幾十年來(lái)，飛行汽車(chē)一直是未來(lái)主義的象征?，F(xiàn)在，小型的貨運(yùn)無(wú)人機(jī)和客運(yùn)載具終于要起飛了。本文將探討城市空中交通（UAM）的新興應(yīng)用，以及為短途飛行提供動(dòng)力的電池、電機(jī)和導(dǎo)航技術(shù)。

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“城市空中交通”的定義

UAM這一概念涵蓋的是市內(nèi)和市郊的短距離、低空飛行。雖然傳統(tǒng)的直升機(jī)就可以勝任這一角色，但UAM通常特指高度自動(dòng)化的航空器，特別是電動(dòng)垂直起降（eVTOL）飛行器和無(wú)人航空載具（UAV，也就是常說(shuō)的“無(wú)人機(jī)”）。

UAM預(yù)計(jì)將于2025年前后在部分城市投入運(yùn)營(yíng)，初期重點(diǎn)發(fā)展的將是有人駕駛客運(yùn)航空器和物流配送無(wú)人機(jī)[1]。該項(xiàng)技術(shù)還可以擴(kuò)展到應(yīng)急服務(wù)、公共安全和交通監(jiān)控等潛在應(yīng)用。

UAM的一大主要優(yōu)勢(shì)在于其使用開(kāi)放空域，而非早已超負(fù)荷的地面車(chē)輛基礎(chǔ)設(shè)施，有望實(shí)現(xiàn)更快、更高效的交通運(yùn)輸[2]，畢竟飛行載具可以直接飛往需要去的地方，而不是堵在路上動(dòng)彈不得。此外，這些飛行載具是依靠電力而非內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)，因而也是減少排放的理想選擇[3]。

然而，UAM要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，離不開(kāi)強(qiáng)大的電池、更好的電機(jī)和精密的導(dǎo)航系統(tǒng)提供支持。

重量更輕、密度更大、靈活性更強(qiáng)的電池

電池技術(shù)仍然是UAM普及的最大障礙之一。

挑戰(zhàn)和要求

要達(dá)成能夠?qū)嵱玫暮匠毯陀行лd荷，UAM載具需要約400瓦時(shí)/千克的電池能量密度，但現(xiàn)有電池最高只能達(dá)到約300瓦時(shí)/千克[4]。電池的使用壽命也是一個(gè)問(wèn)題：使用僅僅一年后，電池容量就會(huì)損失達(dá)45%[5]。

UAM還需要遵守嚴(yán)格的航空器安全法規(guī)，這些法規(guī)對(duì)電池提出的要求又會(huì)大大地限制能量密度。因此，工程師必須考慮如何在確保高性能的同時(shí)防止熱失控。

此外，設(shè)計(jì)人員還需要提高電池的峰值性能。為了提供垂直起降所需的動(dòng)力，UAM電池必須具有很高的放電率，并且要在飛行過(guò)程中可能遇到的各種溫度和大氣條件下保持高性能。

可以說(shuō)，成本是UAM電池面臨的最大挑戰(zhàn)。要使UAM具備可接受的經(jīng)濟(jì)性，電池成本必須大幅降低。除了電池化學(xué)方面的進(jìn)步外，UAM電池可能還需要采用新的材料和制造技術(shù)。

新興電池技術(shù)和創(chuàng)新

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，研發(fā)和設(shè)計(jì)人員采取了各種各樣的措施，其中固態(tài)電池是一條很有前景的技術(shù)路徑。與使用液態(tài)電解質(zhì)的傳統(tǒng)鋰離子電池不同，固態(tài)電池使用固態(tài)電解質(zhì)，此舉可以提高能量密度并降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)。目前，豐田（Toyota）和QuantumScape等企業(yè)正在進(jìn)行固態(tài)電池的開(kāi)發(fā)，他們的目標(biāo)是在2020年代末將這項(xiàng)技術(shù)投入商用[6], [7]。

另一條路線，是將電池與燃料電池整合為一套混合能源系統(tǒng)。燃料電池可以在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)持續(xù)提供電力，補(bǔ)充起降階段所需的高功率輸出。這種系統(tǒng)可以延長(zhǎng)UAM載具的航程，同時(shí)保持電力推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)代（Hyundai）等公司對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了投入，為他們未來(lái)的UAM載具探索氫燃料電池技術(shù)[8]。

UAM技術(shù)要想成功開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，需要電池制造商、UAM開(kāi)發(fā)商和監(jiān)管機(jī)構(gòu)之間進(jìn)行合作。諸如歐洲電池聯(lián)盟（European Battery Alliance）這樣的倡議，就是要通過(guò)合作研發(fā)來(lái)加快電池技術(shù)的進(jìn)步[9]。

可擴(kuò)展、模塊化、高效率的電機(jī)

eVTOL飛行器大概率會(huì)采用分布式電力推進(jìn)結(jié)構(gòu)，而不是噪音大、排放高的內(nèi)燃機(jī)。在這種方案中，每架飛機(jī)都將配備多個(gè)小型螺旋槳，這些螺旋槳比傳統(tǒng)螺旋槳更安靜、更高效[10]。

然而，與電池技術(shù)一樣，電機(jī)技術(shù)也必須克服多項(xiàng)技術(shù)障礙，才能實(shí)現(xiàn)廣泛普及。為了盡可能提升航空器的效率和航程，電機(jī)必須在減輕重量的同時(shí)提高輸出功率，并且要具備足夠的扭矩以實(shí)現(xiàn)垂直起降。

不僅如此，電機(jī)在具備足夠扭矩的同時(shí)，還不能產(chǎn)生過(guò)多噪音，這就讓問(wèn)題變得更加復(fù)雜。畢竟，沒(méi)有人能夠忍受每天都有好幾架直升機(jī)從自己頭頂飛過(guò)。

續(xù)航能力更強(qiáng)的電機(jī)

有效的熱管理對(duì)于保持UAM應(yīng)用中電機(jī)的性能和安全性至關(guān)重要。在極端氣候條件下，傳統(tǒng)的風(fēng)冷方法難以滿足要求，需要采用更先進(jìn)的散熱技術(shù)。液冷系統(tǒng)、相變材料和導(dǎo)熱管是當(dāng)前研究的重點(diǎn)，這些技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)更高效的熱管理[11]。

用于UAM的電機(jī)必須能夠承受頻繁啟停并具備較長(zhǎng)的使用壽命，才能讓維護(hù)成本保持可控。它們還必須與控制和配電系統(tǒng)無(wú)縫集成，以實(shí)現(xiàn)出色的性能。為了延長(zhǎng)航程并降低能耗，這些電機(jī)必須兼容高壓系統(tǒng)，以便通過(guò)更小的電流實(shí)現(xiàn)更大的功率。

這些功能都需要融入到按照航空業(yè)嚴(yán)格安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的電機(jī)中，并配備多重故障保險(xiǎn)和冗余，以降低電機(jī)故障風(fēng)險(xiǎn)。除了安全規(guī)范外，電機(jī)要想提高成本效益，還需要采用可擴(kuò)展的模塊化設(shè)計(jì)，才能快速適應(yīng)各種航空器構(gòu)型和功率要求。

作者簡(jiǎn)介

Brandon是一位有超過(guò)十年經(jīng)驗(yàn)的深度技術(shù)記者、講述者和技術(shù)作家，從軟件初創(chuàng)公司到半導(dǎo)體巨頭都是他曾經(jīng)報(bào)道過(guò)的對(duì)象。他關(guān)注的領(lǐng)域包括嵌入式處理器、硬件、軟件和工具，因?yàn)樗鼈兌寂c電子系統(tǒng)集成、物聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)4.0部署和邊緣人工智能等用例有關(guān)。他還是一名出色的播客、視頻博主、活動(dòng)主持人和會(huì)議發(fā)言人，并曾在多家電子工程貿(mào)易出版物中擔(dān)任主編和技術(shù)編輯。Brandon在不出席B2B技術(shù)受眾的大型活動(dòng)時(shí)，會(huì)通過(guò)電視指導(dǎo)菲尼克斯地區(qū)的體育特許經(jīng)營(yíng)公司。