利于消费者、社区和交通网可持续运营的 VTOL 相关基础设施。接下来，初步明确基础设施和运营问
题，这些问题是城市及众多合作伙伴在考虑 VTOL 服务的前景时需要仔细进行评估的。与多级政府、当地
社区和私营部门进行接触，可以让很多其他问题浮出水面，在开发基础设施、运营航班和设计飞机时都需
要考虑这些问题。
在接下来的章节中，我们将讨论：
● 城市基础设施：目前的直升机场和直升机停机坪（或垂直起落场和垂直起落站）是如何设计的？
如何调整这些基础设施以满足未来 VTOL 拼机的需求？城市在选择飞机起飞/降落地点时该考虑什
么？基础设施如何与机场、维修中心以及路线制定实现交互？
● 基础设施模拟：根据优步目前的长途行程数据，我们预计需求聚合会如何影响城市中垂直起落场/
起落站的位置？
● 为飞机充电：如何为 VTOL 充电？需要什么样的基础设施来为其提供支持？
● 运营：运营商如何解锁城市 VTOL 网络的运营效率，解决运营效率以及恶劣天气所带来的空域挑
战？在安全性和公众关注方面，他们需要考虑哪些事情？
41
城市基础设施
垂直起落场和垂直起落站的开发
美国一共有 5,664 个直升机停机坪，其中私用的有 66 个74（即仅供业主自己使用，不用于公共援助）。
这些基础设施大多数基本上未投入使用。多年未用后，很多直升机停机坪已被宣布无效，仅供紧急使用。
其中很多都位于非常理想的市中心位置，可快速到达城市的其他区域。仅洛杉矶的市中心附近就有 40 多
个高层直升机停机坪。旧金山等城市也有很多高层建筑直升机停机坪，但是由于当地严格的限制，都没有
获得使用许可，主要是因为噪声问题。
在过去两年中，NASA 对在密集的城市区域运营 VTOL 空中出租车的构想进行了研究。75具体来说，他们
选择旧金山作为考察都市区，详细考察了地理位置、土地使用、基础设施、天气和运营限制，力求研究这
些现实问题。通过这种方式，NASA 就可以针对如何使用飞机以及所需配套基础设施的部署位置制定详细
的运营概念 (CONOP)。NASA 的这项研究提供了一些见解，有助于更好地了解展开非常密集（远远超出任
何城市目前在直升机方面的经验）的运营的可行性。
城市可以通过同时建设垂直起落场和垂直起落站，支持 VTOL 机队的运营。垂直起落场是拥有多个着陆位
置的大型区域，且拥有为多架 VTOL 和乘客提供服务的配套设施（如充电器、支持人员等）。根据纽约及
其他地区的垂直起落场使用范例，垂直起落站的最大容量限定为在任意时间可容纳约 12 架 VTOL，一方
面可以精简基础设施的规模，另一方面可以允许多架 VTOL 同时起降从而最大限度地增加行程吞吐量。垂
直起落站则是供单架飞机起降的位置，没有配套设施，但是 VTOL 在起落站可供乘客快速上下飞机，无需
停留很长时间。垂直起落站的示例包括目前位于市中心高层建筑顶层的小型直升机停机坪。
垂直起落场和垂直起落站的设计
NASA 综合研究了不同的方法，希望找出可行的垂直起落场和垂直起落站设计方案。
| 74 | https://www.bostonglobe.com/metro/2016/01/22/public-use-heliports-like-one-pondered-boston-are-rare |
| nationally/wnwxtvevXEE8uPIsll8uHJ/story.html | |
| 75 《硅谷，按需民用 VTOL 运营的早期采纳者》，Kevin Antcliff 等人，AIAA Paper 2016-3466，2016 年 6 月 |
42
一种提案是在旧金山市区建设浮动式驳船垂直起落场，在水上提供飞机的进近和出发路径，一方面可以限
制对社区的干扰和风险，另一方面无需在现有的密集建筑物中间建设基础设施。这类驳船/码头式垂直起落
场基础设施已在纽约、温哥华等拥有现成运营程序的很多城市投入使用。为适应越来越多的飞行运营，这
些垂直起落场可以使用短程地面导航辅助系统自动为 VTOL 的进近和出发安排时间顺序。
下图显示的是 NASA 针对硅谷高速公路的苜蓿叶型立交桥提出的另一个新颖的垂直起落站解决方案。76在
这个案例中，主干路上的立交桥经过用途改造，加建增高的直升机停机坪结构。在对比一般立交桥的直径
时77，我们会参照了针对直升飞机场后退线和运营问题的 FAA 指导文档。一般立交桥的直径大约是 225
英尺，以供汽车的减速和转弯。一般的直升机停机坪需要 50 英尺的停机坪，直径为 115 英尺的最终进近
76 《城市内垂直飞行空中出租车的潜在可行性和早期采纳路径》，Mark Moore，NASA 兰利研究中心，2016 年 8 月
77 http://www.faa.gov/documentLibrary/media/Advisory_Circular/150_5390_2c.pdf
43
和起飞区 (FATO)，以及直径约 200 英尺的公共安全区 (PSA)。NASA 建议设立一个架高平台，让垂直起
落站和立交桥处于同一高度，从而在道路车流之上提供最大的高度间隙，并将对地面交通的干扰降至最低。
架高平台的下方区域还可容纳垂直起落站的其他功能，如乘客接载和候机区。这种类型的公共垂直起落站
追求的是顺应目前的拼车潮流，并不需要停放或⬀放 VTOL 或地面车辆。针对垂直起落场或垂直起落站指
定私有飞机型号将导致所需的基础设施规模增大且会增加成本。NASA 和麻省理工学院正在联合对洛杉矶
等其他都市区域开展研究，调查各种垂直起落站基础设施构想的可扩展性。
这种基于高速公路立交桥的基础设施方案有很多运营优势，包括可以重复利用交通部现有的土地。飞机进
近和出发轨迹可以在主干道上完成，低于 500 英尺时不会在私人物业上飞行。而且现有高速公路的噪声和
设想的 VTOL 噪声级别一致，有助于减轻对社区的干扰。这种类型的基础设施与现有地面道路相结合，有
助于将地面交通时间降至最低，而且非常适应新兴的拼机商业模式，减少对地面或航空飞机停放设施的需
求。NASA 的研究还指出，一种可能的垂直起落场建设方式是建在与相邻物业之间有较大间距的私有公司
园区。
同样，利用停车场的顶层也是一个特别有吸引力的方案，可以重复利用闲置的房地产设施作为垂直起落场。
架空的停放结构还有运营优势，例如有助于确保无障碍的下滑道角度符合 FAA 针对安全运营方面的规定。
如下图所示，已有方案提出在洛杉矶机场兴建这种建筑78。
从考虑使用不同的机场基础设施的角
度来看，垂直起落场的占地面积紧凑，
VTOL 可以大下滑角飞行，避免在邻
近物业的上空飞行。使用除了具有垂
直飞行能力的飞机之外的任何其他飞
机都需要使用大量的地面资源和土地。
NASA 在他们的城市 VTOL 空中出
租车研究中，考虑了常规、短距离和
极短距离跑道飞机解决方案，但他们
发现，这些方法在已建成的都市区域
均不可行，原因是土地购置成本过高，而且⬀在其他土地使用问题，例如避免在低于 500 英尺的高度飞越
邻近的私人物业。小角度导致进场路径长的低空飞行会加重邻近物业的负担，而这并不只是运营会干扰邻
居的问题。法律判例不允许低空飞越私人物业（如合众国诉考斯比案）。79美国最高法院的裁决确立了个人
财产所有权可延伸至该财产上方的直接空域，同时驳斥所有权无限向上延伸的诉求。尽管所有权可延伸至
多高的空域在法律方面仍然有很大的争议，麻省理工学院的按需出行运营研究正在对此进行调研，但
VTOL 的运营必须尊重地面上其他人及土地所有者的权利。
78 http://www.lawa.org/uploadedFiles/board_agenda/ManagementReports/boac130709xP4%20Heliport%20Status%20U
pdate.pdf
79 法 律 信 息 研 究 所 ， “United States v. Causby et ux” ， 康 奈 尔 大 学 法 学 院 。 1946 年 5 月 。
https://www.law.cornell.edu/supremecourt/text/328/256 [引用日期：2016 年 5 月 5 日]
44
VTOL 的拼机基础设施
垂直起降能力对于城市运营至关重要的另一个原因是，飞机在起飞和降落过程中需要适应不同的风向和阵
风。虽然短距起降 (STOL) 和极短 STOL (E-STOL) 飞机需要的起降动力较小，但是，如果这些飞机要在各
种风向和条件下飞行，则可能需要多个方向的跑道。这是因为低速起飞和着陆时，侧风着陆特别困难。由
于风的⬀在，某些地区的 STOL 或 E-STOL 机场可能需要更多设施而不只是一条跑道，并且由于爬升角度
比 VTOL 小，可能需要多个方向的越地飞行权，相比之下，VTOL 不依赖于跑道，可以在悬停、起飞或着
陆过程中使其自身和风向相同。
45
下方是我们绘制的渲染图，展示了垂直起落场可能具备的特征，同时更清楚地展示拼机网络中的按需
VTOL 用到的各类基础设施。在这个示例中，一个八层的市中心停车场的顶部被改建为能够为 12 架 VTOL
提供支持的垂直起落场。在这张图中，我们假设该城市区域必须能够满足 FAA 的直升机停机坪指导标准80，
即在预想的进出路径中⬀在无障碍的下滑角。根据这一要求，垂直起落场的选址地点四周不能有高层建筑
物。
由于 VTOL 拼机运营商将在特定垂直起落场提供常规服务，我们绘制了两个直径为 50 英尺的着陆区。虽
然对间距没有正式要求，但是应最大限度地增加着陆区之间的间距，以将运营风险降至最低。隔离有助于
避免两个着陆区相互干扰，还能同时进行起降。着陆区为 FAA 分类中的接地和离地 (TLOF) 区，另一个较
大区域为 FAA 分类中的最终进近和起飞 (FATO) 区。FATO 的直径约为 100 英尺，要求没有构筑物、灯
杆或其他障碍物，以确保飞行安全。通常情况下，垂直起落场或垂直起落站还设有公共安全区 (PSA)，提
供直径约为 200 英尺的附加后退区域，这一区域必须进行管制。不过，对于屋顶位置，则无需 PSA，原
因是这一区域会延伸到屋顶之外（该区域在管制范围内）。
除了抵达和出发之外，处于停放状态的 VTOL 需要远离着陆区。每个停放位均提供一个传统充电器，其中
两个停放位提供快速充电器。在高峰时段，VTOL 都处于飞行状态，因此大多数停放位将是空的。两个着
陆区也各自提供快速充电器。这些快速充电器可供只是短暂降落接着继续载客的 VTOL 在短时间内再次充
电，从而最大限度地增加飞行时间。嵌入式充电插头甚至可以在电机停止后自动展开。
80 FAA 飞机通知 150/5390-2C，2012 年 4 月 24 日
http://www.faa.gov/documentLibrary/media/Advisory_Circular/150_5390_2c.pdf
46
有效的飞行运营区将有配套的建筑物，该建筑物承担安保、安检、候机区及其他功能，而且只能通过该建
筑物才能进入着陆区。乘客只需步行很短距离即可到达着陆区，且只能在飞机的推进系统关闭时靠近。停
放的 VTOL 将远离用户，尽量避免用户接触到飞机。VTOL 需要能够借助轮毂电机在地面进行短距离滑行，
以在着陆区和停放区之间移动。屋顶的另一块区域供乘客下飞机并到达汽车或行人出口位置，从而结束他
们的行程。
47
垂直起落场和垂直起落站的选址
最初，VTOL 不可能直接上门接送乘客，而是在垂直起落场和垂直起落站之间运行。不过，根据当地法规
和空间限制，VTOL 可能会在私人住宅区起飞和降落。这些地点需要登记在册并考察其进近和出发路线。
例如，在加利福尼亚州，非企业区域的个人用“机场”是完全合法的。也就是说，点对点的行程将不太可能与
其他行程重叠（与拥有有限的高吞吐量节点的垂直起落场/起落站网络相比），因此这些乘客需要愿意支付
相对高昂的费用。
有鉴于此，运营商可能会主要关注支持拼机的 VTOL 网络，该网络只包含垂直起落场/起落站之间的多模式
行程。如后面“乘客体验”部分所述，目前优步提供与公共交通相结合的第一英里/最后一英里，而且在纽约，
我们已成功要求乘客步行至优步拼车的上车区（换来的是乘客拼车成功率提高，这样所有乘客的费用都会
减少）。利用多模式交通使我们能够最大限度地提高网络吞吐量，节省更多时间，同时将步行/驱车前往/
离开站点的时间缩至最短。
在城市部署 VTOL 飞机队遇到的最大运营障碍是缺少足够的空间来建立降落点。即使目前 VTOL 已获得飞
行资格，城市也没有供飞机以机队规模运营所需的起飞和降落点。少数城市已有多个直升机场，可能有足
够的能力来提供有限的初始 VTOL 服务，前提是这些机场位于合适的位置，可以很容易从街道抵达，且拥
有增设充电站所需的空间。但是，要向发挥 VTOL 的全部潜力，还需要增加基础设施。
优步等运营商可以帮助寻找位置并消除障碍，以建立垂直起落场和垂直起落站，让 VTOL 服务成为现实。
我们在后面的“基础设施模拟”部分展示了一些示例分析。虽然通勤通道的城市远郊一端有更多更便宜的土地，
但是密集的市中心空间非常有限，而且现有的屋顶可能不能进行改造。周围高层建筑物林立，会导致起飞
时的垂直攀爬速度必须提升，从而显著增加对动力的需求，还可能会造成风洞等微气候，这一点需要慎重
考虑。
很多城市严格限制只能在特定地点使用直升机，而且只允许直升机在有限的时间范围内飞行。但是，导致
这些限制的大多数公众反对意见并不适用于电动 VTOL。例如，关于医院直升机选址的公众意见表明，所
讨论的飞机所产生的短期噪声远高于 VTOL。
机场和飞机维护中心
大多数城市区域都有各种现成的机场。以旧金山湾区为例，该地区有三个大的航空公司基地、两个已退役
的军用机场、一个联邦/民用机场、7 个通用航空机场、一个私人机场和一个私人水上飞机基地，这些都在
离旧金山约 35 英里的范围内。其中的每个地点都是进行初始 VTOL 运营的不错备选地址，我们在大洛杉
矶地区进行的第一信原理分析建立了如下的模拟，得出了同样的结论。
任何城市或地区都需要设立维护和支持点，以便能在停飞期间停放数百架 VTOL 并进行维修和检查。垂直
起落场或垂直起落站肯定不会承担这些功能（虽然维护基地也可以作为面向乘客的垂直起落场），可能要
由当地的固定基地运营商 (FBO) 来为这个新兴市场提供支持。任何垂直起落场都需要机动维护人员，以处
理非适航飞机的问题。在紧急着陆或设备故障导致 VTOL 需要维修时，维修人员要到达指定地点，类似于
当前的直升机运营。也正是因为这个原因，VTOL 要采用完全冗余推进系统和可以提供“陂行回家”操作模式
的控制设计。
48
规划路线
除了垂直起落场和垂直起落站的选址和建设之外，VTOL 还将需要从一个位置到其他位置的航线结构，以
便与实际的航空交通管制相结合。虽然美国国家空域系统 (NAS) 中还没有专门针对 VTOL 航线的规定，通
过与 ATC 的协商，很容易定义等同的构造，就像为新闻和医疗飞机制定航线时一样。在可预见的未来，在
城市区域内飞行的飞机仍将与 ATC 通过语音进行通讯，以实现交通的多样性，但在未来几年内，所有飞机
都将配有现成的座舱显示器，可显示附近所有其他飞机。随着在同一航线中有人驾驶飞机的经验积累，有
可能为自动驾驶航线结构奠定基础，自动驾驶航线结构将进一步发展，可以避免与现有飞机运营发生冲突。
在一些类似旧金山湾区这样的地区，某些自然特征本身（如湾区本身）就能够为 VTOL 路线规划提供帮助。
用以制定路线的工具与现今其他低空交通所采用的工具相同。这是必须进行谨慎的路线优化的又一个领域。
例如，如果在一定程度上随机排列路线结构，同时保留符合 ATC 规定的走廊内结构，便有可能规避 FAA
在将下一代路线规划方法应用于 SFO 时所遇到的困难（居民抱怨飞机一架接一架地出现在完全相同的位置，
发出很大噪音）。安静且容易操纵的低空飞机带来了以往空中交通规划情景中从未呈现的独特机遇。
49
基础设施模拟
通过我们的核心业务，我们了解到网络优化是复杂运输系统功效的最基本驱动因素之一。如果符合要求的
垂直起落场数量较多，那么选择使用其中特定的一部分对设施和运输成本都会产生绝对的影响。垂直起落
场的选择也会影响 VTOL 服务的人口总数，以及相较于其他交通方式，他们对垂直起落场所抱有的期望。
我们利用 2016 年 9 月一周的长途优步行程对大洛杉矶和伦敦地区可能的垂直起落场位置进行了初步分析，
行程的半正矢（“直线距离”）距离超过 20 英里。但遗憾的是，优步的长途行程对普通消费者来说仍然过于
昂贵，因此数据量有限。也就是说，经过多年服务的积累才会获得足够的行程数据来分析传统非优步长途
路线通勤的潜在需求。
我们基于一系列候选垂直起落场位置研制了一
种模型，用于选出一部分理想的位置，能在满
足各种限制条件的情况下，最大程度上提高行
程的覆盖范围。这些限制包括相对于开车所节
省的时间（限制了所选垂直起落场的总数）和
垂直起落场选择的空间限制。我们首先将 k 均
值聚类算法应用到行程起点和目的地点的集合
中，将纳入考虑范围的候选位置数量减少至
100（由黑点表示）。这些位置将利用问题下
阶段处理方法进行处理。我们使用大规模优化
模型从这些位置中选出 25 个，最大限度地提
高 VTOL 路线的可达性，最终得到的符合要求
的位置的预计用时比地面行程节省 40% 以上81。
注：在这部分，我们一般使用垂直起落场或垂
直起落站这两个术语表示枢纽机场，但每个机
场的规模将取决于所示吞吐量。随着城市中的
机场增多，每个边缘机场的吞吐量将减少；规
模较小的机场主要用于提高运输网络的效率，
而不是用作带有充电设施的关键高吞吐量节点，
因此最好作为垂直起落站。
设想
我们根据我们的模拟提出了以下设想：
1. 所有乘客都将经历不止一段 VTOL 行
程（即不考虑 VTOL 中途停留）。
2. 最大 VTOL 距离为 120 英里。
3. 行程中 VTOL 的空速为 170 英里/小时。
4. 我们将起飞时间和降落时间分别增加了 60 秒和 75 秒。
81 我们在“成果”部分中使用此阈值来研究其他灵敏度
50
5. 乘客登机和下机分别需要 3 分钟和 2 分钟的时间。
6. 我们首先用 1.42 的因数将半正矢距离转换为预计路线距离，然后再除以从实际行程中获得的平均
速度，推算出从乘客的起始点（乘客的目的地）到出发（抵达）机场的时间。
7. 当且仅当路线的预计历时至少比地面行程的预计历时缩短 40% 时，乘客才是乘坐此 VTOL 路线的
潜在顾客。
8. 通过按需服务可满足所有搭乘请求（不考虑提前预约行程的情况）。
车辆型号
为了确定最佳的垂直起落场位置组合，我们考虑为每个乘客分配特定的行程路线，该行程路线由以下任一
路线组成：(i) 地面行程或 (ii) 包含三个路段的行程路线：从乘客的出发点到 VTOL 出发机场路段，VTOL
路段和 VTOL 抵达机场到乘客的目的地路段。我们力图确保从中选出的机场组合能够最大限度扩大整个网
络中长途乘客的总体行程覆盖范围。
我们的模型可确保满足以下条件：
● 所选垂直起落场的数量不会超过可允许的最大值
● 所有乘客的行程能够刚好由一个行程路线覆盖
● 正如用户规范所规定的那样，不会同时选择两对位置足够接近的垂直起落场
● 未选择的垂直起落场均不得分配给任何乘客
我们的模型采用第三方商业优化求解器，通过大规模整数规划进行解算。
51
分析与讨论
数据和分析显示了不同城市（以伦敦和洛杉矶为例）在计划的基础设施部署方面的一些有趣区别。
我们发现的主要区别尤其集中在以下几方面：城市地理和设计特征对城市或其远郊和近郊地区需求提升的
促进方式、现有公共交通节点对于 VTOL 基础设施选址和多模式行程可能起到的作用，以及基于地面的有
限基础设施以次优的方式服务于现有（或抑制潜在）需求可由替代基础设施选项进行补充的方式。
我们第一次选择的 25 个垂直起落场分别覆盖洛杉矶 60% 的长途行程和伦敦 35% 的长途行程。
随着我们不断增加垂直起落场数量，这两个城市的长途行程覆盖范围将不断扩大，但考虑到每个边缘垂直
起落场的边缘行程覆盖范围不断减少，这种扩大方式过于次线性。不出所料，以中心商务区和公共交通枢
纽机场为起点和目的地的长途行程密度很高。特别是在洛杉矶国际机场、伦敦希思罗机场和伦敦盖特维克
机场等大型机场，这种现象尤为明显。
有些行程的起点或目的地距垂直起落场很近，因此这些行程的起始路段或最终路段无需乘车。如果 VTOL
行程前后路段的半正矢距离小于一定的阈值（如上面显示的 250 米、500 米和 1000 米），我们将此行
程路段定义为可步行。在伦敦，包含可步行路段的行程所占比例较高，这主要是因为与洛杉矶相比，到当
地机场的行程所占比例要高得多。
52
需求聚集和多模式优势
在洛杉矶，为数不多的垂直起落场可覆盖很大与部分长途行程，而在伦敦，相同数量的机场所覆盖的行程
数量要少得多。这意味着，像伦敦这样的城市（呈现起点与目的地位置相距较远的出行模式）要想实现与
其他城市相同的行程覆盖可能会面临更大的基础设施压力。
与此相反，伦敦 250 米阈值内的可步行 VTOL 行程所占净百分比则更高，接近洛杉矶的五倍。这是因为
伦敦的大量公共交通枢纽与我们预设的垂直起落场位置（地铁、多个机场）重叠，而在洛杉矶，地铁几乎
不占主要地位，且主要的国际机场更靠近城市中心。因此，在公共交通（因而 VTOL 的潜在需求更高）和
现有交通枢纽更为有限的城市，构建垂直起落场基础设施实际上可能会加强现有交通模式的聚集。在过渡
时期，这些城市中包含乘车路段（而非步行路段）的多模式行程路线将占据更大比例。
53
我们的模拟展示了多种通勤模式，可体现城市内部和周边日常通勤的特征。尤为显著的是主要机场的需求
中心，伦敦有：希思罗机场、盖特维克机场、城市机场、斯坦斯特德机场、卢顿机场和伦敦城市机场；洛
杉矶有：洛杉矶国际机场、伯班克机场、橙县机场和长滩机场。
服务水平低下的路线
然而，城市机场之间的路程是一种有趣的需求源，有可能利用与飞机相关的现有地面基础设施支持航线补
充次优的地面基础设施。数据显示了伦敦几个主要机场间的路程，其中希思罗机场到盖特维克机场和希思
罗机场到卢顿机场是最好的例子。例如，众所周知，希思罗机场在伦敦西部，盖特维克机场在伦敦南部，
在两个机场之间转机颇具挑战性，许多国际旅客要在有限的时间内从一个机场出发到另一个机场转机。但
两个机场间的地面路程大约为 38 英里，在交通高峰期最多要花费一个半小时的时间，这就意味着转机乘
客可能会错过转机，还会增加焦虑情绪。而时速 200 英里的 VTOL 则只需十分钟（包含起飞和降落时
间）。
伦敦机场的示例显示了城市外围⬀在的东西向和环线公路的出行难题，这些难题要么是由于现有公路和铁
路基础设施有限，要么仅仅是由于高峰时段交通拥堵造成的。伦敦现有的直升机相关基础设施非常有限，
如果能利用面向城市外围服务水平低下的经济中心开放的大量飞机网络基础设施和空中纽带，将为 VTOL
带来巨大优势。在洛杉矶，预想的垂直起落场模拟了居民上班（例如，从橙县到好莱坞或硅谷海滩）或休
闲（从各个地点到马里布海滩）时的出行模式。如果能对许多城市中心建筑上原先就⬀在的直升机停机坪
重新加以利用，将满足我们在模拟模型中看到的那一类需求；圣保罗之类的城市可能会有类似的表现。
即使这一基本模拟的数据集涉及面相对较窄，我们也能根据每个城市的情况从中确定 VTOL 网络需要考虑
的重要的基础设施模型差异。我们知道，影响城市交通需求模式的根本原因有很多，导致不同地方既⬀在
差异又有相似性，这会对 VTOL 基础设施网络的设计产生影响。在我们研究以上几项内容的同时，许多利
益相关者可能迫切想要分析一系列因素，以便规划与 VTOL 相关的最佳运营模式。基础交通方式组合和公
共与私人交通方式的基础设施质量等因素往往会影响市民的生活地点，推动走廊地带需求和人口密度增长。
地形难题（从港湾[例如，温哥华和香港]到山区[例如，波哥大]）会影响中心商业区及周边科技、商业和轻
制造业园区的可达性。在给定关键地区位置的情况下，日常活动涉及的纯粹距离和路线会对高峰需求流影
响典型通勤的时间和方式产生影响。我们看到，这一基本模拟体现了以上部分特性，但对于不同的城市，
还有更多因素需要分析。
最终，VTOL 运营商需要与各个特定城市的领导人员、交通专家和现有交通网络管理者及规划者密切合作，
确定明确的短期和长期使用案例，争取给城市内部和周边通勤带来快速和潜在的根本性转变。
54
节省时间
根据驾车完成整条路线与搭乘
VTOL 并驾驶或步行前往/离开
最近的垂直起落场（共 25 个）
的速度对比，我们用 40% 的
时间节省阈值对上述分析进行
了基准测试。
我们还测试了从 0 到 100%
的各种时间节省阈值的敏感度，
发现超过伦敦 70% 和洛杉矶
75% 的节省阈值后，VTOL 行
程便不可能节省时间。这个结
果直观来看十分合理，因为两
个垂直起落场/垂直起落站间的
平均直线驾驶速度至少为 40
英里/小时，而 VTOL 的速度
则为 170 英里/小时，因此任
何特定 VTOL 路线都可以节省
近 70-75% 的时间。
我们还发现在上述条件下，洛
杉矶的通勤行程（平均 30.4
英里）总体来讲比伦敦的通勤
行程（26.0 英里）更长。此
外，与伦敦相比，洛杉矶的超
长距离行程节约的时间更长：
分别为 75%（32.1 与 26.8 英里）、95%（53.1 和 38.4 英里）、99%（82.5 和 51.9 英里）。 这一分
析进一步证实：行程距离越长，VTOL 节省的时间越多；因此，在通勤端点间往来距离更远的城市，对于
采用城市航班替代驾车通勤的潜在需求可能会更大。
55
为飞机充电
如果其他 VTOL 需要充电，或下一个乘客行程还未预约，VTOL 需要从垂直起落场的停机坪移走，为其他
VTOL 腾出位置。但是，如果电力充足且乘客已准备就绪，VTOL 只能在停机坪上停留足以让乘客上下飞机
的时间。尽可能缩短周转时间对实现较高的飞机利用率十分重要。将 VTOL 滑行至垂直起落场停机位让乘
客下机不仅需要大量时间，还需要乘客在其他飞机运营期间到达停机坪。电池需要在下次飞行前充满电，
以尽可能提高利用率。每个垂直起落场都配有多个高压快速充电器，以及数量充足的低压充电器（可在每
个垂直起落场停机位低速充电）。
我们目前的垂直起落场模型根据实现每年飞机使用时间超过 2,000 个小时的所需充电比率设计，假定将有
三分之一的充电器为高压/高容量充电器。特斯拉已经展现了快速充电器的能力，电池可以在 30 分钟内充
满 80% 的电量。但是，高压充电器比常规的慢速充电器价格更高，且且快速充电可能对电池造成巨大损害
82，缩短预期电池使用寿命。提供适当配比的充电器是市场特定的机队优化问题。当然，基础设施可能会为
每个 VTOL 配备充电器，实现夜间充电。将电池充电特征与放电特征（功率系数和充放电率，表示电子进
入电池或从电池中释放的速度）相匹配对于飞机、任务和基础设施都是至关重要的要求。
电池更换是有助于最大限度提高飞机效率和利用率的另一个备选方案。特斯拉投资开发了一个机器人电池
更换系统，能够在 90 秒内完成电池更换。83虽然更换电池可优化飞机性能，但会带来严重的后勤压力，这
也是特斯拉终止其电池更换计划的原因之一。如果采取电池更换方案，则要确保为所有垂直起落场妥善分
配电池，这可能需要通过地面交通在垂直起落场之间运输电池。另一个因素在于，电池是一项主要开销，
每个飞机需要多个电池组，这会产生一笔庞大的机队附加费用。在添加新电池（FAA 会将其视为飞机的重
要飞行组件）后重新确认飞机整体飞行安全性的认证难题是需要额外考虑的一个重要方面。
82 特斯拉超级充电器采用高压智能充电系统，能够使用电池管理系统密切监控电池电压，以避免损坏电池。如果典型的电池在没有高
压或没有密切监视电池温度以防止损坏的情况下快速充电，则会缩短电池的循环寿命。
83 https://techcrunch.com/2013/06/20/tesla-shows-off-a-90-second-battery-swap-system-wants-it-at-superchargingstations-by-years-end/
56
运营
空中交通
现今城市空域的运营区域和需求因城市而异，大型空中运输机场承载着重要的商业航空公司活动，而其他
大都市环境的空域需求要小得多。鉴于推动商用直升机运营需求的根本因素，它们对城市空域的影响仍受
到很大限制。全世界只有包括圣保罗和纽约在内的少数城市拥有实现了合理规模化的商用城市直升机活动，
圣保罗拥有规模最大的注册机队，共有 420 架直升机，并由 193 个在用直升机停机坪组成的基础设施提
供支持。
考虑到按需城市 VTOL 运营的重要潜力，快速 3D 出行的潜在需求很可能需要同时大幅提高大都市地区运
营的飞机效率和空域密度。为满足此需求，管理空域的运营复杂程度将呈指数级增长，远超当今的运营活
动。极为重要的是，飞机运营社群、监管者和其他相关人员要研究替代解决方案，使安全、高效和高容量
的运营城市环境适应空中交通密度的这种急剧增加。
目前的航空交通管理和 ADS-B 技术等先进的防冲突技术给原始低密度运营开了一个好头，但我们需要更加
全面的低空空域解决方案，以满足接近长期的 VTOL 运营能力。美国国家航空航天局无人机系统交通管理
(UTM) 计划等新兴概念是空域系统发展的开端，该系统可实现未来运营环境所必需的自主轨迹管理系统。
然而，鉴于按需 VTOL 网络的项目需求，仅靠这些步骤并不足以把握城市空域的未来。
根据 UTM 计划，至少有三种强有力的潜在发展有助于提升城市 VTOL 网络的运营效率，并解决这些网络
将带来的空域难题：
1. 高流量无声空中交通管制交互
2. 与通用航空飞机相连的应对高空飞行的类 UTM 系统
3. VTOL 相关交通与大都市枢纽机场附近的低空商业航空公司进近和出发轨迹无缝整合。
1) 高流量无声空中交通管制交互
对于 VTOL 飞机，仪表飞行气象条件 (IMC) 下的飞行需要像 VFR 飞行一样，让飞行员只需执行简单的低
负荷操作。基于语音的飞行员对空域控制器会造成一系列容量瓶颈，限制空域系统的容量和可扩展性。在
开发诸如管制员飞行员数据链通信 (CPDLC) 这类新航行系统 (FANS) 设备的过程中，向无声通讯与导航交
互的过渡已持续了多年。这种类型的系统可替代空中交通管制指示和复述，实现 ATC 流程的自动化。
然而，这类系统面临的难题在于它们只能对语音通讯进行补充而不能替代后者，因此它们价格高昂，且只
有在部分情况下才能减少工作负载，这意味着飞行员培训将会增多，因为飞行员需要熟悉两种类型的系统。
操作者可能需要了解所有飞机类型（无人机、通用航空、VTOL 和商业航空公司）采用的标准，然后决定
如何予以实施。FAA 希望在提供高性能空域解决方案之前了解航空市场的潜在需求（例如，物流公司需要
提高派送无人机的普及率，运营商需要推广 VTOL 空中行程），这也是可以理解的。
2) 延伸至 500 英尺高度的类 UTM 管理
NASA 的 UTM 系统目前致力于打造一种空域管理系统，用于在 500 英尺以下空域飞行的小型无人机。这
种方法将小型无人机与通常在更高高度飞行的其他空中飞机隔离开来。但是，由于私有飞机高度限制，以
57
及需要获得与通用航空和商业交通隔离的保障，因此即使是小型无人机也很可能无法以完全隔离的形式运
行。跨飞机类型的空域隔离这种比较简单的方法不一定能够作为长期解决方案。
通过扩大与 NASA 工业大学的合作，将 UTM 应用至通用航空飞机（合作性和非合作性） 84，会提供一个
涵盖高达几千英尺的全面的空中交通管理解决方案。与高流量无声 ATC 类似，NASA 需要指出对高容量空
域技术的需求，以证明在可实现快速市场实施的时间段内接受此扩展范围的合理性。
3) 与机场和航站楼区域的无缝集成
几乎所有主要城市的周边都有大型机场，部分城市（如洛杉矶）在市中心建有枢纽机场。这些机场对在 5
到 10 英里半径范围（从地面延伸至约 2,000 英尺）和高达 35 英里半径的阶梯状范围（达 10,000 英尺）
内拥有 B、C 或 D 类进行空域扩展管制。在洛杉矶，城市 43% 的陆地区域在这些空中交通管制部门的管
制范围内，部分地区的航班需要管制人员批准，语音交互无处不在。然而，这种由管制人员管理的空域大
多利用率极低；MIT 的“按需出行的运营方面”研究表明，航空公司运营仅使用了这些保留区域的 5%。受管
制的保留空域的使用率之所以受限，部分原因在于近来精确进近和出发的技术进步大大降低了航线的变更
频率。
该数据表明枢纽机场空域或许可以采用“中间联络人”（更准确地讲就是空域委托机构），这种委托机构能向
非管制人员管理的航班动态开放更多空域，例如，目前的洛杉矶国际机场 VFR 特殊飞行规则路线就是这样。
此类运营可能取决于风况和动态交通模式，并已确定设备要求，可在类似第 121 部航空公司运输规定的情
况下确保安全运营。这类全新空域管制方法将采用动态分配，并利用现已可用的数⫿通讯和导航解决方案
来取代静态空域图表。
随着 VTOL 交通量的提高，其他难题也需要得到重视，例如，如何以适当的方式高效地管理飞机和垂直起
落场资源的时间和顺序安排，确保在实现高系统容量和效率的同时优化该系统用户的门到门行程次数和变
动。此外，鉴于我们对自动驾驶飞机的了解，还需要考虑管理不同机队对其自主出行决策控制方式的标准，
这一点非常重要。决定飞机如何应对各种运营情况或障碍的编程方式哪怕有些许差异都可能引发潜在冲突，
特别是在对空中规则的解读方面，如果不同网络管理员的机队自动系统的决策参数或容差有所不同，就更
容易产生冲突。我们相信，制造商、监管机构和机队运营商将会共同制定适合的标准来应对这些难题，事
实上针对这一领域的讨论已经展开。提高飞机行为的一致性将会使机队管理更高效，也更安全。
几个世纪以来，人们已经了解了动态空间冲突排解科学（模拟动物的本能行为，如成群游动的鱼），而传
感器和便携式计算功能则是真正提高了动态空间冲突排解技术在飞机中的可行性。在针对整个机队和空域
进行优化方面，优步可以借鉴我们的核心业务经验，从而为最大限度提高飞机的生产率和空域利用率，进
而创造价值提供帮助。
幸运的是，促成这些进步的技术现在都已实现，到目前为止采用这些技术（如 ADS-B）的主要障碍一直是
通用航空飞机固有的小规模制造导致的高成本。如果以小规模建造，未来的发展（如类 UTM 自主航线管
理）成本同样将会非常昂贵。ADS-B 等组成模块的标准化已经实现。最终，释放潜在客户需求的运营商
（如优步）将推动 VTOL 制造需求大幅增长，从而降低航空技术购置成本，进而降低公用事业和通用航空
利用新技术的成本。
84 非协同交通（没有携带合适的协同设备的飞机）不会给将要推行 VTOL 的城市地区带来问题，因为几乎所有飞机都将在 2020 年之
前实施强制性 ADS-B 运营。
58
4) 以自动驾驶为目标的建筑基础设施
我们预计，VTOL 系统（例如优步提出的 VTOL 系统）将遵循第 135 部分的操作程序，拥有自己的内部通
讯网络，即使在飞行员操作飞机的情况下也能实现精确的导航和定位。试点阶段的基础设施开发将直接针
对自主运行的要求。主导航系统将基于现有的全球导航卫星系统 (GNSS)，同时接收 GPS、GLONASS 以及
在此期间可用的任何其他国际系统，如 GALILEO（欧洲）和北斗（中国）。此外，还可能需要组合使用
WAAS 增强的 GPS 和微波转发器技术，对前往垂直起落场和垂直起落站的飞机进行精确定位。与用于无
人机的 UTM 一样，FAA 并不会像对航空公司和通用航空交通那样，为低空 VTOL 提供隔离服务。VTOL
在处于常规飞机未使用的空域中时必须能够独立于 ATC 飞行。所有这些要求都会在 UAS 社区共享，并且
适用于 VTOL 的相同方法可能会并行发展并达到更高的载客飞行可靠性水平。
通讯或数据链路部分可能会结合 ADS-B、现有手机和低地球轨道卫星网络以及低功率地面微波数据链路。
一开始，系统预计将具有三重冗余，用以应对所有意外事件；即使在两个网络无法运行的情况下也将保有
全部功能。对于需要网络范围可见性的基本功能，所需的数据带宽相当低。当飞机彼此非常接近时，需要
提高带宽，缩短延迟，但在 UAS 领域，已有几种具有此功能的方法正在研发中；NASA 的 UTM 项目是这
方面的领军者，我们非常期待与他们密切合作，共同发展。
排序和空间划分必然需要通过优步机载拼机生态系统垂直整合。不仅必须有可用的飞机和垂直起落场/垂直
起落站空间，还必须保留飞行空域，并实时监测每个飞机的状态和位置。目前，这一领域的人员正通过
NASA/ FAA 下一代计划不断研发体积更大的飞机，而 VTOL 可以使用类似的方法来满足自己的飞行要求。
在这个领域中，微处理器速度和⬀储器容量的持续发展直接体现为以更高的精度处理更密集的空中交通的
能力。
59
行程可靠性
简介中已经介绍过，行程可靠性是决定从预约到下机的端到端时间的主要因素之一，也是我们想要实现的
节省时间价值主张的主要表现。行程可靠性是网络状态的一个函数，即在用飞机的数量和分布与需求之间
的函数。行程可靠性可以用从预约到抵达的时间来衡量，即从预约飞机后到其出现用户要等待的时间。反
过来，行程可靠性又受许多因素的影响，例如垂直起落场/垂直起落站的位置、飞机的空驶比、以及相较于
汽车更易受其影响的天气。
下一部分介绍的天气是一个复杂的飞行因素，包括雾、结冰、风和雷暴带来的严峻挑战。VTOL 需要利用
其他技术来增强可见性，在阵风条件下有效地操纵，应对大多数结冰问题，并充分利用增强的天气信息和
预测功能最大限度地提高可用运行时间的百分比，所有这些反过来将实现飞机利用率和经济可行性最大化：
随着 VTOL 运营规模扩大，这些领域的创新动力和资源将会不断增加。从自动除冰到自主驾驶的各种技术
会提高飞机控制精度和飞行适宜性决策的一致性，久而久之，将会显著增加 VTOL 的可用性。
无论 VTOL 的可用性⬀在怎样的差距，网络（如优步网络）的多模式特性都会对系统可靠性有所助益：如
果 VTOL 由于某种问题（包括天气问题）必须着陆，系统可以自动协调其他交通工具，从着陆点继续行程。
当然，这会构成降级的服务形式，因此 VTOL 可用性将⬀在一定的下限，低于该下限时，人们将认为
VTOL 服务并不具备足以让用户依赖的可靠性。因此，在早期部署中，我们将选择具备有利于确保可用性
的条件（如天气状况一直比较好）的位置。
天气
由于航线失败所带来的后果更加严重，飞机比汽车更易受到环境条件和天气的影响。在起飞、出发和着陆
过程中，雷暴会造成巨大乱流、结冰和低能见度，是干扰飞机运营的最大来源。在起飞和着陆期间，强降
水和阵风形成的不稳定条件会进一步造成干扰，导致难以保持飞机控制和合理的安全裕度。在任何大型
VTOL 网络部署的早期，在不增加运营复杂性的同时最大程度上确保安全性（即在起飞之前通过喷涂方式
为飞机除冰，例如大型客机）尤为重要，这对于我们近期关注的具体城市位置具有重要影响。
在经济分析中，我们假定受天气影响的正常运营时间不会超过 16%。但是，在纽约和伦敦这样的市场，商
业航空公司的运营还是会受大气活动限制（主要是由于雷暴、低云、雾和结冰）。商业航空公司运营通过
将航班路线变更至备用机场或增加延误等策略来缓解这些条件的限制，而这些策略并不适用于城市 VTOL。
一般来说，在最近的机场仍然能够进行商业航空公司运营时，我们期望 VTOL 能随时提供服务；恶劣的天
气条件（如强雷暴天气）下，市场中包括 VTOL 在内的所有飞机都会延误。这意味着，VTOL 运营商可能
会优先考虑将最初的 VTOL 运营部署在不⬀在阻止运营的环境或天气条件的市场中。
随着 VTOL 背后的技术不断发展，VTOL 将可以在各种更具挑战性的天气环境下的运营，如果能够克服一
系列关键障碍，VTOL 就可能提高在各个市场的普及率：
60
密度高度
在较高海拔和较高有效高度（即密度高度）运营85通常会对飞机运营产生两大不利影响。第一，空气密度减
小意味着产生所需的提升力需要更高的真实空速和/或旋翼速度。第二，对于非标准化的内燃机来说，空气
密度减小意味着可用的发动机功率降低。由于电动机不受这种功率下降的影响，如果能够保持充分冷却，
高度上升造成的功率降低对电动飞机来说无关紧要。随着空气密度的减小，吸气发动机的功率损失将超过
30% 以上，取决于具体设计（即机械齿轮箱限制），这使常规直升机面临巨大的挑战。虽然 VTOL 名义上
将在相对于地平面（例如 <3,000 英尺）的低空运行，但在高海拔地区（比如在炎热夏天的科罗拉多州丹
佛）运行就相当于在标准大气中 10,000 英尺以上的高空运行。
ICE 专车
雪和冰不仅会粘附在转轴和机身部件上，还可能在这些部件上冻结成形，从而增加重量并改变机翼的形状。
NASA 和其他单位正在研发防冰涂层86，可防止机翼和螺旋桨上结冰，无需再使用昂贵的活性除冰系统（即
气动套筒和加热前缘），目前该项目处于探索阶段。结冰条件不仅仅是寒冷的气候环境现象；在佛罗里达
州和加利福尼亚州，在偶然出现的天气条件下，某些高度也会发生这种状况。虽然 VTOL 不太可能在较高
的海拔高度运营（在这种高度它们的机身往往会结冰），但电力推进提供了独特的运行安全优势，可在短
时间段内产生极高水平的功率，直到电动机达到热极限（通常需要运行 30 到 120 秒）。这种能力可在紧
急情况下用于短时间的功率突发，或者用于短期高速攀升，在冰凝结前快速穿过结冰层海拔高度。防冰涂
层和电力推进结合使用，就可以让气候较寒冷的市场（如曼哈顿或伦敦）的运营可用性达到与洛杉矶或曼
谷相似水平，尽管这两项技术的结合应用目前尚不可用。
可见性
即使采用传统的 IFR 操作（少数非常昂贵的飞机除外），在飞行的最后几秒也必须让飞行员能够查看着陆
环境。机场“低于最低条件”意味着在最近的安全进近点，不具备这种查看着陆环境的条件。VTOL 在进近时
可以用比常规飞机慢得多的速度飞行，因此要求较低（也适用于直升飞机抵达），但在它们完全自动飞行
前，仍然需要具备目视条件。
能够使用红外光谱透视雾气的视觉系统已经研发成功并部署在商务级喷气飞机上。这种类型的视觉增强功
能通常与创建合成视觉系统的映射数据相结合，此类合成视觉系统可提供清晰的地形描绘（通常来源于世
界各地的 NASA 航天飞机雷达专题制图器数据集），同时还可捕获非典型障碍物（例如起重机）。这些类
型的系统增强了低能见度条件下的运营能力，但仍然无法在零可见度条件下工作。
最终，长期看来，自动驾驶系统可以利用激光探测与测距 (LIDAR) 和激光扫描系统规避其他飞机/障碍物回
避，还可以看清达着陆点的路径。这些系统已经用于无人机，提高了功能范围以及对雨水和灰尘等视觉阻
碍的应对能力；它们的大规模制造加速了在自动驾驶汽车上的应用，因此成本正在快速下降。目前市场上
还没有整合所有这些解决方案的综合视觉系统，而且预测中指出，这些系统会大大增加小型飞机的重量。
然而，我们完全有理由相信，随着高性能合成视觉系统的快速发展，在较低可见度条件下的运营必将实现。
随着无人机和 VTOL 的大规模市场的形成，这些系统的可用性将会扩大，成本也会像标准飞机装备一样大
幅下降。
85 空气温度越高，空气能量越多；气体分子移动越频繁并且相互排斥，因此温度较高环境中特定体积的分子要比温度较低环境中的少。
86 https://en.wikipedia.org/wiki/Icephobicity
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阵风
对于 VTOL 而言，城市环境中的高层建筑物周围的阵风具有很大的挑战性。VTOL 需要遵守与人造物体的
安全间距，FAA 要求所有固定翼飞机与建筑保持至少 500 英尺的距离。VTOL 的地图系统中需要内置此
类缓冲器，确保它们可避开这些安全区，特别是在不断变化的城市景观环境（例如，只需几个小时就可以
架设一台起重机）中。在结冰问题中提到的短时间可用额外功率适用于这种情况，因为增加的控制力可用
于抵消阵风条件的影响。相互连接的 VTOL 网络可监视和共享所经历的大气条件，运行这种网络可实现阵
风位置的实时和历史映射，启用动态的路径选择和抵达程序，最大限度降低遭遇阵风的几率。这种详细且
高度分散的天气采样类型还能提高当地天气预报的准确性。目前，航空天气信息还不能利用其他机队天气
数据提供局部地点的准确天气状况，让飞行员在非最佳天气条件下更自信地执行短途飞行。
62
安全
将安检无缝融入到 VTOL 顺利运营。基于应用程序的运营商具有独特的优势，可利用我们的技术来整合和
最大限度地减少任何安全要求带来的不便，同时减少乘客目前在乘坐飞机时所经历的耗时步骤。例如，我
们在匹兹堡的自动驾驶汽车后座设有平板电脑，将来它可用于验证乘客身份，车内不需要任何人为监督。
此外，验证乘客身份和相关偏好所需的数据可能会继续作为拼机提供商移动应用程序的一部分；因此，运
营商可以开发类似于 FAA TSA PreCheck87的系统，在通过机器学习和其他输入数据确定乘客为低风险乘
客时，允许简化安检程序，让乘客快速通过机场安检。虽然第 135 部规定，VTOL 飞机运营不要求像乘客
乘坐商业航空公司航班那样的安检水平，但 VTOL 运营希望研究飞行前由技术支持的安检与合理的地面安
全参数的理想组合方式，从而为乘客打造安全无忧、愉快的旅程。
87 https://www.tsa.gov/precheck
63
采纳公众意见
运营商、城市和国家政府、监管机构和社区将仔细考虑 VTOL 及其垂直起落场/垂直起落站对当地社区的影
响。无人机技术的出现及其日益广泛的使用已经带来了一些问题，这将对 VTOL 在城市环境的发展起到指
导作用。对于无疑会影响飞机和基础设施设计与运营的问题，当地社区将给予有价值的反馈。就 VTOL 问
题与潜在用户和当地社区开展对话能让运营商、监管机构、飞机制造商和社区与潜在用户和当地社区分享
这种潜在的变革性交通解决方案的发展。相反，如果运营商、政府机构、飞机设计者、监管机构和其他利
益相关者从这场探索一开始就没有与正在从这种新型飞机中受益并为其作出贡献的人群进行有效接触，我
们就会错过一个重大机会。如果用户和当地社区没有看到 VTOL 在改善他们生活方面的潜在应用价值，那
么他们对 VTOL 运营的支持将有限。社区甚至可以采取各种各样的手段（最突出的是分区流程）延迟、限
制甚至禁止运营活动。
社区必然会想要了解 VTOL（以及运营商、决策者和监管机构）如何应对下面这些挑战。
● 安全及安保。虽然安全主要是联邦监管机构关注的问题，但社区也会对安全问题有所担忧。运营商
需要传达 VTOL 设计中固有的保障措施来建立所需的信任水平。当地社区也会关注这些飞机的安
全性，包括它们易受劫持和黑客攻击的弱点。地方执法和国家运输安全机构必须密切参与所有新
VTOL 服务的运营细节，但当地社区也要全面了解已经实施的安全保障措施。虽然最初并非全自动
飞行，但 VTOL 本身是由轨迹控制而不是由状态控制的，这意味着如果需要，可以远程修改飞行
路径。通过适当的网络安全保障措施，可以在紧急情况下提供由远程飞行员接管机载飞行员的功能。
运营商会了解到，垂直起落场和垂直起落站将成为城市景观的新特征或更显著的特征。确保这些站
点的安全和安保以实现运营目的和无缝低调地融入城市结构，这无疑将是当地社区、地方执法机构、
国家安全机构和网络运营商共同努力的结果。
● 噪音。航空给社区带来的主要问题之一就是噪音。在机场周围建造新的垂直起落场/垂直起落站或
改变飞行模式是可以理解的，也是重要的问题。必须确定为了享受到 VTOL 带来的利益（例如缩
短通勤时间的可能性），社区可以接受什么样的噪音水平，无论是来自 VTOL 运营还是与之相关
的垂直起落场周边交通流量增加。每个社区都有一个独特的声音场景，这是在这里生活和工作的人
们日常生活的一部分，因此在提供 VTOL 服务的同时不会带来明显的声音影响十分重要。这需要
在飞机设计、着陆点和路线规划之间进行规划和密切协调，并动态调度每次飞行。基础设施选址和
VTOL 运营模式规划将依靠实际声音监测确保飞行模式能够在不超过终点和飞行航线的目标噪音水
平的情况下完成。通过实时测量生理音量和扰人时段，动态操作规划可制定相应的社区噪音标准。
凭借动态噪音测量和操作规划，运营商可以在距离相等的前提下将交通量引导到噪音较高的备用起
落场（最近的航班较少或背景噪音水平较高）而不是较安静的位置。
● 视觉污染。虽然 VTOL 在起飞和着陆期间清晰可见，但在起落点之间更高的高度飞行时，它们对
城市天际和自然美景的影响将难以想象。我们可以进行模拟，从地面上站立的人的视角建立不同
VTOL 密度的视觉模型，确定具体地点面临的挑战。视觉污染问题可以通过修改行程路线来解决，
以避开特别重要的景观或将交通量汇入现有的通勤通道（如上述高速公路）。
64
● 隐私。社区已对无人机带来的隐私问题采取行动，迫于民众压力，美国各州的立法机构颁布了新的
法律。由于 VTOL 大部分时间都处在高空，涉及隐私问题的主要是 VTOL 降落或起飞的过程。运
营商需要动态且精确地将每个航班路线设置在较不敏感的区域，确保始终在私人领地之上留有适当
的距离。在美国，在飞越人口密集地区时，固定翼飞机的飞行高度为最高的障碍物上方 1,000 英
尺到 2,000 英尺之间。在人口较少的地区，高度限制为 500 英尺（在这两种情况下都需要遵循所
有其他空域限制），而直升机不受这些限制约束。
65
乘客体验
优步以客户为中心，这意味着我们会不断努力了解客户所重视的因素，然后尽力实现客户的期望。之所以
创立优步，正是因为我们希望将人们每一次乘车出行的过程变成一种神奇的体验。
在研究商业和个人航空市场时，我们发现消费者要面对许多同样的难题。从面对复杂行程轻松确定具有成
本竞争力的航班方案，到效率低下的安检和登机前程序，再到飞行体验的日益商品化，普通消费者几乎无
法获得轻松愉快的端到端飞行体验。为了发挥按需城市交通的全部潜力，运营商需要将这种体验融入到多
模式交通方案中，确保 VTOL 方案与消费者在城市内和城市周边的工作或休闲出行方式无缝结合，使出行
方式的选择更加广泛。预约、登机、旅途和到达体验必须能够解决当前乘客体验方面的难题，但还要进一
步考虑到小型飞机应如何满足从未体验过当今直升机或小型通用航空飞机的消费者的需求，并提升他们的
飞行体验。
我们深切关注电动 VTOL、基础设施和运营如何共同创造用户体验。在我们今天的核心业务中，合作车主
是独立的承包商，他们使用自己的汽车，所以我们为合作车主提供指导和激励措施，帮助确保他们的乘客
拥有始终平稳且舒适的旅程。借助自动驾驶汽车，我们可以直接详细列举行程中乘客体验的更多方面。这
包括对车辆内外部的美观性、性能和舒适性实现标准化，对温度等环境因素和音频/视频内容实现个性化定
制，以及提供新的用户界面，例如我们目前在自动驾驶车辆后座提供平板电脑，可为乘客提供相关信息和
控制功能。鉴于 VTOL 比汽车更昂贵，操作更复杂，我们预计部署在拼机网络中的 VTOL 的所有者并非个
人，而是运营商。这样一来，像优步这样的拼机运营商能够决定与自动驾驶汽车类似程度的旅途体验，即
使是由飞行员驾驶的 VTOL 也不例外。以下几部分描绘了端到端乘客体验的可能情形。
66
预约体验
如前面基础设施部分所述，任何服务区域中垂直起落场的密度都可能受到扩建边缘基础设施的投资回报的
限制。因此，可通过 VTOL 提高时间效率的长途行程可能并非总是完全点对点的。相反，这些行程在一定
程度上将是多模式联运。最好的情况下，乘客可以步行前往/离开每个垂直起落场/垂直起落站；最坏的情
况下，乘客可在 VTOL 行程前后乘坐优步地面车辆。
乘客已经习惯于将拼车作为其他交通工具的补充手段。在伦敦上午的高峰时段，30% 的优步车辆在外围城
市自治区行驶，距离地铁或火车站不到 200 米；在波特兰，四分之一优步行程的起点或终点都在公共交通
站附近。在世界各地所有的优步订单中，有近六分之一是往返机场的行程。在纽约市，我们已经开始要求
优步拼车乘客步行 250 米乘车，因为我们发现这样能有效提高网络利用率。乘客们很愿意这样做，因为我
们可以为这些行程提供较低的价格且预计抵达时间更早。
我们认为应用程序内的 Uber VTOL 体验将可以清楚比较搭乘 VTOL 与乘坐汽车在时间和价格方面的优势，
正如我们目前提供的优选轿车与优步拼车服务之间的比较一样。用户选择 VTOL 时，应用程序将显示行程，
并根据需要按顺序列出任一端的步行和乘车距离。
登机体验
搭乘 VTOL 行程应该是一种直观、愉快的体验，让任何乘客几乎无需帮助就可轻松登机。我们预计，许多
城市的 VTOL 行程将在垂直起落场和垂直起落站开始和结束，这些站点可能坐落在停车场和高层建筑物等
常见建筑的顶部。例如，在停车楼中，客户可以在抵达/出发门的入口处下车。或者，如果客户是步行，他
们可以通过建筑物的楼梯或电梯直接到达该门处。这种大门结构可在在用的 VTOL 抵达/出发处和客户之间
提供必要的安全屏障，并规避各种影响因素。某些地点可能设有客户设施，例如洗手间和茶点，还有简报、
指导信息和指示牌，可帮助乘客了解行程的相关信息。
这些地方会设置一些标识，清楚指引乘客在乘坐 VTOL 时要前往哪里登机或下机以及需要做什么。有的垂
直起落场配备多个直升机停机坪，那么我们便会指引乘客前往相应的登机口乘坐 VTOL。在前往登机口途
中，我们设计了一个快速顺畅的流程，在此过程中一次性完成乘客身份确认、安检甚至乘客及其行李称重
（如果需要）等工作。或者，在乘客携带行李登上 VTOL 后，在飞机的飞行前检查过程中通过嵌入式起落
架偏转传感器对乘客和行李进行称重。当 VTOL 在停机坪就绪后，我们会将确认了身份的乘客通过自动门
引领到飞机所在区域，乘客需要步行一小段距离前往要乘坐的 VTOL 的标记通道。由于使用了电机，VTOL
的旋翼就像直升机一样，即刻开始或停止旋转，因此不会有任何延误；VTOL 也不需要像其他飞机一样在
地面滑行很长一段距离，因此能够快速转向。乘客到达 VTOL 所在的区域后，便会登机，系上安全带；经
过快速简短的飞行前检查之后，VTOL 就会启动，先是垂直上升一小段距离，然后转向向前飞行，直达目
的地。
旅途体验
现如今的直升机在噪音、振动和声振粗糙度 (NVH) 方面的表现均未达到令消费者满意且愿意将其作为日常
67
飞机的水平。NVH 居高不下主要归因于直升机的大型旋翼及其负荷的循环变化，这些都是直升机的固有特
性。VTOL 必须更换成多个小型旋翼，以减轻循环负荷作用下的振动。如今，虽然直升机通过降噪耳机解
决了客舱噪音问题，但我们不希望乘客在日常通勤中佩戴这样的东西。舱内噪音很可能随外部噪音变化而
变化，VTOL 在一开始就达到 15 分贝或比现如今的直升机更低的噪音水平，距离区域商用飞机的标准更
近了一步。
VTOL 还必须能够实现出色的乘坐质量，避免因颠簸而导致乘客不适。事实证明，乘坐质量与机翼负荷/旋
翼桨盘负荷高度相关88。当机翼负荷较低时，飞机遇到阵风就会发生颠簸；而当机翼负荷/旋翼桨盘负荷较
高时，即使遇到阵风，VTOL 也能相对平稳地飞行。在低空飞行时，最大限度地减少阵风颠簸尤为重要，
特别是低空的天气状况变化无常，使得减少阵风颠簸至关重要。在 VTOL、传感器功能和航电系统的长期
发展过程中，我们相信有可能将多普勒雷达或光学雷达 (LIDAR) 与数⫿电传操纵系统控制和 DEP 结合起
来，从而实现快速的高带宽，缓解阵风影响，并为乘客打造平稳的乘坐体验。
在可能的情况下，应尽量加大地面的进出门的尺寸，以保证乘客能够方便地进出 VTOL。乘客的位置还必
须位于靠近飞机重心的位置，以减小纵向和横向加速度，从而防止乘客晕机。此外，悬停时的地面相互作
用流也会影响乘坐质量，还有可能引起飞机振动。这可能导致视觉刺激引发的晕机，因为在进近和起飞期
间，地面相对于飞机移动提供了清晰的参照物。如果飞机配置能够有足够的控制力控制所有飞行阶段的俯
仰、摇摆和偏航轴运动，那么提供快速的控制响应速度或许能解决这一问题。此外，飞机机舱也至少为乘
客提供实时行程信息，包括所在位置和行程剩余时间，以及在使用自动驾驶时的其他监控功能。
在建设 VTOL 网络的过程中，使行动不便人士能够无障碍使用是其中一个重要的考虑方面。最初，VTOL
可能无法满足所有无障碍需求，但是随着时间推移，VTOL 网络不断发展，飞机功能不断完善，该服务将
能满足更多乘客的乘坐需求，一些市场还将推出量身打造的服务，提供无障碍设计的飞机和垂直起落场
（类似于汽车的 UberWAV 服务）。
我们知道，最佳用户体验（从预订到下机）因市场而异，因为运营 VTOL 的每个市场的基础设施局限性和
社会环境都有所不同。此外，我们设想 5-10 年后，VTOL 机队可能会在全世界的很多城市广泛部署，因
此我们相信，随着城市、个人技术和城市流动的不断发展变化，优步需要保证我们的网络基础设施设计和
与乘客的互动方式能够经得起未来检验。我们期待与用户和社区群体进行广泛互动，从最初便开始探索这
些主题并了解各种潜在的影响。
88 http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19840012087.pdf
68
经济意义
VTOL 飞机能够让乘客以更快的速度从出发点到达目的地，比目前的汽车速度甚至是未来的自动驾驶汽车
都要快得多。在最初阶段，考虑到在 VTOL 服务投入运营后长距离行程的净节约时间更多，以及可能面临
的基础设施限制，VTOL 可能在满足远距离通勤需求上更为有效。我们认为，初始的 VTOL 行程比较适合
愿意为了节约时间而付出较高成本和/或牺牲个人空间的通勤者。不过，我们坚信，要完成我们的使命，随
着时间推移，城市航空运输必须能够服务任何地方的任何人，并达到与同类汽车拼车服务相当水平的服务
范围和价格水平。为了实现这一目标，VTOL 的运输选项无论在行程时间还是成本上都必须比汽车（私家
车或出租车）更有竞争优势。
为了解交通工具、更广泛的网络和交通成本对于通勤者的潜在经济意义，我们首先进行了运输效率方面的
物理学研究。在后面的部分中，我们首先对飞机和汽车的运动效率进行对比分析，设定的具体情景如下：
两种运输方式均受自身物理系统和日常行程的后勤工作效率低下所累。然后，我们从以下方面详细阐述了
我们对 VTOL 网络的自下而上的经济模型的假设：飞机的使用情况（利用率、载客率、路线规划）、资本
费用（飞机成本、寿命和基础设施）以及运营费用（飞行员、维护、间接支出）。
运动效率
在交通运输中，运动效率指的是交通工具行驶一段距离所需的能量。计算方法是用行驶所需的功率除以行
驶速度，相当于交通工具行驶一段距离所需力的反力（因为功率是力和速度共同作用的产物）。
计算汽车的运动效率需要确定汽车在行车速度下所受到的阻力。汽车受到两个主要阻力，分别是汽车在行
驶中受到的空气动力摩擦阻力（通常称为“寄生阻力”）和由轮胎和地面之间的摩擦力引起的滚动阻力。89对
于一辆以大约 50 英里每小时的速度行驶的普通汽车而言，这两个阻力的大小相当。若车速降低，空气动
力摩擦阻力就会低于滚动阻力。若车速提升，空气动力摩擦阻力则更高，因为汽车需要更大的力才能在空
气中行进。
汽车的很大一部分空气动力摩擦阻力来自敞开的轮窝、线条不流畅的后车身、后视镜和保险杠，而所有这
些都是汽车履行其使命的必需组成部分。另一个主要阻力来自汽车底盘，它接近地面，在车辆行驶时与地
面之间形成一个受限制的通道流，从而产生额外的空气动力阻力。一些汽车已经实现了较低的空气动力摩
擦阻力，通常使用“平板阻力”这一术语来衡量。90平板阻力相当于将一个平板垂直放置于以相同速度运行的
气流中，该平板所受到的阻力。
滚动阻力由汽车重量以及汽车行驶时的摩擦系数（即轮胎的光滑程度）共同决定。由于汽车抓地和刹车都
需要摩擦力，因此在设计轮胎时会有意加大滚动阻力系数。
89 http://wps.aw.com/wps/media/objects/877/898586/topics/topic02.pdf
90 https://en.wikipedia.org/wiki/Drag_coefficient
69
这样的结果是，一辆以大约 30 英里每小时的平均速度行驶的普通内燃汽车可以达到大约 1 英里/千瓦时的
运动效率，而一辆普通电动汽车则可以实现高得多的运动效率，因为电动动力系统的效率大约是内燃动力
系统的三倍（因而在发动时只需内燃动力系统三分之一的动力）。
同理，要确定 VTOL 的运动效率，需要确定飞机在相应速度下飞行时所受到的阻力。巡航时，VTOL 受到
两个主要阻力，即空气动力摩擦阻力和飞机抬升所受的阻力（通常称为“诱导阻力”）。当飞机的空气动力摩
擦阻力与诱导（抬升）阻力相同时，则达到最高巡航效率。若飞行速度降低，空气动力摩擦阻力会降低，
而诱导阻力会升高。若飞行速度提升，空气动力摩擦阻力会升高，而诱导（抬升）阻力会降低。
在设计方面，飞机的空气动力摩擦阻力（或平板阻力）要大大低于汽车，这样才能最大限度地减少飞机在
高速飞行时所需的功率。这是有可能实现的，因为飞机没有像汽车那样的功能要求（不需要后视镜、敞开
的轮窝、线条不流畅的后车身、保险杠）。Stoddard-Hamilton Glasair III 这样的低阻力两人座飞机的平
板阻力为 1.7，不及 GM EV1（3.9 平方英尺，汽车达到的最低阻力水平之一）的一半。Cirrus SR-22 或
Pipistrel Panthera 这样的新型四人座飞机的平板阻力分别是 3.4 到 2.6，也都是相当于 Tesla Model S
（6.2 平方英尺）大约一半的水平。然而，普通飞机可以在空气密度较低（因而空气动力摩擦阻力较低）
的高空飞行而从中受益，这是 VTOL 飞机无法实现的，因为 VTOL 飞机只能在 1,000 到 5,000 英尺的高
度区间内飞行。
VTOL 的诱导阻力来自其自身重量，因为诱导阻力取决于飞机需要多大的抬升力。飞机一般之所以比汽车
造价更昂贵，其中一个原因是飞机的重量要更轻（现代小型飞机一般采用碳纤维复合材料制造），以减小
诱导阻力。电动飞机的能量⬀储系统重量很大，视飞机的计划飞行里程而定。借助当前的电池技术，飞行
里程为 100 英里并符合 FAA 储备要求的 VTOL 在重量上已经与一般小型飞机里程（例如 500 英里）的
飞机不相上下了。若将 VTOL 的里程设计为 200 英里或以上，则电池能量⬀储系统将造成显著的重量负
担（除非电池比能有所提高）。
这样一来，对于空气动力效率水平与之前提到的 SR-22 相当的电动 VTOL，它在大约 125 英里每小时的
最佳航速下可以达到大约 2 英里/千瓦时的运动效率。虽然这一效率仍不及电动汽车，但在任何合理的运动
效率下，VTOL 的飞行速度都要比电动汽车的行驶速度快得多。上述对汽车和 VTOL 的比较仅考虑在特定
速度下行驶所需的能量，没有将汽车（加速）或 VTOL（起飞）时需要额外能量的情况考虑在内。尤其是
VTOL 在抬升和加速进入巡航状态过程中需要消耗大量的能量。
比较分析
我们利用电动豪华汽车（如 Tesla Model S）的特点以及电动 VTOL（Joby Aviation S4 飞机）的估算值，
分别模拟了汽车和 VTOL 行驶 50 英里的运动效率。我们还将 VTOL 的效率模型校准为最先进的小型飞机
（如 Pipistrel Panthera 等），此效率模型与现如今的直升机完全不同。我们假定 VTOL 的巡航效率约是
直升机的三倍，因为利用机翼升力而非旋翼飞行可以实现较高的巡航效率，关于这一点我们已在前面的“飞
机设计”部分中讨论过。在较短的航程中，VTOL 的每英里能效较低，因为它在更高效的巡航模式下飞行的
时长较短，而垂直起飞和降落所需的功率不变。因此，有交通工具自身负担的 VTOL 在较长航程中的运动
效率会提高，而在较短航程中的运动效率则会降低。
70
我们在三种不同情况下对各种速度范围的 VTOL 和汽车进行了比较：
1. 理想情况：仅代表飞机在巡航速度下某一时刻的效率。
2. 交通工具负担：代表汽车在遇到交通信号灯/停车标志时多次加速和刹车所需额外能量相关的交通
工具低效性，以及 VTOL 起飞、加速到巡航速度以及垂直降落所需额外能量相关的交通工具低效
性。
3. 行程负担：代表汽车在交通拥堵中的行程低效性，以及 VTOL 在大多数行程中的超过最短航线的
行程。
交通工具负担
我们假定汽车和 VTOL 均为高效率的电动交通工具，因此电机效率不会影响分析结果。汽车⬀在额外的动
力传动系统和变速箱损耗，VTOL 虽没有此类损耗，但螺旋桨⬀在类似的推动效率损耗。因此，在此分析
中，我们将上述低效表现视为相当。
在一次 50 英里的行程中，除了巡航能量之外，VTOL 垂直起飞和降落还需要消耗大约 50% 的额外能量。
VTOL 消耗的这部分额外能量比当前的直升机高，因为 VTOL 并非使用大型旋翼来使飞机的设计提供更优
的悬停效率，而是可以专注于实现低噪音和高巡航效率。91我们假定 VTOL 的起飞和降落用时均不到一分
钟，因为它们只能在指定的垂直起落场降落，而不能像直升机那样可以灵活地在几乎任何地方的无准备位
置降落。VTOL 消耗的能量更高的另一个原因是电池的额外重量92，尽管电机重量目前已经达到航空活塞发
动机的大约五分之一。93由于 VTOL 只能攀升到至多海拔几千英尺的高度，而且降落可以恢复大部分势能，
因此不需要额外增加攀升的能耗。
行程负担
优步的行程数据分析表明，优选轿车的行程是起始地和目的地之间的半正矢距离的 1.42 倍。因此，我们
将 1 英里的 VTOL 行程称为 1.42 英里汽车行程的“地面里程当量”。为了进行运动效率比较分析，我们还
通过根据汽车平均速度下的车队估算值进行校准，评定出了额外损耗因数 1.1 来表述汽车在拥堵行程中的
低效性。
我们认为这些假设都是合理的，因为罗宾逊直升机通过在与汽车行程对比时采用 1.5 倍因数，在其运营成
本构成中体现了相同的要素。94NASA 对一般硅谷行程进行取样发现，地面行程的行程是航空行程的 1.35
倍。NASA 在每趟 VTOL 行程结束时均额外计入一英里的地面行程，以将往返于垂直起落场/站的行程考虑
在内，但是这段距离会随着基础设施密度的增加而不断缩短。
91 例如，Robinson R-44 四座直升机需要 185 千瓦就能起飞；然而，VTOL 的分析中提到其起飞功率的假定值为 500 千瓦。
92 R-44 是使用 100 低铅航空燃料的活塞引擎，重 2500 磅，而 VTOL 的假定重量为 4000 磅。VTOL 之所以重量更大，是因为电
池（假定电池组水平要达到 400 Wh/kg 比能）
93 http://www.engineering.com/ElectronicsDesign/ElectronicsDesignArticles/ArticleID/12805/Inside-Siemens-RecordBreaking-Electric-Aircraft-Motor.aspx
94 http://robinsonheli.com/price_lists_eocs/r44_2_eoc.pdf
71
对比结果显示如下，其中包括在不同速度下对汽车和 VTOL 进行的三种情况（理想情况、交通工具负担和
行程负担）对比分析。
车辆与 VTOL 出行效率对比
在高度乐观的情况下（即汽车以 65 英里每小时的平均速度驶完整个行程，但事实上极少人能够从起始地
直接驶上高速公路，因此这是不现实的），分析结果显示，以时速 65 英里行驶的汽车的运动效率与以时
速 125 英里行驶的 VTOL 的运动效率相同。在较高的汽车和 VTOL 速度下，VTOL 的运动效率比汽车高，
但两者的运动效率均较低。电动 VTOL 提供了一种效率相当于或者高于高速行驶的汽车的交通方式。
此分析仅考虑 50 英里行程的情况。对于距离更远的行程，VTOL 将在更长的行程中保持高巡航效率，因
此与汽车相比更有竞争力。对于距离更短的行程，VTOL 在加速/起飞时的负担因数较高，导致运动效率降
低，因此与汽车相比，竞争力有所下降。
72
随着电动交通技术不断改进（例如，电机和电池的重量更轻），VTOL 的运动效率与汽车相比将更有竞争
力。未来可能发生的任何地面交通拥堵都会降低汽车的运动效率，但是对于 VTOL 而言，它要达到怎样的
运营规模才会发生类似的航线或垂直起落场拥堵，从而导致非直达航线损失目前还不得而知。
垂直起落场的数量和分布，以及空域限制的影响/影响飞行天气的频繁发生都会改变行程负担分析结果，这
些是探索 VTOL 在特定地区的运营前景时必须考虑的重要因素。
73
经济模型
我们通过与正在开展 VTOL 研究的相关人员进行密切磋商，制定了一套属性来定义 VTOL，以便我们围绕
这些属性建立模型和假设。在我们的经济模型中，我们假设 VTOL 由以下部分构成：
● 容量：4 座容量（包括飞行员，如果有的话）
● 载客率：拼机将由购票乘客实现平均 67% 的创收座位率
● 飞机总重：4,000 磅
● 电池：400 Wh/kg 比能电池，2,000 次循环寿命，
● 功率：起飞时的 500 千瓦短期功率，起飞和降落时的 1 分钟全功率，
○ 150 英里每小时的巡航速度需要 71 千瓦功率，200 英里每小时的速度需要 120 千瓦，
● 利用率：年利用率为 2,080 小时
● 电量成本：每千瓦时电量的成本为 0.12 美元
除上述假设外，我们还在下文进一步设定了三种情况，从驾驶成本、飞机价格和电池成本这些方面探索
基于时间的假设的敏感性。我们推测出我们的模型在每种情况下的每英里行程成本，并与当前搭乘优步或
拥有一辆交通工具的成本进行对比。
我们就以下每种假设进行了更加详尽的讨论。
74
交通工具的使用情况
交通工具的利用率
私家车每年仅使用几百小时，而普通商用直升机每年约使用 300 小时，通用航空飞机每年约使用 110 小
时。95如此低的使用率使交通工具成本只有在不多的小时数之间摊销，从而导致交通工具成本占总体经营成
本的很大一部分。而在利用率频谱的另一端，拼车或商业航空拼机等模式可实现极高的使用率，达到每年
3,000 到 5,000 小时。
保持飞机的高利用率是我们的运营和经济模型的关键假设。电动飞机由于能耗低，因此直接运营成本非常
低，然而充电在决定 VTOL 能够提供多少小时的航班服务中起着重要作用。每年 2,080 个飞行小时数的假
设是根据飞机在一年 260 天每个工作日上午 6 点到晚上 10 点之间有一半时间（8 小时/天）处于飞行就
绪状态计算得出的。由于 VTOL 的购买价格相对较高，因此将资本费用摊销到一年中尽可能多的飞行小时
数中至关重要。因为假设的利用率较高，因此在我们的模型中，飞机的折旧/融资成本仅为基准直接运营成
本的 10% 左右。由此可见，飞机的利用率与可接受的飞机购置价格（如下所述）紧密相关。
飞机效率/能源使用
分布式电力推进 (DEP) 技术利用电机的尺度不变特性96，实现任何尺寸的高比能和效率，此外，通过结合
电机的紧凑性和高可靠性，DEP 使推力能够在机身上得到最佳定位，从而增强空气动力和控制特性。西门
子和其他欧洲公司在电力推进方面取得的技术进步已经实现了与涡轮机相当的比能，效率却是小型直升机
涡轮轴引擎的三倍以上。通过应用到新型的 X- 飞机的飞行展示机（如 NASA Maxwell X-57）中，DEP
将通用航空常规起飞和降落 (CTOL) 飞机的效率提高了五倍97。
重要的是，显著的效率改进将成为可能，因为 DEP 能够使固定翼 VTOL 飞机克服了直升机依靠旋翼倾角
飞行的根本性局限，并且机翼提供的抬升效率比旋翼要高得多。由于直升机的空气动力效率极差，比
CTOL 飞机低得多，因此，DEP VTOL 飞机的效率可以达到现有直升机的十倍。
实现飞机的高运营效率是降低能源成本的关键，因为这决定了电池的大小，而电池的大小对飞机的重量和
续航航程有很大影响。我们假定航行任务是由两次 50 英里的行程构成的连续行程： VTOL 分别在两个地
点飞机和降落，期间在每个站点停留 10 分钟并快速充电。假设电池能量为 140 千瓦时，可以在下次充电
之前顺利完成这两次行程，同时它的能量也足以满足 IFR 关于储⬀可提供 30 分钟最低巡航功率和短途绕
行到备用降落地点所需功率的能源方面的规定。电池的最后 20% 的电量将仅在需要使用备用能源时使用，
以使电池实现长达 2,000 次的充放电周期。两次行程结束后，VTOL 将至少充电 30 分钟，才能执行下一
次行程。
电价与其他能量的定价结构不同，不仅取决于电量，还取决于每月的电量需求高峰。如果供电中心的电力
供应量较低，但正值电力需求高峰，那么每千瓦时的费率可能就高得多。在这种情况下，我们不得不考虑
95 https://www.faa.gov/data_research/aviation_data_statistics/general_aviation/
96 文中的“尺度不变”指的是在 VTOL 设计中增加电机的数量本质上不会产生不利影响。因为增加的电机带来的能量显然远远超出自身
重量，并且相互之间不需要机械连接。
97 Borer ， Nicholas ， NASA SCEPTOR 分 布 式 电 力 推 进 飞 行 展 示 机 的 设 计 与 性 能 ，
http://arc.aiaa.org/doi/pdfplus/10.2514/6.2016-3920
75
在垂直起落场采用更加明智的本地能量⬀储解决方案（例如，地面电池组）来聚合电网能量并缓解需求高
峰。不过，在本次分析中，我们预计美国的每千瓦时费率为 0.12 美元，并以这一价格来计算98电动动力系
统的电力成本，该系统的效率达 92%，在 150 英里每小时的速度下空气动力效率的升阻比 (L/D) 为 17，
在 200 英里每小时的速度下空气动力效率的升阻比为 13。最终的能量成本模拟为基准直接运营成本的
12% 左右。
交通工具的载客率
交通工具的载客率决定平均有多少创收乘客乘坐该飞机。大型商业航班可达到 90% 以上的载客率，因为此
类航班使用轴辐式系统，让尽可能多的乘客前往少数地点乘坐飞机。地区航空公司则无法实现同样的载客
效率，载客率一般为 70% 左右。汽车的载客率非常低，一辆汽车通常只有一名乘客，且一般为短途行程，
若是长途行程，载客率则升至一辆汽车 1.6 到 1.7 名乘客。我们假设 VTOL 拼机能使载客率达到 67%，
在试行初期和短期内为三个座位，长期则为四个座位。
地面-空中的等量里程数（实际出行距离）
乘坐 VTOL 出行的行程路线更加接近直线。目前，直升机制造商（如罗宾逊）使用 1.5 倍因数表示直升机
航行里程数与汽车在地面道路上行驶的间接里程数相比而言减少的里程数。现在，优步在旧金山湾区的行
程里程比起始地和目的地之间的半正矢路线长 42%，从而形成了 VTOL 飞机里程与地面等量里程的区别。
也就是说，VTOL 不提供门到门服务，而由地面的汽车进行补充，提供第一英里/最后一英里的接驳服务。
如此一来，真正意义上的直达行程的优势平均不足直线行程的 42%；据 NASA 估测，旧金山湾区的一次
VTOL 行程优势比地面行程高约 35%。最有效的方法可能是采取折中的方法，根据特定的城市地理情况
（桥梁和其他地面交通限制会显著增加路线的曲折程度）合理使用两种交通方式。我们假设汽车的地面行
程是 VTOL 行程的 1.42 倍。此假设与城市中接近所需出行地点的垂直起落场分布和数量有关。
空返率
对于出租车或共乘交通工具，返程以接载下一名付费乘客的路途中会有一部分无收入（空返）里程。此数
据称为“空返”率。对于 VTOL，空返率与飞机前往另一个垂直起落场就位以接载下一名乘客的飞行里程有关。
该数据很大程度上取决于机队规模及其服务的地理区域。先前一些公司（如 DayJet）在建设空中出租车的
过程，大量的空返行程大大增加了公司的成本，此类公司运营的飞机能够长途飞行，可服务较大的地理区
域（美国西南部），但是飞机数量相对较少。由于业务主要限定在小型都市区（主要城区的直径为 100 英
里），需要通过部署足够大的机队规模实现不同地点之间运营资源的均匀性，我们假设有 20% 的 VTOL
航班（在所有三种情况下）是无收入的返程航班。通勤趋势往往是交通高峰期的单向行程，这就造成部分
航班需要在没有乘客的情况下返程。不过，如果采用能够鼓励搭乘返程航班的灵活（较低）成本结构，便
可进一步降低潜在的空返率，来收回这类行程的部分飞机成本。
98 工业用户（月用电大户）的平均电价为 0.07 美元，但由于城区的电费通常较高，以及人们在高峰时段使用以及高峰充电负载等因
素，我们保守估计电费会提高至 0.12 美元/千瓦时，这也是近期的家庭用电价格。
76
资本费用
飞机的购置成本
一个重要问题是，VTOL 能否达到低于现今商用直升机的价格。如果 VTOL 价格昂贵，那么消费者会认为
不值得购买，其市场规模会因此而受限，继而进一步限制 VTOL 的产量。这种滚雪球效应将使 VTOL 局限
为富人消费的家庭式工业，和兰博基尼没有什么不同。虽然直升机已问世数十年，但其商业吸引力仍无法
打破低产量、高成本的循环。事实上，2016 年全球的非军用旋翼飞机总产量预计仅为 1,050 台99。
旋翼飞机的价格主要取决于产量（除了基于不同
类型的引擎、航电系统和其他投入的基本成本）。
但是，由于消费者需求的不确定性，制造商很难
实现有意义的规模经济，从而导致价格居高不下，
需求一直萎靡不振。在 2015 年，Robinson R-
44 活塞引擎直升机（价格为 473,000 美元）的
产量达到了 196 台，是当年所有直升机种产量
最高的机型，而基本款 Bell 206 涡轮轴直升机
（价格在 900,000 以上）仅生产了 12 台。航
空航天和汽车产品的一般学习曲线是 85%，意味
着每重复制造一台飞机，成本下降 15%。如果所
有部件均相同（相同的引擎、相同的组件），仅
产量有所变化，那么对于一款价格为 90 万美元、
年产量为 12 台的飞机而言，如果一年生产 192
台，那么每台的成本为 46.9 万美元；如果一年生产 1,536 台，那么每台的成本为 28.8 万美元；如果一
年生产 6,144 台，那么每台的成本为 20.8 万美元。以产量非常低的汽车为例，如 Aston Martin DB-9
的年产量约为 1,500 台，价格为 23.8 万美元。
显然，除了数量之外，还有很多细节方面决定了飞机的最终价格。光是活塞引擎和涡轮轴引擎的成本差别
就达到数十万美元。但是很显然，如果一件产品由人工花费数千小时制造而成，并且在如此低效的情况下
进行有限加工，那么在庞大的消费市场实现有竞争力的价格是非常困难的。飞机的产量在很大程度上取决
于市场以及实施的机队规模。还有其他不确定的成本⬀在于 VTOL 的许多组件中，尤其是垂直起降系统和
电力推进系统。由于这种不确定性，我们估测了几种不同的 VTOL 价格：初始阶段为 120 万美元，短期
内为 60 万美元，长期则为 20 万美元。进行这次敏感性分析有利于更好地理解不确定的产量和组件成本
带来的影响。
我们并非要证明一台 VTOL 的价格；我们的目标是在飞机、基础设施和市政批准等一切就绪后在许多城市
部署 VTOL 机队。这样大规模的部署需要 VTOL 的产量达到比现有的直升机产量更高的水平。对于初始阶
段的价格，因为该阶段使用的是标配版 Bell 206（包括 IFR 航电系统），成本为 120 万美元，年产量为
12 台，因此这个价格是合理的。要实现 60 万美元的短期价格，年产量可能需要达到 500 台左右；要实
99 https://www.theatlas.com/charts/HkcxY-qY；Forecast International
77
现 20 万美元的价格，年产量可能需要达到 5,000 台左右。实现如此高的产量将为垂直起降行业（甚至整
个航空航天工业）带来变革。自 1946 年十多种机型的小型飞机的总产量飙升至 48,000 台以来，没有哪
一种飞机达到如此高的产量。二战后的高产量是行业向民用市场进军的用途调整所引发的，一时间大量飞
行员涌入市场。从此之后，飞机的年产量急剧减少，生产量再也没有达到 1946 年的水平。
交通工具的使用寿命
汽车的使用寿命最多为 25 万英里，飞机和直升机的使用寿命则要长得多。我们假定 VTOL 的使用寿命比
汽车长，这样成本就能摊销到更长的时间周期内。假设使用寿命为 25,000-27,000 小时的 VTOL 能够服
务 13 年，每年使用 2,080 小时。那么，一台 VTOL 每年可以提供 40 万英里服务，在整个生命周期可以
提供大约 500 万英里服务，然后以 30% 的剩余价值回收。由此看来，一台 VTOL 在生命周期中提供的价
值比汽车高约 20 倍，然而，此假设可能偏高，需要在许多制造商之间进行评估，以更好地了解它在相对
较长的生命周期中⬀在的隐含成本。
商用飞机和私家车的平均使用寿命分别为 32 年和 10 年。我们预计，造价为 20 万美元的自动驾驶 VTOL
可以飞行多达 500 万英里，年检修费在 9-9.5 万美元之间。这样，按每年飞行 2,080 小时估计，VTOL
的使用寿命可达到 13 年。另一方面，如果一辆汽车行驶 25 万英里，则使用寿命只有 3 年。
78
基础设施负担
要保证最大限度上体现节省时间的优势并实现高效的系统吞吐率，城市空中交通网络需要部署大量分布式
起飞和降落地点。我们根据一个分布于 3-4 个城市的初始机队（即 1000 架 VTOL），以及共计 83 个垂
直起落场（每个可一次容纳最多 12 架 VTOL）模拟出成本。这类基础设施与纽约市目前的基础设施类型
高度相似，开发成本和年度运营成本均相当。虽然这 83 个垂直起落场的初始基础设施用途调整开发成本
庞大（1.21 亿美元），但这笔费用将摊销到为期 30 年的时间内。这笔初始投资将用于建筑物改造（例如，
改造停车场结构以将顶层用于垂直起落场），以及组合配备 3 个高压充电器和 9 个低压充电器（每个
VTOL 垂直起落场均配备这样的充电器组合）。我们假设一个高压充电器的成本大约是 25 万美元（即每
个垂直起落场 75 万美元），一个低压充电器的成本仅为 1 万美元左右（即每个垂直起落场 9 万美元）。
垂直起落场的年基础设施成本预计为每架 VTOL 每年 8.6 万美元（1000 架 VTOL 共计 8600 万美元），
其中包含机队支持成本和 83 个垂直起落场的运营成本（租赁费、维护费、安保费、人员支持费等）。
其他垂直起落站以及使用广泛⬀在的直升机机场/停机坪基础设施也是 VTOL 基础设施的一部分，此类机场
/停机坪不提供充电服务，仅能容纳一架 VTOL 短暂停，供乘客上下飞机（类似于如今公司办事处和许多高
层建筑上的直升机停机坪）。
初始成本和年基础设施成本加起来占基准 VTOL 直接运营成本的 20% 左右。
运营费用
驾驶及航电系统成本
假设满负荷工作的飞行员成本为每年 5 万美元，每架 VTOL 需要配备 1.5 名飞行员。这种负担成本与如今
的通勤车和地区航班相一致。飞行员认证与如今第 135 部的商用飞机培训要求类似，飞行员每年都要接受
培训。多年后（向自主飞行过渡大约需要 10-20 年），随着自主飞行取代飞行员（此假设仅适用于长期情
况下），每架 VTOL 需要增加 6 万美元的成本用于升级航电系统和传感器。我们还将设置“地堡”地面飞行
员，以一对八的方式为每架飞机提供支援，成本与飞行员相同。驾驶成本约占基准直接运营成本的 36%。
飞机的维护成本
我们假定电动 VTOL 的每飞行小时维护成本比现有轻型直升机的维护成本低得多，因此我们将前者的总体
维护成本模拟为后者的一半水平。维护成本降低这一假设的前提条件是：去掉全部轮转旋翼组件，以及电
机因只有一个活动部件（轴承）而能够达到 1 万小时的大修间隔时间 (TBO)。维护的人工成本与现有直升
机相当，需要每日视检以及每 100 小时小型维护检查。每年需进行一次大型维护，将飞机恢复到最初的服
务参数。维护和人工成本占基准 VTOL 直接运营成本的 22% 左右。
间接运营成本
间接运营成本指的是并非针对飞机的成本，例如，信用卡手续费、注册和许可费、保险以及其他小额费用。
商业航空因商业运营开销庞大（其中包括支付给订票代理商的费用），间接成本非常高（比直接运营成本
高出 50%）。商业航空还有一大部分成本与燃料使用的间接税、降落费以及其他空域运营开销相关。而
79
VTOL 因使用私有基础设施，间接成本相对较低。间接成本方面也⬀在大量的不确定性，各方利益相关者
需就此方面进行深入研究。目前，间接成本模拟为比基准直接运营成本高出 12% 左右。
经济学结论
80
我们通过分析得出以下结论：在长期的自动驾驶情境下，每架飞机的直接成本将接近每英里 50 美分（相
当于地面每英里 35 美分）。预计 10045 英里的 VTOL 拼机（将取代 60 英里的自动驾驶行程）价格可低
至 21 美元，航程时间为 15 分钟。
我们相信总有办法让私家车主接受 VTOL 的价格，使 VTOL 成为地面拼车的可行替代方案，只要 VTOL 乘
客愿意多支付一些费用和/或牺牲一点个人空间，就能在速度上获得巨大回报。按照我们的设想，最初
VTOL 拼机产品的价格将与如今的优选轿车相当；随着自动驾驶技术不断进步，地面拼车的价格会不断下
降，我们的分析结果表明，VTOL 的降价幅度会更大。最终，地面的优选轿车与空中的优步拼机价格将不
相上下；而 VTOL uberX 服务会因载客率较低而价格相对更贵。鉴于此，我们向城市通勤者提出如下价值
主张：挑战隐私/速度/成本曲线，就像现在的优选轿车和优步拼车一样颠覆汽车服务。
不过，上述价格仅针对乘客行程中乘坐 VTOL 的部分，乘客在这之前以及之后通常需要步行或驾车往返垂
直起落场/站（请参阅“乘客体验”部分）。这样一来，乘客全部行程的平均每英里价格将会更低，同时又可
以通过 VTOL 行程节省大量时间。
我们的分析进一步表明，按需 VTOL 客运服务很可能比拥有私家车具有更大的吸引力。以上材料显示了美
国汽车协会 (AAA) 对每英里汽车拥有成本的估算。在接下来的十年里，这些成本都会随着燃料效率的提高
在一定程度上有所下降，但预计油价上涨会抵消大部分降低的成本。其他方面（如飞机资本支出的贬值率）
将不会大幅下降。
正因如此，我们预测，未来那些已有私家车的人可能无法享受到搭乘 VTOL 带来巨大而又直接的经济效益。
不过，对于那些没有私家车的人，他们可以使用按需城市空中交通服务，而不必购买汽车，从而节省开支。
当然，除了省钱之外，搭乘 VTOL 来代替汽车通勤的车主将能够节省大量时间，而不必像以前那样在交通
拥堵中束手无策或因到处寻找停车位而浪费大量时间。
运营商可以通过与城市、民营企业和社区密切合作，确保分布合理的高质量垂直起落场和垂直起落站构成
一个高效的城市空中交通网络，以最大限度地减少行程中的间接里程并降低航行中的空返率。我们也有理
由相信，运营商可以在 VTOL 拼机服务中聚集比汽车更多的乘客。VTOL 提供如此显著的速度优势，乘客
也许愿意等上几分钟，以实现像纽约市的 uberHOP 那样的定量客运。这有助于降低 VTOL 的价格，使其
相对于汽车拼车服务而言更具竞争优势。
目前的经济模型仅进行了最重要方面的假设，但我们会在与利益相关者商讨时对这些假设进行细化。欢迎
您通过 elevate@uber.com 提供任何反馈或想法。
后续步骤
我们看到了 VTOL 交通在未来发展中的巨大潜力，但只有与各方利益相关者合作，我们才有可能实现这一
愿景。正如我们在分析过程中所说的，我们相信，建设成功的城市空中交通生态系统离不开那些希望通过
互动交流了解该生态系统如何塑造按需城市空中交通服务未来的飞机制造企业、世界各地的市政和国家官
100 假设 VTOL 运营的总体内部收益率为 15％
81
员、监管部门、用户和社区的积极参与。同时，我们也在内部探索如何快速实现按需城市空中交通服务的
未来，我们还有很多方面要向覆盖范围广泛、经验丰富的各方利益相关者学习。
本白皮的发表标志着这段旅程正式开始。从现在起，优步将与市政部门、飞机制造商、未来的代表用户、
社区团体以及商业、基础设施和监管领域的主要利益相关者展开广泛的合作，听取、学习和探索城市空中
交通发展的意义。在未来几周或几个月内，我们计划深入研究那些丞待解决的政治、政策、基础设施和社
会经济问题。这对可持续地、周密地研发符合复杂的消费需求，能够在城市中安全、安静、可靠运营的飞
机至关重要。欢迎市政部门及企业家与我们联系，分享直接反馈，或告知我们对探索如何将直升机引入城
市日常生活的兴趣。在未来 4-6 个月里，我们还会积极咨询全球范围内多个公共和私营部门的相关人士，
当然，在此过程中我们所能做到的必定有限。
因此，我们还希望召开一次全球性的 Elevate 峰会，将大量飞机制造商、监管机构以及公共和私营部门的
城市利益相关者汇聚到一起。我们这样做的目的是探索在拓展期间产生的问题和解决方案，表达合作意向，
分享有助于加速城市空中交通成为现实的观点和解决方案。我们将此次活动视为一个启发思想、以创建最
有利于城市交通未来发展的持久合作伙伴关系为目标进行交流的绝佳机会。我们计划在 2017 年初召开这
次会议，近期就会发出相应邀请。
我们满怀热忱期待按需城市空中交通服务为城市交通带来深刻而积极的影响。无论您是先驱城市、VTOL
制造商、监管机构、基础设施开发商、用户群体还是其他任何利益相关者，欢迎您分享反馈或表达您对与
我们共建此愿景的合作意向。请通过如下电子邮件地址联系我们：elevate@uber.com。
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