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        飛行汽車:怎么“飛”起來?

        2022-01-21 03:20:00鄒曉蕾
        科學(xué)中國人 2021年28期
        關(guān)鍵詞:空中交通張揚(yáng)電動(dòng)

        文 鄒曉蕾

        飛行汽車不只存在于想象和科幻小說中

        國慶出行時(shí)堵在路上的你,是否幻想過,如果汽車能夠飛起來就好了?自從汽車誕生后,這個(gè)問題就一直出現(xiàn)在科幻文學(xué)和汽車研究者的視野中。如今,飛行汽車不再是幻想,作為面向城市空中出行的新型交通工具,正日益受到全球創(chuàng)新者的關(guān)注。日前,第三屆世界新能源汽車大會(huì)在海南省??谑姓匍_,其間“飛行汽車解決方案及發(fā)展前景”主題峰會(huì)讓“飛行汽車”成為大會(huì)熱詞。專家們聚焦飛行汽車的定義、技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀以及推廣應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)和難點(diǎn),展開深入研討,這不僅是個(gè)技術(shù)問題,更關(guān)系到交通規(guī)劃、空域安全等方方面面,他們也在期盼——

        未來的汽車肯定會(huì)“飛”起來

        “飛行汽車既古老又現(xiàn)代,既是我們研究的前沿也是投資的熱點(diǎn)?!痹谇迦A大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院教授、汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任張揚(yáng)軍看來,中國早在數(shù)千年前,人們就有了飛車夢(mèng)。他舉例說,在4000多年前的《山海經(jīng)》中就有關(guān)于飛車最早的記載,關(guān)于飛車的實(shí)踐在1600多年前晉朝的葛洪《抱樸子》里也有所記錄。

        “但過去100多年飛行汽車的實(shí)踐探索,主要發(fā)生在美國,人們通過汽車與飛機(jī)的結(jié)合,設(shè)計(jì)出同時(shí)具備地面行駛和空中飛行功能的飛行汽車?!睆垞P(yáng)軍介紹,“這一時(shí)期人類是希望汽車飛上天,但汽車飛起來是滑跑飛行起降的,這個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜,成本高,使用場(chǎng)景受限,主要是基于個(gè)人夢(mèng)想家的小范圍實(shí)踐?!?/p>

        近年來,隨著城市空中交通概念的興起,現(xiàn)代飛行汽車概念由傳統(tǒng)概念的陸空兩棲車輛拓展為電動(dòng)垂直起降飛行器。張揚(yáng)軍解釋說,因?yàn)殡妱?dòng)化技術(shù)的出現(xiàn),現(xiàn)在飛行汽車從過去的燃油飛行汽車變成了電動(dòng)飛行汽車?!按藭r(shí)飛行汽車的概念,就從早期狹義的陸空兩棲汽車,變?yōu)楦鼜V義的面向城市空中交通、具有一定載荷和航程的電動(dòng)垂直起降飛行器,我們稱之為電動(dòng)飛行汽車eVTOL?!眅VTOL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全冗余度高,將開啟航空運(yùn)輸數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)城市空中交通的新時(shí)代,這是參會(huì)業(yè)內(nèi)人士的共識(shí)。

        關(guān)于飛行汽車的發(fā)展方向,張揚(yáng)軍認(rèn)為可以從航空和汽車兩個(gè)方面來看:“一方面讓天上飛的也能在地上跑,一方面讓地上跑的也能去天上飛?!本唧w來說,從航空視角看,飛行汽車的發(fā)展即將開啟城市空中交通的新通航時(shí)代,空地一體的飛行汽車時(shí)代是航空技術(shù)電動(dòng)化、智能化的必然發(fā)展,也就是說未來在天上飛的eVTOL飛行汽車將會(huì)“跑”起來。而從汽車角度來看,汽車的發(fā)展正跨入一個(gè)電動(dòng)汽車的時(shí)代,即將迎來智能汽車的時(shí)代,陸空一體的飛行汽車時(shí)代也是汽車電動(dòng)化、智能化之后的必然結(jié)果,那么未來的汽車肯定會(huì)“飛”起來。

        我們需要汽車飛起來嗎

        談及飛行汽車的未來,張揚(yáng)軍非常樂觀,他分析說,受需求牽引和技術(shù)推動(dòng)兩方面的影響,目前飛行汽車發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新的階段。“從需求角度而言,交通擁堵成為我們各大城市普遍面臨的難題,此時(shí)傳統(tǒng)的修高架橋和地下隧道等舉措已難以有效解決城市擁堵的交通流網(wǎng)絡(luò)化效應(yīng)問題,我們迫切需要利用城市三維空間來解決城市交通擁堵。”他認(rèn)為,飛行汽車可以將地面的交通路面拓展到低空,從而有效地解決交通擁堵問題。另一方面從技術(shù)推動(dòng)的角度來說,汽車的新能源技術(shù)也給航空的電動(dòng)化發(fā)展奠定了好的基礎(chǔ)?!靶履茉雌嚳梢哉f是第三次技術(shù)革命的推動(dòng)者。”他總結(jié)說。

        “從現(xiàn)在到2030年這個(gè)階段,飛行汽車主要可能還是處在早期的商業(yè)示范運(yùn)行階段?!卑凑諒垞P(yáng)軍的展望,2050年人類會(huì)迎來城市空中交通發(fā)展的時(shí)代,彼時(shí)地面也會(huì)迎來智能交通的時(shí)代,隨著未來城市空中交通和地面交通的逐漸融合,飛行汽車的發(fā)展也將由電動(dòng)飛行汽車的城市空中交通時(shí)代進(jìn)入智能飛行汽車的立體智慧出行時(shí)代?!暗侥莻€(gè)時(shí)候,人類將重新回歸和實(shí)現(xiàn)汽車飛起來的夢(mèng)想。”

        而著眼于目前,飛行汽車的發(fā)展還處于從研究探索走向商業(yè)化應(yīng)用的早期階段。在張揚(yáng)軍看來,飛行汽車作為一種新型交通工具投入使用,涉及飛行汽車設(shè)計(jì)制造、適航認(rèn)證、城市管理和低空空域管理等多個(gè)方面,需要研究和制定相應(yīng)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管體系。

        那么,怎么建立飛行汽車發(fā)展應(yīng)用的生態(tài)?“我個(gè)人認(rèn)為,在目前還面臨規(guī)則等許多瓶頸的情況下,飛行汽車的應(yīng)用應(yīng)該先載物后載人。”張揚(yáng)軍提到了“物流”這個(gè)飛行汽車當(dāng)前示范應(yīng)用的最佳場(chǎng)景。在這個(gè)場(chǎng)景下,飛行汽車既可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用,同時(shí)對(duì)安全性等要求相對(duì)較低,而且物流應(yīng)用過程中積累的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)將為飛行汽車提高安全性提供重要的基礎(chǔ)。

        目前,已出現(xiàn)的飛行汽車有傳統(tǒng)固定翼、垂直起降、汽車加固定翼的結(jié)合體等幾種構(gòu)型。

        在峰會(huì)上,小鵬匯天創(chuàng)始人兼總裁趙德力帶來了一種新構(gòu)型?!拔覀兿M幸豢钴嚹軌蛘归_翅膀,在堵車時(shí)、遇到障礙物和惡劣天氣時(shí)飛起來——既能垂直起降又能兼顧路況的能飛的汽車。”小鵬匯天創(chuàng)始人兼總裁趙德力分析,中國的城市空中交通(UAM)市場(chǎng)預(yù)計(jì)在2030年將達(dá)到1萬億的市場(chǎng)規(guī)模,飛行汽車市場(chǎng)前景巨大;目前世界上有超過150家企業(yè)投身飛行汽車開發(fā),參與者和投資方眾多,行業(yè)方興未艾且未出現(xiàn)明顯優(yōu)勢(shì)者。為此他透露:“小鵬匯天接下來將專注一款90%的時(shí)間在地上跑、10%的場(chǎng)景在天上飛的飛行汽車?!?/p>

        “飛”起來難在何處

        張揚(yáng)軍認(rèn)為,飛行汽車性能主要涉及平臺(tái)構(gòu)型、飛控駕駛和動(dòng)力推進(jìn)三大技術(shù)領(lǐng)域?!坝捎趧?dòng)力推進(jìn)技術(shù)有其自身特有的專業(yè)技術(shù)門檻和難度,所以目前有關(guān)飛行汽車性能的技術(shù)研究主要集中在平臺(tái)構(gòu)型和飛控駕駛這兩大技術(shù)領(lǐng)域,專門針對(duì)飛行汽車動(dòng)力推進(jìn)的研究相對(duì)較少?!睆垞P(yáng)軍分析說,動(dòng)力推進(jìn)的瓶頸導(dǎo)致飛行汽車的有效載荷低、航程短,這是當(dāng)前飛行汽車性能研發(fā)面臨的最主要問題和挑戰(zhàn)。

        美國賓夕法尼亞州立大學(xué)講席教授王朝陽也認(rèn)為,能源動(dòng)力決定著空中交通工具的續(xù)航里程、經(jīng)濟(jì)效益等,對(duì)飛行汽車的發(fā)展至關(guān)重要。他在此次峰會(huì)上介紹了一種新型電池——驅(qū)動(dòng)飛行汽車的熱調(diào)控電池。他認(rèn)為高能量密度、高功率、快充是飛行汽車對(duì)動(dòng)力電池的基本要求,每公斤能量密度要大于270KW,平均放電速率達(dá)到1C,快充速率達(dá)到3C以上。

        “飛行汽車使用快充的時(shí)間幾乎在90%以上,而電動(dòng)汽車使用快充的機(jī)會(huì)少于20%,前者對(duì)快充電池的安全要求更高?!彼^續(xù)解釋說,但是從電化學(xué)角度,電池內(nèi)部有“析鋰現(xiàn)象”,電池快充意味著必定有大量鋰離子從正極向負(fù)極遷移,這是正?,F(xiàn)象。但與此同時(shí),大量鋰離子往往來不及進(jìn)入石墨顆粒里面,在其表面產(chǎn)生大量析鋰,從而引起容量損失、電池內(nèi)部短路,這是一個(gè)巨大的安全隱患。

        有個(gè)顧客和她說,那邊店鋪的裁縫是個(gè)男的,現(xiàn)在會(huì)踩縫紉機(jī)的男的可不多見。李萍正在裁一條牛仔褲邊,一剪刀下去,差點(diǎn)剪歪了。晚上關(guān)了店門,李萍特意走到馬路對(duì)面的裁縫店。

        “使用熱調(diào)控技術(shù),可有效解決動(dòng)力電池快充過程中的析鋰現(xiàn)象,保障電池在2000次循環(huán)之后還可保持90%以上容量?!蓖醭栒f,熱調(diào)控電池可以說是解決飛行汽車發(fā)展技術(shù)瓶頸的方法之一。

        除技術(shù)問題外,飛行汽車飛入生活還要解決規(guī)則和市場(chǎng)問題。根據(jù)張揚(yáng)軍的觀點(diǎn),規(guī)則問題涉及城市空域管理,包括“航線”的制定、行駛的規(guī)則、事故責(zé)任的劃分、空中執(zhí)法手段等。目前為止全球還沒有任何針對(duì)飛行汽車認(rèn)證和空中交通管理的清晰、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)章體系。“此外還有市場(chǎng)問題,比如飛行汽車采用電動(dòng)化分布式推進(jìn),實(shí)際運(yùn)行噪聲遠(yuǎn)比直升機(jī)小,但城市空中交通的運(yùn)行頻次較現(xiàn)有直升機(jī)城市運(yùn)行要密集很多,對(duì)城市人類生活到底會(huì)產(chǎn)生多大影響,公眾能否接受都尚未可知?!睆垞P(yáng)軍說,目前城市空中交通的基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)營模式、經(jīng)濟(jì)成本,以及用戶體驗(yàn)等也都未見雛形。

        參會(huì)專家們重點(diǎn)提到了飛行汽車的安全性問題。中國民航管理干部學(xué)院通用航空系主任呂人力強(qiáng)調(diào)了空中風(fēng)險(xiǎn)和地面風(fēng)險(xiǎn)。“目前,國內(nèi)已經(jīng)啟動(dòng)飛行試驗(yàn)和驗(yàn)證工作,正在建立一套能夠滿足試運(yùn)行以及以后正式運(yùn)行航空器的規(guī)則,同時(shí)也會(huì)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行安全評(píng)估?!彼榻B。

        誠然,飛行汽車想要攻克目前面臨的各個(gè)瓶頸問題,就必須結(jié)合不同的應(yīng)用場(chǎng)景多次實(shí)驗(yàn)。在張揚(yáng)軍看來,海南正具備為飛行汽車進(jìn)行場(chǎng)景測(cè)試的天然優(yōu)勢(shì)?!昂D蠈儆诤u地區(qū),周邊也有很多小海島,修路修橋不方便的區(qū)域,飛行汽車就可以補(bǔ)缺。”他說,海南自貿(mào)港在稅收以及加工增值等方面的政策優(yōu)勢(shì),對(duì)飛行汽車制造也有很強(qiáng)的吸引力。此外,海南也有很多鮮活的海產(chǎn)品、農(nóng)產(chǎn)品需要快速的物流運(yùn)輸。關(guān)于如何打破海峽對(duì)物流運(yùn)輸?shù)南拗七@一難點(diǎn),飛行汽車的試用也可參與進(jìn)來進(jìn)行共同探索。

        “未來,飛行汽車必定是在國際上廣泛應(yīng)用的,海南作為一個(gè)國際流通窗口,也有利于技術(shù)、產(chǎn)品等引進(jìn)來、走出去。”張揚(yáng)軍說,目前飛行汽車在探索階段需要更多的技術(shù)交流、可行性交流,就這點(diǎn)而言,正在建設(shè)自貿(mào)港的海南也非常有優(yōu)勢(shì)。

        飛行汽車能作為日常交通工具嗎

        作為交通工具,飛行汽車真正飛入人們生活或許還長(zhǎng)路漫漫,但在不久的將來,我們應(yīng)該會(huì)先看到它在消防救援領(lǐng)域大顯身手。

        張揚(yáng)軍說,目前高層建筑的消防救援和森林防火是消防系統(tǒng)的主要痛點(diǎn)。這兩個(gè)問題無法得到根本解決的關(guān)鍵在于沒有有效裝備,而飛行汽車的出現(xiàn)給上述問題的解決提供了新思路。飛行汽車可以非??斓兀ù蟾?分鐘)飛抵百米高度,且其載荷能力強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)大流量噴水,非常適合高層建筑消防救援與森林防火應(yīng)用。

        此外,飛行汽車的發(fā)展還會(huì)帶來一系列連鎖反應(yīng)。“比如飛行汽車的電動(dòng)化牽引,將增強(qiáng)電動(dòng)汽車和電動(dòng)航空的自主創(chuàng)新和產(chǎn)品升級(jí);而飛行汽車關(guān)鍵技術(shù)瓶頸的突破,不僅可為發(fā)展城市空中交通奠定技術(shù)和平臺(tái)基礎(chǔ),還將有效促進(jìn)動(dòng)力電池、燃料電池、新型輕量化材料和智能駕駛等產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)突破與創(chuàng)新,增強(qiáng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革引領(lǐng)能力,對(duì)我國實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國目標(biāo)特別是發(fā)展電動(dòng)航空戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)具有重要的戰(zhàn)略意義?!睆垞P(yáng)軍說。

        從消防救援領(lǐng)域過渡到生活用車雖還有一段路要走,但依據(jù)飛行汽車的發(fā)展速度,現(xiàn)在暢想也正當(dāng)其時(shí)。彼時(shí)駕駛作為生活用車的飛行汽車,是否需要考專業(yè)的飛行駕照?那時(shí)候需要空中交警執(zhí)法嗎?

        在張揚(yáng)軍看來,關(guān)于駕駛問題,我們倒是多慮了。“將來飛行汽車一定是無人駕駛的??!”張揚(yáng)軍暢想道,“現(xiàn)階段很多初創(chuàng)公司的產(chǎn)品確實(shí)是有人駕駛的,這種一定是專業(yè)的駕駛者,但對(duì)于我們普通大眾來講,飛行汽車駕駛跟我們應(yīng)該是沒有什么關(guān)系的?!?/p>

        張揚(yáng)軍分析,實(shí)現(xiàn)空中的無人駕駛其實(shí)并不難,因?yàn)轱w行汽車會(huì)按照路徑飛行,規(guī)劃好了航線,空中路線肯定比地面路線要簡(jiǎn)單?!耙?yàn)榈孛娴慕煌鞣浅?fù)雜,比如突然一個(gè)人過來或者車過來,智能汽車要去感知,要采取措施;空中飛行就相對(duì)比較簡(jiǎn)單,它沒有復(fù)雜的交通流環(huán)境,至于空中飛行器之間的感知技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)很成熟了?!睆垞P(yáng)軍說。

        在張揚(yáng)軍看來,目前,飛行汽車智能駕駛技術(shù)的主要瓶頸是對(duì)復(fù)雜氣象環(huán)境的感知?!暗涂胀牧骱惋L(fēng)切變氣象環(huán)境將嚴(yán)重威脅飛行汽車的飛行穩(wěn)定性和安全性。此外在遇到不確定情況或錯(cuò)誤時(shí),飛行汽車無法像地面行駛汽車一樣停在路邊,必須提供應(yīng)急恢復(fù)模式確保安全降落??俊!彼f,“這是飛行汽車低空智能駕駛技術(shù)面臨的最主要挑戰(zhàn)?!?/p>

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