电动飞行时代何时到来？清华大学张扬军教授访谈

2021.5.13

Vol. 360

在目前全球城市空中飞行器（UAM）研究越来越火热的情况下，对电动飞行器的研究也在不断加深。

电动飞行器具有高效率、低噪声、低排放等优势，可以覆盖城市客运、货运、个人飞行器、紧急医疗服务等多种应用场景。随着人们绿色环保意识不断增强，城市化进程不断推进带来的交通拥堵、空气质量越来越差等问题愈发凸显，电动飞行器逐渐成为航空科技发展的新热点。

摩根斯坦利在2018年一份报告中认为，到2040年整个城市空中飞行器（UAM）市场空间会达到1.5万亿美元，这与目前自动驾驶汽车潜在的市场规模已在同一量级。NASA对UAM的定义是一种安全和高效的城市空中交通系统，其中电动垂直起降飞行器（eVTOL）无疑是UAM中最重要的一环。据美国垂直飞行协会数据显示，截至2020 年12 月全球的eVTOL开发项目已达400 余项。

经过近年来的积极探索，电动飞行器已经从早期的技术演示验证，发展到原型研制及认证的进程中，行业对其关注的重点也从早期单纯的技术创新逐步扩展到供应链管理、产品试验等部分。

总之，在全球范围内，电动飞行器技术已成为航空业发展的前沿阵地，全电推进与混合电推进系统正在创造全新的航空交通范式，将深刻改变全球交通运输业态。

对于这些问题，本刊采访了清华大学教授张扬军，张教授对电动飞行器的动力系统进行过深入的研究，在本文中他对UAM飞行器相关的技术和概念进行了全面的分析和探讨。

张扬军，清华大学教授、教育部特聘教授、莱特兄弟奖章中国首位获得者。

《国际航空》：最近几年，城市空中交通（UAM）领域的主流动力系统方案在全电动和混合动力之间摇摆，这是否意味着近年来这两种技术的发展速度有所不同？您认为哪种方案将是UAM飞行器的首选？

张扬军：面向城市空中交通的飞行器可称为“飞行汽车”。传统概念的飞行汽车主要是指那种陆空两栖交通工具，即汽车“飞”起来；现代概念飞行汽车则主要是指面向城市空中交通的工具，包括UAM，而eVTOL是其中最重要一环。

eVTOL的动力系统包括全电和混合动力两大类，具体形式可能为全电动、燃料电池或氢涡轮等新能源混合动力系统，以满足城市发展对交通工具绿色环保的要求。全电动力的飞行器可满足航程小于50km的城市物流和快速通勤需求，氢燃料电池/氢涡轮混合动力则可满足未来航程达百千米级的城市间物流和快速通勤需求。而基于传统燃气涡轮混合动力系统的UAM虽然近期可应用于城市空中应急救援装备，但未来发展将受到城市排放法规和可持续发展的限制。

贝尔公司首先研究了NEXUS 6HX的混合动力飞行器概念（上），后来又推出了NEXUS 4EX的全电飞行器概念（下）。

在更大功率级别上，兆瓦级及以上功率的燃气涡轮混合动力是民航运输领域近期和中期的研究重点，但随着大功率氢涡轮技术的逐渐成熟，氢涡轮混合动力将成为民航运输实现可持续发展的重要技术途径。

《国际航空》：混合动力飞机增加了对电力系统的控制方案，这是否会增加飞机控制系统的复杂程度？对飞机制造商有什么影响？

张扬军：相对于传统飞机的动力系统控制，对于混合动力飞行器来说确实增加了电机、逆变/整流器、电池等电气部件控制对象；但与此同时，这种飞行器可将飞机APU与主动力集成，或采用动力电池取代APU和冲压涡轮（RAT）等，可有效简化机载能源动力系统；而且动力电池还可应对负荷的瞬时波动，简化燃油发动机工况及其控制系统。动力电池还可以有效增加动力系统冗余度，可通过电传动实现分布式推进，在提高推进效率的同时大幅提高推进系统冗余度。可见混合动力飞机虽然增加了电力系统控制方案，飞机控制系统的复杂程度未必会增加，但飞机将会更安全、更高效、更环保。

空客E-Fan X混合动力支线飞机项目中各系统的组成。

混合动力飞机对于飞机制造商的影响主要在以下三个方面：一是混合动力系统、电气化传动系统和分布式推进系统等在飞机上的布置与集成问题；二是基于混合动力分布式电动风扇推进的翼身融合体设计问题，例如如何利用分布式电动风扇产生边界层抽吸效应实现飞机升阻比大幅提升；三是混合动力飞机上电能将成为主推进能源，电气部件的安全性和高空环境适应性将成为影响飞机安全性的关键因素。

《国际航空》：全电动力的固定翼和垂直起降飞行器最大起飞重量分别能做到什么级别？目前电池技术发展到了什么阶段，距离全电飞行器的理想状态还有多大差距？

张扬军：全电动力飞行器的能量来源为电池，电池能量密度比燃油有效能量密度低1个量级，因此全电动力飞行器的任务载荷和航程与传统燃油动力飞行器相比差距较大。若飞行器所需推进功率提高至兆瓦级以上，则电机功率密度将成为制约飞行器最大起飞重量的另一个关键因素。

全电动力主要适用于航程小于300km的固定翼飞行器和航程小于50km的垂直起降飞行器。现今电池系统能量密度水平约为200Wh/kg，电机功率密度约为5kW/kg，全电动力可用于最大起飞重量约为3t的9座级固定翼飞机和最大起飞重量约为3t的4座级垂直起降飞行器。当电池系统能量密度达到400Wh/kg,电机功率密度达到10kW/kg时,全电动力可用于最大起飞重量约为5t的19座级固定翼飞机，垂直起降飞行器的最大起飞重量可提升至6t。（注：全电垂直起降飞行器主要是指多旋翼分布推进布局的飞行器，传统构型直升机功率载荷一般为4kg/kW，全电直升机最大起飞重量一般不超过1吨。）

电池技术和产品的发展主要来自电动汽车发展的需求牵引。目前车用锂电池单体和系统的最高能量密度分别为300Wh/kg和200Wh/kg，预计到2025年电池单体和系统能量密度可达350Wh/kg和250Wh/kg，到2035年电池单体和系统能量密度有望达到380Wh/kg和300Wh/kg以上。在电池单体能量密度不断提升的基础上，通过电池结构轻量化设计以及电池与机身/机翼的一体化设计，减少电池系统结构重量，有效提高电池系统能量密度，是飞行器动力电池的研究重点和主要发展方向之一。

飞行器特别是垂直起降飞行器的起飞和降落过程中，动力电池瞬时放电倍率远高于电动汽车电池的放电倍率。汽车动力电池的放电倍率一般小于2C，而电动垂直起降飞行器的起飞和降落过程放电倍率达4C以上，高能量密度、高放电倍率的“双高”特性，是飞行器动力电池区别于汽车动力电池的显著特点。目前电池技术研究主要聚焦于高能量密度或高放电倍率的“单高”特性电池，针对“双高”特性电池的研究较少，迫切需要加强这方面的相关研究。

《国际航空》：发展氢能航空技术是航空运输业实现碳中和的主要途径。为了将氢能源更好地应用于航空业，需要突破哪些关键技术？氢燃料电池是否是近期氢能应用的主要方向？

张扬军：近年来中、美、日、欧等国家和地区纷纷加大氢能研发投入，氢能可实现航空业二氧化碳零排放并减少其他污染物排放，是航空运输业实现碳中和的主要途径，目前正逐渐成为研究热点。氢能在航空业应用还面临氢动力推进、氢燃料储存、机场基础设施建设、氢燃料生产以及氢安全等一系列关键技术挑战，其中氢动力推进和氢燃料储存则是氢能飞行器设计需要突破的主要关键技术。

空客的氢燃料飞机计划。

氢燃料质量能量密度高，约为120MJ/kg，是标准航空燃料的3倍，但体积能量密度较低，其机载储存困难是当前氢燃料应用于航空运输面临的主要瓶颈问题。高压气体储氢仅能用于小型、短航程飞机，难以用于中大型、远航程飞机；而液态储氢具有较高质量能量储存密度，但需解决冷却、高压等难题。采用翼身融合设计、箱式机翼结构等革命性的飞机设计新思路，将储氢系统与飞机结构结合提高飞机内部空间结构利用率是机载氢储存研究的热点和重要发展方向。

氢涡轮或燃料电池是航空氢动力推进最受关注的两个方向，其中氢燃料电池是近期航空氢能应用的研究重点。总体来说目前航空氢燃料电池技术还处于起步阶段，现有飞行器的燃料电池系统主要是基于车用燃料电池进行选型和定制，功率密度远低于传统航空发动机。高功重比和高空环境适应性等要求是航空燃料电池有别于车用燃料电池的特殊要求，其中功重比是决定飞行器载荷和航程的关键因素，功重比低是飞行器燃料电池动力系统发展面临的最主要瓶颈。

氢动力飞机可能的级别和应用范围。

《国际航空》：飞行汽车设计是更偏重汽车设计还是飞行器设计，目前还有哪些技术及非技术障碍？

张扬军：现代概念的飞行汽车主要是指面向城市空中交通的eVTOL飞行器，主要突出和强调空中飞行功能属性。随着汽车和航空电动化、智能化技术的跨界渗透与融合发展，智能交通设施的不断发展和完善，未来陆空两栖飞行器这样真正的“飞行汽车”其地面行驶属性必将得到实现和强化，但近期飞行汽车的技术和应用场景主要支撑和突出飞行模式优势，因此偏重飞行器设计。

eVTOL飞行器作为面向城市空中交通的新型交通工具，目前进入了一个新的发展阶段。但总体来说，eVTOL飞行器的发展目前还处从研究探索走向商业化应用的早期阶段。基于飞行汽车的城市空中交通，将颠覆人们传统的出行方式。但要实现这一美好的愿景，还需要突破一系列关键技术，还面临着许多瓶颈障碍。

从技术角度讲，eVTOL飞行器需要满足城市对飞行安全、环保和噪声控制等方面的性能要求。为满足城市环保和噪声等的要求，eVTOL飞行器必然由新能源动力推进，但新能源动力系统功重比低，还难以满足eVTOL飞行器商业化运营的要求。eVTOL飞行器新能源动力系统是汽车与航空新能源动力技术跨界融合发展的结合点、为航空新能源动力技术的重要抓手和突破口，正日益受到汽车和航空领域的重视。

由于城市空中管理的要求，eVTOL飞行器还需突破低空智能驾驶的关键技术瓶颈。与地面行驶不同，气象环境会严重影响低空飞行安全性，对低空气象环境的感知、决策与控制十分关键；在遇到不确定情况或错误时，eVTOL飞行器无法像地面行驶汽车一样停在路边，必须提供速降模式确保安全降落，是eVTOL飞行器低空无人智能驾驶技术面临的最主要挑战。

从非技术角度讲，面向城市空中交通的eVTOL飞行器还面临规则和市场等问题和挑战。其中规则问题涉及城市空域管理，认证，空中行驶规则，包括“航线”的制定、事故责任划分、空中执法手段等一系列问题；而市场问题涉及城市空中交通的基础设施、运营模式、经济成本、用户体验及公众接受程度等。

编辑：颜思铭

审核：彭　健

监制：王亚林