垂直起降的飛行汽車：未來出行新選擇！

導讀

近日，美國密歇根大學和福特汽車公司的科研人員們的一項最新研究表明，垂直起降的飛行汽車與普通汽車相比，短途旅行時使用的能量更多；長途旅行時使用的能量更少，碳排放量更低，時間更也少。

背景

上世紀60年代，美國動畫情景喜劇《傑森一家》（The Jetsons）中，喬治·傑森（George Jetson）乘坐他的家用飛行汽車去上班。這輛飛行汽車在旅行結束時，奇蹟般地變成了一個公文包。

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（圖片來源：維基百科）

如今，飛行汽車已走出科幻電影世界，進入現實生活中。近兩年，各大飛行汽車製造商都在為自己的產品落地造勢。

什麼是飛行汽車？

簡單說，它就是指「會飛的汽車」。這是一種新型陸空兩用的交通工具，可以在空中飛行，也可以在陸地上行駛，能從一輛汽車變身為一架飛機。

（圖片來源：Terrafugia公司）

未來，飛行汽車作為一種新型交通工具，將為解決擁堵不堪的地面交通問題提供一種新思路，也將使人類出行變得更加便捷。那時，也許我們可以真正地打個「飛的」出行了。

（圖片來源：lilium公司）

雖然飛行汽車的藍圖相當美好，但是它要真正地投入大規模商用，仍有許多需要解決的問題，例如法律法規、空域管制、停機坪建設、配套設施、環境與安全問題等。

研究

今天，筆者要為大家介紹一項關於電動的「垂直起降（VTOL）「飛行汽車的新研究。這項研究於4月9日發表在《自然通信（Nature Communications. ）》期刊上。

下圖所示：一輛垂直起降的電動飛行計程車在城市中心巡航的藝術圖。

（圖片來源：Dave Brenner/密歇根大學環境與可持續性學院）

這項研究是關於飛行汽車對環境可持續性產生的影響。該研究表明：垂直起降飛行汽車並不適合像「傑森一家」那樣的短距離通勤。

然而，這項研究表明，垂直起降飛行汽車結合了「直升機垂直起降的便捷性」與「普通飛機空氣動力學飛行的高效性「，在較長距離的可持續交通中扮演了一個「利基（該詞是英文「Niche」的音譯，表示有利可圖的缺口或者商機）」角色。目前，全球有幾家公司正在開發垂直起降飛行汽車的原型。

下圖所示：NASA GL-10 垂直起降飛行汽車。圖片展示了NASA 垂直起降飛行汽車原型的起飛和著陸懸停配置。傾轉旋翼和機翼設計結合了直升機本地起飛與著陸的便捷性，以及普通飛機空氣動力學飛行的高效性。

（圖片來源：參考資料【2】）

來自密歇根大學可持續系統中心和福特汽車公司的論文作者們稱，飛行汽車的價值特別體現在擁擠的城市中或者地理位置受限的地方，它可以成為拼車服務的一部分。

這篇論文的高級作者、密歇根大學環境與可持續性學院可持續系統中心主任格雷戈里·科雷安（Gregory Keoleian）表示：「我非常驚喜地看到，在特定情況下，垂直起降飛行汽車在能源使用與溫室氣體排放方面具有競爭力。」

他說：「例如，從舊金山開往聖何塞，或者從底特律開往克利夫蘭，乘滿人的垂直起降飛行汽車將超越陸基汽車。」

密歇根大學與福特公司首次評估了垂直起降汽車的綜合可持續性，研究了垂直起降汽車與陸基乘用車在能量使用、溫室氣體排放、時間節省方面的對比。儘管垂直起降飛行汽車在飛行期間的排放為零，但是它們的電池還是需要發電機產生的電力。

研究人員們發現，在100千米（62英里）的旅程中，一輛滿載的垂直起降汽車攜帶一名飛行員和三名乘客，比平均載客量為1.54的陸基汽車所排放的溫室氣體要少。垂直起降汽車的排放量比燃油車低52%，比電動汽車低6%。

論文第一作者、密歇根大學環境與可持續性學院研究生阿克沙特·卡斯利瓦爾（Akshat Kasliwal）認為，這些發現將幫助指導一種新興的行動系統在商業化之前進行可持續的部署。

卡斯利瓦爾表示：「通過這些垂直起降飛行汽車，我們有機會協調可持續性與商業應用之間的關係。這種飛行汽車不僅載客量高、排放少，還有利於經濟效益。進一步說，消費者可以被激勵去共享旅程，因為飛行所花費的時間相比開車要少很多。」

在未來幾十年，全球交通運輸業面臨著嚴峻挑戰，不僅要滿足日益增長的乘客出行便捷性需求，同時也要減少擁堵，改善安全和減輕氣候變化。

電動汽車和自動駕駛能在部分程度上實現這些目標，但是受到現有道路的擁堵限制。垂直起降飛行汽車有望突破這些限制，開啟有人駕駛計程車服務或者城市和區域空中的其他旅行服務。

幾家航空航天公司和創業公司，例如空中客車公司（Airbus）、波音公司（Boeing）、喬比飛機製造公司（Joby Aviation）和德國Lilium公司，以及美國國家航空航天局（NASA）等機構已經開發出垂直起降飛行汽車原型。促成這些飛機效率的關鍵因素就是分散式電力推進（DEP），它採用了幾個小型電驅動推進器。

密歇根大學與福特公司的研究人員們採用來自這些機構以及其他機構的公開信息創造出一個基於物理學的模型。該模型計算了電動垂直起降飛行汽車的能量使用和溫室氣體排放情況。

密歇根大學工學院碩士生、這篇論文的合著者諾亞·福布希（Noah Furbush）表示：「我們的模型代表了垂直起降飛行汽車航空的總體趨勢，並採用來自多項研究以及飛機設計的參數，指定重量、升阻比和電池特定能量。」

福布希也是密歇根大學足球隊成員，他說：「此外，我們展開了靈敏度分析，研究這些參數的界限以及其他因素，例如電力碳排放強度和風速。」

（圖片來源：參考資料【2】）

這項研究開始於卡斯利瓦爾和福布希在福特公司暑假實習的時候。當這些學生回到安阿伯時，在福特公司和密歇根大學聯盟的資助下，繼續著這項研究。

研究人員們分析了垂直起降飛行汽車的五個飛行階段：起飛懸停、爬升、巡航、下降和著陸懸停中的一次能源使用和溫室氣體排放情況。

下圖所示：垂直起降飛行汽車的飛行過程圖。垂直起降飛行汽車的每個飛行階段擁有不同的行駛時間、速度和功耗。

（圖片來源：參考資料【2】）

這些飛機在起飛和爬升階段使用的能量很多，但是在巡航階段（速度達150英里/小時）相對節能。

結果就是，長途旅行（巡航階段成為飛行中最主要的部分）中，垂直起降飛行汽車的能效最高。然而，對於較短的旅程，低於35千米（22英里），單乘客內燃機車輛比單乘客垂直起降飛行汽車使用的能量更少，排放的溫室氣體也更少。一個重要原因就是，陸基汽車平均通勤距離僅為約17千米（11英里）。

下圖所示：車輛行駛公里數與溫室氣體排放量之間的關係。垂直起降飛行汽車（VTOLs）、陸基車輛：內燃機汽車（ICEV）和蓄電池電動汽車（BEV）的溫室氣體排放量與行駛公里數之間的關係。

（圖片來源：參考資料【2】）

密歇根大學環境與可持續性學院研究生、論文合著者吉姆·加夫龍（Jim Gawron）表示：「結果就是，垂直起降飛行汽車比燃油車更具可持續性的旅程，只佔據了車輛在地面行駛的年度總里程的一小部分。因此，垂直起降飛行汽車在可持續行動系統中的貢獻和作用有限。」

不足為奇的是，垂直起降飛行汽車完成100千米的基本旅程比陸基車輛要快很多。垂直起降飛行汽車的點對點航行路線，且速度比陸基汽車更快，使它節省了80%的時間。

行駛時間對比（圖片來源：參考資料【2】）

福布希表示：「總的來說，不久的將來，飛機的電氣化有望根本上改變航空航天工業。」

這項研究的作者們指出，為了評估垂直起降飛行汽車的可行性，包括成本、噪音和以及社會和消費者的接受程度，許多其他的問題仍然有待解決。

關鍵字

汽車、航空航天、可持續

參考資料

【1】https://news.umich.edu/a-jetsons-future-assessing-the-role-of-flying-cars-in-sustainable-mobility/

【2】https://www.nature.com/articles/s41467-019-09426-0

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