几十年来，飞行汽车一直是未来主义的象征。现在，小型的货运无人机和客运载具终于要起飞了。本文将探讨城市空中交通（UAM）的新兴应用，以及为短途飞行提供动力的电池、电机和导航技术。
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“城市空中交通”的定义
UAM这一概念涵盖的是市内和市郊的短距离、低空飞行。虽然传统的直升机就可以胜任这一角色，但UAM通常特指高度自动化的航空器，特别是电动垂直起降（eVTOL）飞行器和无人航空载具（UAV，也就是常说的“无人机”）。
UAM预计将于2025年前后在部分城市投入运营，初期重点发展的将是有人驾驶客运航空器和物流配送无人机[1]。该项技术还可以扩展到应急服务、公共安全和交通监控等潜在应用。
UAM的一大主要优势在于其使用开放空域，而非早已超负荷的地面车辆基础设施，有望实现更快、更高效的交通运输[2]，毕竟飞行载具可以直接飞往需要去的地方，而不是堵在路上动弹不得。此外，这些飞行载具是依靠电力而非内燃机实现推进，因而也是减少排放的理想选择[3]。
然而，UAM要实现这些目标，离不开强大的电池、更好的电机和精密的导航系统提供支持。
重量更轻、密度更大、灵活性更强的电池
电池技术仍然是UAM普及的最大障碍之一。
挑战和要求
要达成能够实用的航程和有效载荷，UAM载具需要约400瓦时/千克的电池能量密度，但现有电池最高只能达到约300瓦时/千克[4]。电池的使用寿命也是一个问题：使用仅仅一年后，电池容量就会损失达45%[5]。
UAM还需要遵守严格的航空器安全法规，这些法规对电池提出的要求又会大大地限制能量密度。因此，工程师必须考虑如何在确保高性能的同时防止热失控。
此外，设计人员还需要提高电池的峰值性能。为了提供垂直起降所需的动力，UAM电池必须具有很高的放电率，并且要在飞行过程中可能遇到的各种温度和大气条件下保持高性能。
可以说，成本是UAM电池面临的最大挑战。要使UAM具备可接受的经济性，电池成本必须大幅降低。除了电池化学方面的进步外，UAM电池可能还需要采用新的材料和制造技术。
新兴电池技术和创新
为了应对这些挑战，研发和设计人员采取了各种各样的措施，其中固态电池是一条很有前景的技术路径。与使用液态电解质的传统锂离子电池不同，固态电池使用固态电解质，此举可以提高能量密度并降低热失控风险。目前，丰田（Toyota）和QuantumScape等企业正在进行固态电池的开发，他们的目标是在2020年代末将这项技术投入商用[6][7]。
另一条路线，是将电池与燃料电池整合为一套混合能源系统。燃料电池可以在更长的时间内持续提供电力，补充起降阶段所需的高功率输出。这种系统可以延长UAM载具的航程，同时保持电力推进的优势。现代（Hyundai）等公司对这项技术进行了投入，为他们未来的UAM载具探索氢燃料电池技术[8]。
UAM技术要想成功开发和应用，需要电池制造商、UAM开发商和监管机构之间进行合作。诸如欧洲电池联盟（European Battery Alliance）这样的倡议，就是要通过合作研发来加快电池技术的进步[9]。
可扩展、模块化、高效率的电机
eVTOL飞行器大概率会采用分布式电力推进结构，而不是噪音大、排放高的内燃机。在这种方案中，每架飞机都将配备多个小型螺旋桨，这些螺旋桨比传统螺旋桨更安静、更高效[10]。
然而，与电池技术一样，电机技术也必须克服多项技术障碍，才能实现广泛普及。为了尽可能提升航空器的效率和航程，电机必须在减轻重量的同时提高输出功率，并且要具备足够的扭矩以实现垂直起降。
不仅如此，电机在具备足够扭矩的同时，还不能产生过多噪音，这就让问题变得更加复杂。毕竟，没有人能够忍受每天都有好几架直升机从自己头顶飞过。
续航能力更强的电机
有效的热管理对于保持UAM应用中电机的性能和安全性至关重要。在极端气候条件下，传统的风冷方法难以满足要求，需要采用更先进的散热技术。液冷系统、相变材料和导热管是当前研究的重点，这些技术有望实现更高效的热管理[11]。
用于UAM的电机必须能够承受频繁启停并具备较长的使用寿命，才能让维护成本保持可控。它们还必须与控制和配电系统无缝集成，以实现出色的性能。为了延长航程并降低能耗，这些电机必须兼容高压系统，以便通过更小的电流实现更大的功率。
这些功能都需要融入到按照航空业严格安全标准设计的电机中，并配备多重故障保险和冗余，以降低电机故障风险。除了安全规范外，电机要想提高成本效益，还需要采用可扩展的模块化设计，才能快速适应各种航空器构型和功率要求。
作者简介
Brandon是一位有超过十年经验的深度技术记者、讲述者和技术作家，从软件初创公司到半导体巨头都是他曾经报道过的对象。他关注的领域包括嵌入式处理器、硬件、软件和工具，因为它们都与电子系统集成、物联网/工业4.0部署和边缘人工智能等用例有关。他还是一名出色的播客、视频博主、活动主持人和会议发言人，并曾在多家电子工程贸易出版物中担任主编和技术编辑。Brandon在不出席B2B技术受众的大型活动时，会通过电视指导菲尼克斯地区的体育特许经营公司。
