优步公司描绘未来无人驾驶空中出租车蓝图

文图/优步

无人驾驶载人飞行器也被大众称为无人驾驶空中出租车。优步公司一直有一个梦想，将无人驾驶载人飞行变成现实。该公司不仅积极推进战略构建，而且描绘了未来无人驾驶空中出租车蓝图。

无人驾驶载人飞行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原型机。2016年，美国国家航空航天局航空研究任务委员会副署长贾旺·申最近在有关“无人机和航空业的未来”的白宫研讨会上表示，美国国家航空航天局对无人驾驶载人飞行的前景持乐观态度：“空中出租车将结合采用电力驱动系统、自主驾驶技术、垂直起降技术以及很多其他通信和导航功能。完全自主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。”

目前，虽然世界各国的制造商纷纷涉足，但是尚没有一套明确的设计标准。未来的无人驾驶载人飞行器到底是什么样子？优步公司给出了自己的答案。优步公司认为，未来的无人驾驶载人飞行器在拼机网络中提供服务，必须克服下列四个主要障碍才具备商业可行性：安全、噪声、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和自主驾驶技术。

安全性高

要广泛普及无人驾驶载人飞行这种拼机选择，乘坐无人驾驶垂直起降飞行器一定要比乘坐汽车更加安全才行。为了使无人驾驶载人飞行被市场所接受，仅仅声称这种飞行器跟驾车一样安全，尤其是考虑到大众对自主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运营商的服务安全压力，尤其是面向日常使用的载人飞行服务，压力只会更大。

安全目标

按照《美国联邦航空条例》(FAR)第 121 部规定，航班几乎可以肯定是最安全的交通方式。优步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，空中出租车的安全水平仅为驾车的二分之一，这意味着优步需要提高三倍(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。在无人驾驶载人飞行器的制造、飞行和维护方面，优步公司将会遵循比第135部更为严格的控制级别和美国联邦航空局(FAA)的监管要求。此外，至少在自主驾驶得到广泛普及之前，运营无人驾驶载人飞行器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部规定运营无人驾驶载人飞行器的事故率至少可以控制在同样低的水平上。

提高安全性

由于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，势必会造成飞行器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主驾驶技术避免，此类自主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。经验证，自主防撞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显著减少，当地政府大量引入更好的导航传感器和飞机到飞机的广播式自主播报监视(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。无人驾驶载人飞行器也必将利用数字电传操纵系统，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主驾驶系统，这也会对飞行安全产生显著的积极影响。

由于半数的飞行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理将使现有的第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主驾驶系统将安全性进一步提高一倍，无人驾驶载人飞行器将朝着实现2倍于驾车安全性的最初目标迈进。

分布式电力推进系统

为了使无人驾驶载人飞行器达到高于飞机的安全性，必须考虑控制多个推进电机的复杂性。从本质上而言，优步公司认为，无人驾驶载人飞行器可以进入自主驾驶状态，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，否则，无人驾驶载人飞行器无须飞行员操控。飞行员无须实际操控发动机和操纵面，只需要设定一条航线，飞行器就会沿着设置的航线自主飞行。直接的机械控制工作大大减少，飞行员可以集中精力监测各种状况，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的飞行，飞行员操纵能力将提高到2倍，预计总死亡率可至少降至地面驾车的一半。

除了不明状况和失去控制，导致事故的第二大原因与发动机故障有关，发动机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6个或更多) 电机、控制器和一个冗余总线结构，利用完全的推进系统冗余避免发生灾难性发动机故障。发动机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行器进行完全控制。在这方面改进有望在前述目标的基础上进一步降低事故率。

结合分布式电力推进技术与自主驾驶技术将有机会实现全数控电传操纵系统，在数字系统之间进行交互，而且不需要复杂的模拟接口或机械接口。推进系统中每个元件的数字数据(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。

分布式电力推进技术不仅提供了冗余，而且还会增强飞机系统设计中的控制稳健性。因此，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须面临的问题。分布式电力推进技术已经解决了大多数难题；采用分布式电力推进技术的垂直起降飞行器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。采用分布式电力推进技术的无人驾驶载人飞行器配置通常使用每ft210～20lbf(1lbf(磅力)≈4.448N)的推力。

无人驾驶载人飞行器的推重比通常为1.15或以上，以便在上升时提供额外动力。该推重比通常在连续的额定功率下测得。相比而言，涡轮发动机和活塞发动机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1～2min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。

图1 优步公司预测，2025 年人类即将迎来拼机共享出行的新时代

图2 全自主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无人驾驶载人飞行器达到航空公司的飞行安全水平

如果需要调整飞机大小以有效应对单发动机(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，一架双发动机直升机需要具有2.0以上的推重比，且最高额定功率可在单发动机紧急情况下提供1.1～1.2的有效推重比。对于采用分布式电力推进技术、配备6个螺旋桨的无人驾驶载人飞行器而言，单发动机故障会导致推力降低约17%，在单发动机无效的紧急情况下，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发动机(电机) 故障的措施是分布式电力推进技术的重要优势之一，可以弥补之前的垂直起降飞机的相关劣势。直升机可以自主旋转，并可在没有动力的情况下紧急着陆，而采用分布式电力推进技术的无人驾驶载人飞行器不太可能自主旋转(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主旋转，因为直升机的下滑角较大会导致着陆距离较短。

采用分布式电力推进技术的无人驾驶载人飞行器通过结合更加先进的自主驾驶系统，可以进一步提高飞行安全性，实际上，自主驾驶系统可在第一时间防止无人驾驶载人飞行器陷入任何可能危险的境地。自主飞行控制可以优化航线飞行剖面，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，采用分布式电力推进技术的飞机还可以利用弹道式回收系统(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。还有多家公司正在开发更加先进的弹道式回收解决方案，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存在某些差异，但这些差异有可能相互抵消，最终实现甚至超越2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无人驾驶载人飞行器投产后还会继续进行下去。

低噪声水平

无人驾驶载人飞行器将在人口密集的城区上空低空飞行。因此，务必要确保无人驾驶载人飞行器不会影响社区生活，而无人驾驶载人飞行器开发人员也将减低噪声这一目标牢记于心，使其拥有较低的、可接受的噪声水平。社区之所以能够接受公共安全类飞机，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，由于噪声过大，人们一直以来反对将其用于其他目的。优步公司将了解了针对无人驾驶载人飞行器的一组更加严格的噪声定量和定性目标，分析设计中产生噪声的根本功能，并探索最有望实现噪声目标的技术进步。

噪声的量化目标

美国联邦航空局针对固定翼飞机对机场周边社区的噪声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。不过，要实现广泛的商业用途，无人驾驶载人飞行器必须满足更严格的噪声标准。

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降场/站的飞行噪声水平以及测量方法对有无人驾驶载人飞行器穿梭的新兴社区也是有益的。要使社区能够接受庞大规模的无人驾驶载人飞行器，飞机的噪声必须融入到飞经区域的背景噪声中。

通过探索现有的空中及地面交通，认识了如今的噪声测量方法以及人们如何感知噪声，然后根据这些知识来了解未来的无人驾驶载人飞行器经营能够在多大程度上超过法规要求，达到更为严格的噪声目标，才能为人们普遍接受。优步确定了如下初步噪声框架和目标：

(1) 飞机的噪声目标

为了使载人飞行尽快实现普及，无人驾驶载人飞行器必须拥有较低的噪声水平。通过垂直起降场/站飞行的无人驾驶载人飞行器最终的噪声水平目标是接近于卡车在居民区道路上行驶的噪声水平(最邻近住宅受到的噪声影响，50 ft，75～80dB) 的一半：500ft高度的最大声压级约为62dB，约是目前市场上最小的四座直升机噪声水平的四分之一。

一个无人驾驶载人飞行器网络将要部署可能由数百架飞机组成的机队。如此多的无人驾驶载人飞行器同时飞行，噪声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，优步公司认为，对于无人驾驶载人飞行器，达到中型卡车目前一半的噪声水平才算合理的目标，即250ft高度的地面噪声水平为67dB，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汽车以35mile(1mile(英里)≈1.609km)的时速从距离听者25ft的地方驶过。

(2) 长期干扰

当无人驾驶载人飞行器开始运营后，能够确定具体着陆地点的环境噪声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，能够使无人驾驶载人飞行器的运营更加敏锐地适应每个起飞和着陆地点的环境噪声特点，将噪声有效限制在不打扰周边社区的水平以下。为了在垂直起降场(站)实现更具针对性和适应性的噪声水平，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，同时将昼夜声级的长期平均值保持在1dB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

无人驾驶载人飞行器的飞行噪声导致周边社区居民夜间被吵醒的增长幅度不会超过5%。如果无人驾驶载人飞行器能够在250ft的高度达到67dB噪声目标，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。因为响度和惊醒次数之间存在直接统计关系，将短期干扰的最大夜间惊醒次数的增长幅度10%降低到的一半(即5%) 应该是可以实现的。

(4) 站点分析和定制

应在各个站点持续监测无人驾驶载人飞行器飞行情况，确定实际的日间-傍晚-夜间背景噪声水平。实时监控站点噪声可以记录不会超过的目标噪声水平，而且可以根据噪声背景的变化进行调整这一阈值。美国联邦航空局要求所有接受噪声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，运营商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声剂量。优步公司认为，有效感知噪声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，将是评价无人驾驶载人飞行器噪声评价的最合适的指标。

飞行器设计

无人驾驶载人飞行器的主要噪声源有主旋翼、尾旋翼和发动机。通过使用多个小型旋翼代替一个大型旋翼，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声水平。无人驾驶载人飞行器采用分布式电力推进技术，结合不断提高的自主化技术，使独立控制多个电机来自适应控制推力方向变得可行，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5ft，而另一架为配备一个直径为25ft旋翼的小型直升机。两种机型的总旋翼面积均约为500ft2。单旋翼直升机的转速为530r/min，叶尖速度为672ft/s(约Ma0.6) ，而26个旋翼的转速为1700r/min，叶尖速度为445ft/s约Ma0.4)。看似差别甚小，但噪声实则以叶尖速度的5～6倍增长。在这种情况下，叶尖速度提高到1.5倍，噪声量则会增加到8～12倍之多。由于26个旋翼以几乎相同的速度旋转，噪声只是各个旋翼噪声量的简单相加，人们感知到的响度不会比各个分散噪声元素叠加到一起更大。

发动机是另一个重大噪声来源。发动机分为活塞式发动机和涡轮发动机，发动机带动很多旋翼，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声。分布式电力推进技术可以解决这一问题。首先，去掉发动机，从而减少一个主要的噪声来源。电机的噪声比活塞式发动机或涡轮发动机小得多，因为此类发动机无需燃烧碳氢化合物，也就不需要吸入和排出大量空气。其次，电动垂直起降飞行器可以发挥分布式电力推进技术的优势，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升力和推力。如果飞行器使用分布式电力推进技术，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，通过使用分布式电力推进技术，还可优化设计以更轻松地实现低噪声目标，因为在电动垂直起降飞行器的整个范围内，设计师有诸多选择来实现扭矩和转速目标，而无须添加变速箱。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。

分布式电力推进技术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。

垂直起降飞行器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。要使噪声尽可能降低，就需要限制垂直起降飞行器的载客量，让噪声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1～4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3dB，这在现有直升机噪声规律中也可以反映出来。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。

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，因此产生的响度比较各自的响度叠加在一起时要高，而分布式电力推进技术则不同。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，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。采用分布式电力推进技术的垂直起降飞行器没有配置燃油发动机，可以利用多个旋翼的转矩变化而非尾桨来实现偏航控制。

低排放水平

任何新型的城市交通方式显然应该为环保和可持续发展负责。全电动垂直起降飞行器的设计提供了具有吸引力的解决方案，原因是所需电力来源是风能和太阳能等可再生能源，可以在飞行中的碳排放量为零，提供一种显著降低碳排放的途径。

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。电动垂直起降飞行器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。

图3 采用多旋翼的无人驾驶载人飞行器不仅安全性高，而且拥有较低的噪声水平

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3～4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。

飞行性能

巡航与悬停效率

垂直起降飞行器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1min之内，大多数垂直起降过程在大约30s内完成。

与之相对应的是，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。垂直起降飞行器需要将更多的时间用于巡航，这就引出了一个问题：如何优化这种直升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。随着分布式电力推进技术的垂直载人飞行器设计逐渐成熟，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。

图4 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

在优步公司的示例通勤场景中，在15～20min巡航中，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1min起降需要的功率。直升机设计师可以考虑整体节能效果，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。未来的垂直起降飞行器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，但对根据美国国家航空航天局的的研究表明，由分布式电力推进技术提供动力的提升配置支持超过150mi/h的高速巡航解决方案。

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

垂直起降飞行器的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垂直起降飞行器将应运而生。适合短程(50mile以内) 的垂直起降飞行器的速度不需要与满足长途通勤者需求的垂直起降飞行器的速度一样。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100mile的人。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。

图5 实现大型电池组的快速充电是无人驾驶载人飞行器的重要性能

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，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。美国国家航空航天局和麻省理工学院的城市垂直起降研究表明，在高度拥挤的都市区域，垂直起降飞行器的速度可在高峰时段达到其他交通工具的3～4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，分布式电力推进技术在速度为150～200mile/h时效率最高。

美国联邦航空局规定高度在10000ft以下的飞行活动的速度上限是287mile/h。在某些敏感的地理位置，美国联邦航空局将这一速度上限降至230mile/h(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，结果可能是一种折中，即垂直起降飞行器的速度在150～230mile/h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。

目前的通勤情况表明，短期内最小的有效垂直起降范围是以最大速度完成两次50mile的行程，并由足够的能量可供两次起降，同时还满足美国联邦航空局的仪表飞行规则30min的储备能量规定。通过与美国联邦航空局和国际保险经理人协会合作，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200mile单程行程的能源要求相似。

电池性能

优步公司认为，垂直起降飞行器设计可以实现升阻比大于10(理想范围是12～17) 、电池的比能量为400W·h/kg的巡航空气动力效率。电动垂直起降飞行器可能会使用大型电池组，4座的飞行器配备140k·Wh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。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，因为放电效率是有限的。如果垂直起降飞行器的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。

尤其令人兴奋的是，美国能源部的“Battery 500”计划将在未来5年内投入5000万美元，研发500W·h/kg的电池以及350kW大容量充电器。美国在锂金属电池领域的研究正在努力实现1000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。同样令人兴奋的是，高能充电器将能够在短短10min之内完成再充电。

未来，脉冲充电器的研究已经证明可以改善循环寿命，并且能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。优步公司预计，运营初期还会需要飞行员，随着时间推移，垂直起降飞行器很有可能会变为无人机。因此，最低标准是两座垂直起降飞行器，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垂直起降飞行器。

“美国旅游调查”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100mile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100mile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等公司负载系数的证据表明，4座和5座飞机的平均载客量达到了1.3～1.7。综合以上各种因素，最适合作为城市无人驾驶载人飞行器的有效载荷容量是2～4座。

自主驾驶

自主驾驶的垂直起降飞行器将提高运营的安全性，就像自主驾驶汽车有潜力减少汽车事故一样。自主驾驶的垂直起降飞行器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，并看到证明自主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。

为快速达到垂直起降飞行器可能的最安全操作状态，垂直起降飞行器网络运营商将努力寻找尽快实现完全自主驾驶的途径。和地面交通工具相比，垂直起降飞行器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垂直起降飞行器，但和自主驾驶汽车(需要注意从建筑物到路上障碍物等方方面面，并且只有很短的反应距离) 相比，垂直起降飞行器的自主化所面临的挑战似乎没有那么令人畏惧。

自主驾驶的长期解决方案可能是将飞行员从机上转移到地面上，优步公司预计在技术成熟时，地面上的飞行员将能够同时监控和管理数架垂直起降飞行器。

在地面上设置自主化的备用传感器也提供了一个尽早普及自主驾驶的途径。由于垂直起降飞行器可组合使用各种备用方案，以确保运营安全(远程飞行员和自主化垂直起降场的飞机飞行确认) ，自主驾驶的垂直起降飞行器可能会快速发展，甚至可能超过汽车或不依赖高度结构化、标准化的垂直起降场和垂直起降站基础设施的飞机的发展速度。

认证

无论在哪一个国家/地区运营，无人驾驶载人飞行器都必须先符合主管航空安全的航空管理机构的规定，并获得认证。这些规定为飞行器设计、生产、驾驶执照发放，以及维护和运营要求确立了标准。

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。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。再次，制造商证明飞行器符合监管机构所接受的标准以获得型号认证，这是一个反复进行的过程。完成型号认证之后，制造商便可以开始制造，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。

商业销售或使用的飞机在生产之前都要求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。

图6 最适合作为城市无人驾驶载人飞行器的有效载荷容量是2 ～4座。

图7 地面上的飞行员将能够同时监控和管理数架自主驾驶的垂直起降飞行器

加快认证速度

一直以来，对于简单的端到端认证过程(型号和生产认证) ，例如，新型常规通用航空飞机的认证，获得型号证书大约需要2～3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，可以与型号证书认证同时进行，这会将端到端认证过程延长至 4 ～ 8年。

优步公司认为，发现加快无人驾驶载人飞行器认证，可以更快加速按需城市空中交通服务的上市时间。首先，拼机服务是一种非常具体的用例。优步公司非常了解客户的需求，优步公司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。其次，对于无人驾驶载人飞行器的认证，美国联邦航空局和欧洲航空安全局(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) 。一旦该规范得到普及，就将打开在此美国联邦航空局框架下为无人驾驶载人飞行器制定标准的大门。第三，飞机制造商可以向美国联邦航空局申请在确定型号认证依据之前，为其飞机颁发试验适航证书。这样的审批过程非常简便，可以让飞机在受限情况下飞行，例如，仅搭载机组人员、不从事营利性运营。随着飞行时间的积累，可以放宽一些限制以实现示范飞行。验证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。第四，一直以来，美国联邦航空局和EASA在等效安全水平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飞行器的全自主驾驶。飞行员驾驶通过认证之后，便可以推出自主驾驶系统，实现大规模的数据采集，证明自主驾驶飞行至少与飞行员驾驶一样安全的统计学意义。这样做可以避免非常漫长的自主驾驶标准制定过程，同时向美国联邦航空局提供统计学方面的安全证据，让美国联邦航空局有信心向前推进。

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(按需) 的空中出租车航班。优步公司预计，飞机在可以按照型号证书生产后，这些规则将无需针对无人驾驶载人飞行器进行大的改动。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。

飞行员培训

目前，美国按照第135部运营要求，持有商业机长在目视飞行规则操纵下机长飞行时间不少于500h，仪表飞行规则下的机长飞行时间不少于1200h。无人驾驶载人飞行器的飞行员可以是拥有固定翼飞机或者直升机飞行经验的飞行员，机长总飞行时间要求可以包括驾驶任一种飞机的时间。

具有自主驾驶功能的无人驾驶载人飞行器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，调整很多飞机状态参数以使轨迹和目标航线保持一致。自主驾驶是指飞行器能够自主做出这些调整，飞行员的指令仅限于控制所需轨迹。

优步公司认为，早期成功运营之后，由于飞行员的操作任务负担减轻，任务范围缩减，对飞行员在传统飞行操作方面的经验要求会有所降低。

在飞行员培训中，飞行员要获得认证，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8～10h学习基本的操作动作，其余时间则学习处置失速、跑道条件差、侧风操作、发动机故障等非正常的飞行情况。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，精确度更好。