飞行汽车怎么“飞”起来

2021-10-15 00:48

  国庆出行时堵在路上的你,是否幻想过,如果汽车能够飞起来就好了?自从汽车诞生后,这个问题就一直出现在科幻文学和汽车研究者的视野中。如今,飞行汽车不再是幻想,作为面向城市空中出行的新型交通工具,正日益受到全球创新者的关注。日前,第三届世界新能源汽车大会在海南省海口市召开,期间“飞行汽车解决方案及发展前景”主题峰会让“飞行汽车”成为大会热词。专家们聚焦飞行汽车的定义、技术研发现状以及推广应用中面临的挑战和难点,展开深入研讨,这不仅是个技术问题,更关系到交通规划、空域安全等方方面面,他们也在期盼——飞行汽车,怎么“飞”起来。

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  1.未来的汽车肯定会“飞”起来?
  “飞行汽车既古老又现代,既是我们研究的前沿也是投资的热点。”在清华大学车辆与运载学院教授、汽车安全与节能国家重点实验室常务副主任张扬军看来,中国早在数千年前,人们就有了飞车梦。他举例说,在4000多年前的《山海经》中就有关于飞车最早的记载,关于飞车的实践在1600多年前晋朝的葛洪《抱朴子》里有所记录,关于飞车的小说也是我国古代的科幻小说《镜花缘》,这些都反映了古人的飞车梦想。
  “但过去100多年飞行汽车的实践探索,主要发生在美国,人们通过汽车与飞机的结合,设计出同时具备地面行驶和空中飞行功能的飞行汽车。”张扬军介绍,“这一时期人类是希望汽车飞上天,但汽车飞起来是滑跑飞行起降的,这个系统结构相对比较复杂,成本高,使用场景受限,主要是基于个人梦想家的小范围实践。”
  近年来,随着城市空中交通概念的兴起,现代飞行汽车概念由传统概念的陆空两栖车辆拓展为电动垂直起降飞行器。张扬军解释说,因为电动化技术的出现,现在飞行汽车从过去的燃油飞行汽车变成了电动飞行汽车。“此时飞行汽车的概念,就从早期狭义的陆空两栖汽车,变为更广义的面向城市空中交通、具有一定载荷和航程的电动垂直起降飞行器,我们称之为电动飞行汽车eVTOL。”eVTOL系统结构简单、安全冗余度高,将开启航空运输数量级增长城市空中交通的新时代,这是参会业内人士的共识。
  关于飞行汽车的发展方向,张扬军认为可以从航空和汽车两个方面来看:“一方面让天上飞的也能在地上跑,一方面让地上跑的也能去天上飞。”具体来说,从航空视角看,飞行汽车的发展即将开启城市空中交通的新通航时代,空地一体的飞行汽车时代是航空技术电动化、智能化的必然发展,也就是说未来在天上飞的eVTOL飞行汽车将会“跑”起来。而从汽车角度来看,汽车的发展正跨入一个电动汽车的时代,即将迎来智能汽车的时代,陆空一体的飞行汽车时代也是汽车电动化、智能化之后的必然结果,那么未来的汽车肯定会“飞”起来。

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  2.我们需要汽车飞起来吗?

  谈及飞行汽车的未来,张扬军非常乐观,他分析说,受需求牵引和技术推动两方面的影响,目前飞行汽车发展进入一个新的阶段。“从需求角度而言,交通拥堵成为我们各大城市普遍面临的难题,此时传统的修高架桥和地下隧道等举措已难以有效解决城市拥堵的交通流网络化效应问题,我们迫切需要利用城市三维空间来解决城市交通拥堵。”他认为,飞行汽车可以将地面的交通路面拓展到低空,从而有效地解决交通拥堵问题。另一方面从技术推动的角度来说,汽车的新能源技术也给航空的电动化发展奠定了好的基础。“新能源汽车可以说是第三次技术革命的推动者。”他总结说。
  “从现在到2030年这个阶段,飞行汽车主要可能还是处在早期的商业示范运行阶段。”按照张扬军的展望,2050年我们会迎来城市空中交通发展的时代,彼时地面也会迎来智能交通的时代,随着未来城市空中交通和地面交通的逐渐融合,飞行汽车的发展也将由电动飞行汽车的城市空中交通时代进入智能飞行汽车的立体智慧出行时代。“到那个时候,人类将重新回归和实现汽车飞起来的梦想。”
  而着眼于目前,飞行汽车的发展还处于从研究探索走向商业化应用的早期阶段。在张扬军看来,飞行汽车作为一种新型交通工具投入使用,涉及飞行汽车设计制造、适航认证、城市管理和低空空域管理等多个方面,需要研究和制定相应的法规标准和监管体系。
  那么,怎么建立飞行汽车发展应用的生态?“我个人认为在目前还面临规则等许多瓶颈的情况下,飞行汽车的应用应该先载物后载人。”张扬军提到了“物流”这个飞行汽车当前示范应用的最佳场景,在这个场景下,飞行汽车既可以实现大规模应用,同时对安全性等要求相对较低,而且物流应用过程中积累的数据和经验将为飞行汽车提高安全性提供重要的基础。
  目前,已出现的飞行汽车有传统固定翼、垂直起降、汽车加固定翼的结合体等几种构型。
  在峰会上,小鹏汇天创始人兼总裁赵德力带来了一种新构型。“我们希望有一款车能够展开翅膀,在堵车时、遇到障碍物和恶劣天气时飞起来——既能垂直起降又能兼顾路况的能飞的汽车。”小鹏汇天创始人兼总裁赵德力分析,中国的城市空中交通(UAM)市场预计在2030年将达到1万亿的市场规模,飞行汽车市场前景巨大;目前世界上有超过150家企业投身飞行汽车开发,参与者和投资方众多,行业方兴未艾且未出现明显优势者。为此他透露“小鹏汇天接下来将专注一款90%的时间在地上跑,10%的场景在天上飞的飞行汽车。”

  3.“飞”起来难在何处?

  张扬军认为,飞行汽车性能主要涉及平台构型、飞控驾驶和动力推进三大技术领域。“由于动力推进技术有其自身特有的专业技术门槛和难度,所以目前有关飞行汽车性能的技术研究主要集中在平台构型和飞控驾驶这两大技术领域,专门针对飞行汽车动力推进的研究相对较少。”张扬军分析说,动力推进的瓶颈导致飞行汽车的有效载荷低、航程短,这是当前飞行汽车性能研发面临的最主要问题和挑战。
  美国宾夕法尼亚州立大学讲席教授王朝阳也认为,能源动力决定着空中交通工具的续航里程、经济效益等,对飞行汽车的发展至关重要。他在本次峰会上介绍了一种新型电池——驱动飞行汽车的热调控电池。他认为高能量密度、高功率、快充是飞行汽车对动力电池的基本要求,每公斤能量密度要大于270千瓦,平均放电速率达到1C,快充速率达到3C以上。
  “飞行汽车使用快充的时间几乎在90%以上,而电动汽车使用快充的机会少于20%,前者对快充电池的安全要求更高。”他继续解释说,但是从电化学角度,电池内部有“析锂现象”,电池快充意味着必定有大量锂离子从正极向负极迁移,这是正常现象。但与此同时,大量锂离子往往来不及进入石墨颗粒里面,在其表面产生大量析锂,从而引起容量损失、电池内部短路,这是一个巨大的安全隐患。
  “使用热调控技术,可有效解决动力电池快充过程中的析锂现象,保障电池在2000次循环之后还可保持90%以上容量。”王朝阳说,热调控电池可以说是解决飞行汽车发展技术瓶颈的方法之一。
  除技术问题外,飞行汽车飞入生活还要解决规则和市场问题。根据张扬军的观点,规则问题涉及城市空域管理,包括“航线”的制定、行驶的规则、事故责任的划分、空中执法手段等。目前为止全球还没有任何针对飞行汽车认证和空中交通管理的清晰、统一的标准及规章体系。“此外还有市场问题,比如飞行汽车采用电动化分布式推进,实际运行噪声远比直升机小,但城市空中交通的运行频次较现有直升机城市运行要密集很多,对城市人类生活到底会产生多大影响,公众能否接受都尚未可知。”张扬军说,目前城市空中交通的基础设施、运营模式、经济成本,以及用户体验等也都未见雏形。
  参会专家们重点提到了飞行汽车的安全性问题。中国民航管理干部学院通用航空系主任吕人力强调了空中风险和地面风险。“目前,国内已经启动飞行试验和验证工作,正在建立一套能够满足试运行以及以后正式运行航空器的规则,同时也会对风险源进行安全评估。”他介绍。
  诚然,飞行汽车想要攻克目前面临的各个瓶颈问题,就必须结合不同的应用场景多次实验。在张扬军看来,海南正具备为飞行汽车进行场景测试的天然优势。“海南属于海岛地区,周边也有很多小海岛,修路修桥不方便的区域,飞行汽车就可以补缺。”他说,海南自贸港在税收以及加工增值等方面的政策优势,对飞行汽车制造也有很强的吸引力。此外,海南也有很多鲜活的海产品、农产品需要快速的物流运输,关于如何打破海峡对物流运输的限制这一难点,飞行汽车的试用也可参与进来进行共同探索。
  “未来,飞行汽车必定是在国际上广泛应用的,海南作为一个国际流通窗口,也有利于技术、产品等引进来、走出去。”张扬军说,目前飞行汽车在探索阶段需要更多的技术交流、可行性交流,就这点而言,正在建设自贸港的海南也非常有优势。

  4.飞行汽车能作为日常交通工具吗?

  作为交通工具,飞行汽车真正飞入人们生活或许还长路漫漫,但在不久的将来,我们应该会先看到它在消防救援领域大显身手。
  张扬军说,目前高层建筑的消防救援和森林防火是消防系统的主要痛点。这两个问题无法得到根本解决的关键在于没有有效装备,而飞行汽车的出现给上述问题的解决提供了新思路。飞行汽车可以非常快地(大概1分钟)飞抵百米高度,且其载荷能力强,可实现大流量喷水,非常适合高层建筑消防救援与森林防火应用。
  此外,飞行汽车的发展还会带来一系列连锁反应。“比如飞行汽车的电动化牵引,将增强电动汽车和电动航空的自主创新和产品升级;而飞行汽车关键技术瓶颈的突破,不仅可为发展城市空中交通奠定技术和平台基础,还将有效促进动力电池、燃料电池、新型轻量化材料和智能驾驶等产业链的技术突破与创新,增强新一轮科技革命和产业变革引领能力,对我国实现交通强国目标特别是发展电动航空战略新兴产业具有重要的战略意义。”张扬军说。
  从消防救援领域过渡到生活用车虽还有一段路要走,但依据飞行汽车的发展速度,现在畅想也正当其时。彼时驾驶作为生活用车的飞行汽车,是否需要考专业的飞行驾照?那时候需要空中交警执法吗?
  在张扬军看来,关于驾驶问题,我们倒是多虑了。“将来飞行汽车一定是无人驾驶的啊!”张扬军畅想道,“现阶段很多初创公司的产品确实是有人驾驶的,这种一定是专业的驾驶者,但对于我们普通大众来讲,飞行汽车驾驶跟我们应该是没有什么关系的。”
  张扬军分析,实现空中的无人驾驶其实并不难,因为飞行汽车会按照路径飞行,规划好了航线,空中路线肯定比地面路线要简单。“因为地面的交通流非常复杂,比如突然一个人过来或者车过来,智能汽车要去感知,要采取措施;空中飞行就相对比较简单,它没有复杂的交通流环境,至于空中飞行器之间的感知技术现在已经很成熟了。”张扬军说。
  在他看来,目前,飞行汽车智能驾驶技术的主要瓶颈是对复杂气象环境的感知。“低空湍流和风切变气象环境将严重威胁飞行汽车的飞行稳定性和安全性。此外在遇到不确定情况或错误时,飞行汽车无法像地面行驶汽车一样停在路边,必须提供应急恢复模式确保安全降落停靠。”张扬军说,“这是飞行汽车低空智能驾驶技术面临的最主要挑战。”

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