在目前全球城市空中飛行器（UAM）研究越來越火熱的情況下，對電動飛行器的研究也在不斷加深。
電動飛行器具有高效率、低噪聲、低排放等優(yōu)勢，可以覆蓋城市客運(yùn)、貨運(yùn)、個人飛行器、緊急醫(yī)療服務(wù)等多種應(yīng)用場景。隨著人們綠色環(huán)保意識不斷增強(qiáng)，城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)帶來的交通擁堵、空氣質(zhì)量越來越差等問題愈發(fā)凸顯，電動飛行器逐漸成為航空科技發(fā)展的新熱點(diǎn)。
摩根斯坦利在2018年一份報告中認(rèn)為，到2040年整個城市空中飛行器（UAM）市場空間會達(dá)到1.5萬億美元，這與目前自動駕駛汽車潛在的市場規(guī)模已在同一量級。NASA對UAM的定義是一種安全和高效的城市空中交通系統(tǒng)，其中電動垂直起降飛行器（eVTOL）無疑是UAM中最重要的一環(huán)。據(jù)美國垂直飛行協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，截至2020 年12 月全球的eVTOL開發(fā)項(xiàng)目已達(dá)400 余項(xiàng)。經(jīng)過近年來的積極探索，電動飛行器已經(jīng)從早期的技術(shù)演示驗(yàn)證，發(fā)展到原型研制及認(rèn)證的進(jìn)程中，行業(yè)對其關(guān)注的重點(diǎn)也從早期單純的技術(shù)創(chuàng)新逐步擴(kuò)展到供應(yīng)鏈管理、產(chǎn)品試驗(yàn)等部分。總之，在全球范圍內(nèi)，電動飛行器技術(shù)已成為航空業(yè)發(fā)展的前沿陣地，全電推進(jìn)與混合電推進(jìn)系統(tǒng)正在創(chuàng)造全新的航空交通范式，將深刻改變?nèi)蚪煌ㄟ\(yùn)輸業(yè)態(tài)。對于這些問題，本刊采訪了清華大學(xué)教授張揚(yáng)軍，張教授對電動飛行器的動力系統(tǒng)進(jìn)行過深入的研究，在本文中他對UAM飛行器相關(guān)的技術(shù)和概念進(jìn)行了全面的分析和探討。
張揚(yáng)軍，清華大學(xué)教授、教育部特聘教授、萊特兄弟獎?wù)轮袊孜猾@得者。
《國際航空》：最近幾年，城市空中交通（UAM）領(lǐng)域的主流動力系統(tǒng)方案在全電動和混合動力之間搖擺，這是否意味著近年來這兩種技術(shù)的發(fā)展速度有所不同？您認(rèn)為哪種方案將是UAM飛行器的首選？
張揚(yáng)軍：面向城市空中交通的飛行器可稱為“飛行汽車”。傳統(tǒng)概念的飛行汽車主要是指那種陸空兩棲交通工具，即汽車“飛”起來；現(xiàn)代概念飛行汽車則主要是指面向城市空中交通的工具，包括UAM，而eVTOL是其中最重要一環(huán)。eVTOL的動力系統(tǒng)包括全電和混合動力兩大類，具體形式可能為全電動、燃料電池或氫渦輪等新能源混合動力系統(tǒng)，以滿足城市發(fā)展對交通工具綠色環(huán)保的要求。全電動力的飛行器可滿足航程小于50km的城市物流和快速通勤需求，氫燃料電池/氫渦輪混合動力則可滿足未來航程達(dá)百千米級的城市間物流和快速通勤需求。而基于傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪混合動力系統(tǒng)的UAM雖然近期可應(yīng)用于城市空中應(yīng)急救援裝備，但未來發(fā)展將受到城市排放法規(guī)和可持續(xù)發(fā)展的限制。貝爾公司首先研究了NEXUS 6HX的混合動力飛行器概念（上），后來又推出了NEXUS 4EX的全電飛行器概念（下）。
在更大功率級別上，兆瓦級及以上功率的燃?xì)鉁u輪混合動力是民航運(yùn)輸領(lǐng)域近期和中期的研究重點(diǎn)，但隨著大功率氫渦輪技術(shù)的逐漸成熟，氫渦輪混合動力將成為民航運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)途徑。《國際航空》：混合動力飛機(jī)增加了對電力系統(tǒng)的控制方案，這是否會增加飛機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度？對飛機(jī)制造商有什么影響？
張揚(yáng)軍：相對于傳統(tǒng)飛機(jī)的動力系統(tǒng)控制，對于混合動力飛行器來說確實(shí)增加了電機(jī)、逆變/整流器、電池等電氣部件控制對象；但與此同時，這種飛行器可將飛機(jī)APU與主動力集成，或采用動力電池取代APU和沖壓渦輪（RAT）等，可有效簡化機(jī)載能源動力系統(tǒng)；而且動力電池還可應(yīng)對負(fù)荷的瞬時波動，簡化燃油發(fā)動機(jī)工況及其控制系統(tǒng)。動力電池還可以有效增加動力系統(tǒng)冗余度，可通過電傳動實(shí)現(xiàn)分布式推進(jìn)，在提高推進(jìn)效率的同時大幅提高推進(jìn)系統(tǒng)冗余度。可見混合動力飛機(jī)雖然增加了電力系統(tǒng)控制方案，飛機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度未必會增加，但飛機(jī)將會更安全、更高效、更環(huán)保。空客E-Fan X混合動力支線飛機(jī)項(xiàng)目中各系統(tǒng)的組成。
混合動力飛機(jī)對于飛機(jī)制造商的影響主要在以下三個方面：一是混合動力系統(tǒng)、電氣化傳動系統(tǒng)和分布式推進(jìn)系統(tǒng)等在飛機(jī)上的布置與集成問題；二是基于混合動力分布式電動風(fēng)扇推進(jìn)的翼身融合體設(shè)計問題，例如如何利用分布式電動風(fēng)扇產(chǎn)生邊界層抽吸效應(yīng)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)升阻比大幅提升；三是混合動力飛機(jī)上電能將成為主推進(jìn)能源，電氣部件的安全性和高空環(huán)境適應(yīng)性將成為影響飛機(jī)安全性的關(guān)鍵因素。《國際航空》：全電動力的固定翼和垂直起降飛行器最大起飛重量分別能做到什么級別？目前電池技術(shù)發(fā)展到了什么階段，距離全電飛行器的理想狀態(tài)還有多大差距？
張揚(yáng)軍：全電動力飛行器的能量來源為電池，電池能量密度比燃油有效能量密度低1個量級，因此全電動力飛行器的任務(wù)載荷和航程與傳統(tǒng)燃油動力飛行器相比差距較大。若飛行器所需推進(jìn)功率提高至兆瓦級以上，則電機(jī)功率密度將成為制約飛行器最大起飛重量的另一個關(guān)鍵因素。
全電動力主要適用于航程小于300km的固定翼飛行器和航程小于50km的垂直起降飛行器?，F(xiàn)今電池系統(tǒng)能量密度水平約為200Wh/kg，電機(jī)功率密度約為5kW/kg，全電動力可用于最大起飛重量約為3t的9座級固定翼飛機(jī)和最大起飛重量約為3t的4座級垂直起降飛行器。當(dāng)電池系統(tǒng)能量密度達(dá)到400Wh/kg,電機(jī)功率密度達(dá)到10kW/kg時,全電動力可用于最大起飛重量約為5t的19座級固定翼飛機(jī)，垂直起降飛行器的最大起飛重量可提升至6t。（注：全電垂直起降飛行器主要是指多旋翼分布推進(jìn)布局的飛行器，傳統(tǒng)構(gòu)型直升機(jī)功率載荷一般為4kg/kW，全電直升機(jī)最大起飛重量一般不超過1噸。）電池技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展主要來自電動汽車發(fā)展的需求牽引。目前車用鋰電池單體和系統(tǒng)的最高能量密度分別為300Wh/kg和200Wh/kg，預(yù)計到2025年電池單體和系統(tǒng)能量密度可達(dá)350Wh/kg和250Wh/kg，到2035年電池單體和系統(tǒng)能量密度有望達(dá)到380Wh/kg和300Wh/kg以上。在電池單體能量密度不斷提升的基礎(chǔ)上，通過電池結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計以及電池與機(jī)身/機(jī)翼的一體化設(shè)計，減少電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)重量，有效提高電池系統(tǒng)能量密度，是飛行器動力電池的研究重點(diǎn)和主要發(fā)展方向之一。飛行器特別是垂直起降飛行器的起飛和降落過程中，動力電池瞬時放電倍率遠(yuǎn)高于電動汽車電池的放電倍率。汽車動力電池的放電倍率一般小于2C，而電動垂直起降飛行器的起飛和降落過程放電倍率達(dá)4C以上，高能量密度、高放電倍率的“雙高”特性，是飛行器動力電池區(qū)別于汽車動力電池的顯著特點(diǎn)。目前電池技術(shù)研究主要聚焦于高能量密度或高放電倍率的“單高”特性電池，針對“雙高”特性電池的研究較少，迫切需要加強(qiáng)這方面的相關(guān)研究。《國際航空》：發(fā)展氫能航空技術(shù)是航空運(yùn)輸業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的主要途徑。為了將氫能源更好地應(yīng)用于航空業(yè)，需要突破哪些關(guān)鍵技術(shù)？氫燃料電池是否是近期氫能應(yīng)用的主要方向？
張揚(yáng)軍：近年來中、美、日、歐等國家和地區(qū)紛紛加大氫能研發(fā)投入，氫能可實(shí)現(xiàn)航空業(yè)二氧化碳零排放并減少其他污染物排放，是航空運(yùn)輸業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的主要途徑，目前正逐漸成為研究熱點(diǎn)。氫能在航空業(yè)應(yīng)用還面臨氫動力推進(jìn)、氫燃料儲存、機(jī)場基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、氫燃料生產(chǎn)以及氫安全等一系列關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，其中氫動力推進(jìn)和氫燃料儲存則是氫能飛行器設(shè)計需要突破的主要關(guān)鍵技術(shù)。
空客的氫燃料飛機(jī)計劃。
氫燃料質(zhì)量能量密度高，約為120MJ/kg，是標(biāo)準(zhǔn)航空燃料的3倍，但體積能量密度較低，其機(jī)載儲存困難是當(dāng)前氫燃料應(yīng)用于航空運(yùn)輸面臨的主要瓶頸問題。高壓氣體儲氫僅能用于小型、短航程飛機(jī)，難以用于中大型、遠(yuǎn)航程飛機(jī)；而液態(tài)儲氫具有較高質(zhì)量能量儲存密度，但需解決冷卻、高壓等難題。采用翼身融合設(shè)計、箱式機(jī)翼結(jié)構(gòu)等革命性的飛機(jī)設(shè)計新思路，將儲氫系統(tǒng)與飛機(jī)結(jié)構(gòu)結(jié)合提高飛機(jī)內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)利用率是機(jī)載氫儲存研究的熱點(diǎn)和重要發(fā)展方向。氫渦輪或燃料電池是航空氫動力推進(jìn)最受關(guān)注的兩個方向，其中氫燃料電池是近期航空氫能應(yīng)用的研究重點(diǎn)。總體來說目前航空氫燃料電池技術(shù)還處于起步階段，現(xiàn)有飛行器的燃料電池系統(tǒng)主要是基于車用燃料電池進(jìn)行選型和定制，功率密度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)航空發(fā)動機(jī)。高功重比和高空環(huán)境適應(yīng)性等要求是航空燃料電池有別于車用燃料電池的特殊要求，其中功重比是決定飛行器載荷和航程的關(guān)鍵因素，功重比低是飛行器燃料電池動力系統(tǒng)發(fā)展面臨的最主要瓶頸。氫動力飛機(jī)可能的級別和應(yīng)用范圍。
《國際航空》：飛行汽車設(shè)計是更偏重汽車設(shè)計還是飛行器設(shè)計，目前還有哪些技術(shù)及非技術(shù)障礙？
張揚(yáng)軍：現(xiàn)代概念的飛行汽車主要是指面向城市空中交通的eVTOL飛行器，主要突出和強(qiáng)調(diào)空中飛行功能屬性。隨著汽車和航空電動化、智能化技術(shù)的跨界滲透與融合發(fā)展，智能交通設(shè)施的不斷發(fā)展和完善，未來陸空兩棲飛行器這樣真正的“飛行汽車”其地面行駛屬性必將得到實(shí)現(xiàn)和強(qiáng)化，但近期飛行汽車的技術(shù)和應(yīng)用場景主要支撐和突出飛行模式優(yōu)勢，因此偏重飛行器設(shè)計。
eVTOL飛行器作為面向城市空中交通的新型交通工具，目前進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段。但總體來說，eVTOL飛行器的發(fā)展目前還處從研究探索走向商業(yè)化應(yīng)用的早期階段?；陲w行汽車的城市空中交通，將顛覆人們傳統(tǒng)的出行方式。但要實(shí)現(xiàn)這一美好的愿景，還需要突破一系列關(guān)鍵技術(shù)，還面臨著許多瓶頸障礙。從技術(shù)角度講，eVTOL飛行器需要滿足城市對飛行安全、環(huán)保和噪聲控制等方面的性能要求。為滿足城市環(huán)保和噪聲等的要求，eVTOL飛行器必然由新能源動力推進(jìn)，但新能源動力系統(tǒng)功重比低，還難以滿足eVTOL飛行器商業(yè)化運(yùn)營的要求。eVTOL飛行器新能源動力系統(tǒng)是汽車與航空新能源動力技術(shù)跨界融合發(fā)展的結(jié)合點(diǎn)、為航空新能源動力技術(shù)的重要抓手和突破口，正日益受到汽車和航空領(lǐng)域的重視。由于城市空中管理的要求，eVTOL飛行器還需突破低空智能駕駛的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。與地面行駛不同，氣象環(huán)境會嚴(yán)重影響低空飛行安全性，對低空氣象環(huán)境的感知、決策與控制十分關(guān)鍵；在遇到不確定情況或錯誤時，eVTOL飛行器無法像地面行駛汽車一樣停在路邊，必須提供速降模式確保安全降落，是eVTOL飛行器低空無人智能駕駛技術(shù)面臨的最主要挑戰(zhàn)。從非技術(shù)角度講，面向城市空中交通的eVTOL飛行器還面臨規(guī)則和市場等問題和挑戰(zhàn)。其中規(guī)則問題涉及城市空域管理，認(rèn)證，空中行駛規(guī)則，包括“航線”的制定、事故責(zé)任劃分、空中執(zhí)法手段等一系列問題；而市場問題涉及城市空中交通的基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)營模式、經(jīng)濟(jì)成本、用戶體驗(yàn)及公眾接受程度等。
