【行业发展】清华大学张扬军:飞行汽车的发展及新能源动力技术研究

发布时间:2021-09-16 15:33 点击数:56

2021年9月15-17日,“第三届世界新能源汽车大会”(WNEVC 2021)在海南省海口召开,由中国科协、海南省人民政府及中国科学技术协会、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家市场监督管理总局、国家能源局共同主办。

其中,在9月15日举办的“飞行汽车解决方案及发展前景”主题峰会上,清华大学张扬军教授发表演讲。

以下内容为现场演讲实录:

飞行汽车应该说既古老又现代,既是我们研究的前沿也是投资的热点,今天很荣幸就这一话题来跟大家进行分享和交流。

今天交流的题目是“飞行汽车的发展及新能源动力技术研究”,我主要从飞行汽车探索和未来发展、飞行汽车性能和关键技术以及飞行汽车新能源动力研究三个方面来进行交流。

首先是飞行汽车探索和发展,我主要从早期梦想、现在新时代城市公共交通以及未来发展三个方面来讲。像鸟一样自由地飞翔是我们人类永恒的梦想,最早关于飞车的记载是4000多年前,我们《山海经》中的记载。关于飞车的实践是1600多年前我国晋朝的葛洪《抱扑子》里有所记录,最早关于飞车的小说也是我们国家的科幻小说《镜花缘》,这是早期的关于飞车的梦想。

我们说自100多年前我们发明汽车和飞机以来,人们就一直探索将二者结合起来,同时具备地面行驶和空中飞行功能的汽车,铝制的机身和固定翼结合被认为是飞行汽车发展历史上具有里程碑的一步,所以Curtis也被称为飞行汽车之父。到17年我们中国的吉利公司收购美国的Terrafugia汽车,这100年发展飞行汽车的探索主要发生在美国,主要是基于我们对于人类飞行梦想的激励。120年来飞行汽车的探索主要是驱动,主要是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,它应该说要融入我们地面的交通体系是有一定困难的,但是它在特定场合还是有它的一些应用前景,是我们早期第一个阶段百年的探索,是汽车和飞机发明以来二者的结合。

进入21世纪,飞行汽车发展进入一个新的阶段,它从需求牵引和技术推动两个方面进行。21世纪关于需求牵引方面,交通拥堵成为我们各大城市普遍面临的难题,这个时候我们传统的修高架桥和地下隧道等举措已难以有效解决我们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,飞行汽车将地面的交通路面拓展到低空,它可以有效地解决交通拥堵问题。这是需求牵引的角度。另一方面从技术推动的角度来说,我们讲汽车的新能源技术,给航空的新能源也就是电动化奠定了好的基础,新能源航空我们又称为继莱特兄弟实现重于空气的航空器持续飞行和二战时实现喷气式飞行动力系统之后的第三次航空技术革命,我们的活塞动力是第一次革命,我们活塞动力转换为涡喷动力是第二次革命,我们新能源航空实现第二次推进是第三次技术革命,新能源汽车成为了第三次技术革命的推动者。

现在飞行汽车就从过去燃油飞行汽车变成了电动飞行汽车,就是电动化的技术出来了,早期飞行汽车的概念我们说它就是陆空两栖,汽车可以飞起来,现在这个概念拓展为面向城市空中交通的电动垂直起降飞行器,我们叫做电动飞行汽车,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。

那飞行汽车发展的未来,我们说从航空视角看,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,也就是说未来的eVTOL飞行汽车将会“跑”起来。

那我们从汽车角度来看,汽车的发展正跨入一个电动汽车的时代,我们即将迎来智能汽车的时代,陆空一体的飞行汽车时代也是我们汽车电动化、智能化之后的一个必然结果,也就是说未来的汽车它将“飞”起来。

因此我们来看一下展望,大概在我们现在到2030年这个阶段,飞行汽车主要可能还是一个早期的商业示范运行,到2050年我们会迎来城市空中交通发展的时代,我们的地面可能也迎来一个智能交通的时代,随着我们未来的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我们前面讲的电动飞行汽车的城市空中交通时代进入一个智能飞行汽车的立体智慧出行时代,这个时候人类将重新回归和实现汽车飞起来的梦想,我们说一百年就是汽车要飞起来,现在我们在强调空中飞行的属性。

这是我前面想讲的关于飞行汽车探索三个阶段的发展,飞行汽车的发展我们说现在它进入了一个新的阶段,但是它还是面临一系列各方面的瓶颈,我们主要是从性能和关键技术来进行一个简单的介绍。

主要面临的问题,我们讲规则、市场和技术是飞行汽车发展的三大基石,规则问题就涉及到城市的空域管理、飞行汽车的认证、飞行汽车的空中行驶规则,包括航线的制定、事故责任划分以及空中执法手段等一系列的问题。市场问题涉及到城市空中交通以及立体交通的基础设施、运营模式、经济成本、用户体验以及公众的接受程度。技术问题是飞行汽车的性能必须要满足我们面向城市的交通工具的要求,在这个里面我们主要从性能角度讲讲技术问题。

飞行汽车的性能我们讲它应该有三大基本性能要求:垂直起降、绿色环保、安全高效。首先是垂直起降,因为城市空间的限制要求我们的飞行汽车为垂直起降飞行器,而且对于未来的飞行汽车必须要具备即时垂直起来的功能才能融入地面交通系统,垂直起降旋翼和涵道风扇是一个技术途径,对于未来我们认为多涵道风扇可能更加符合未来的应用场景。

绿色环保来说,因为飞行汽车作为一个新型的交通工具必须要满足城市发展对交通工具绿色环保新能源低噪声的要求,我们城市地面的交通正在进入一个新能源汽车的时代,飞行汽车的主导动力必然为新能源动力系统。另一方面,噪声是限制我们城市空中交通发展的一个重要因素。

第三个方面是安全高效,低空飞行的安全性是飞行汽车性能的核心,我们飞行汽车采用新能源动力系统它还将带来除我们传统飞机安全性以外的电安全、热安全、氢安全等新的航空安全性问题,当然高能效、高经济效益也是飞行汽车作为一个交通工具如果进入城市并实行规模化应用的话,它也是除安全以外的一个重要的前提。

涉及性能三个方面,从关键技术的角度来讲也主要有三个方面的关键技术,就是平台构型、飞控驾驶和动力推进,平台构型实际上我们现在看到了非常多,现在主要是多旋翼,复合翼几种,这是我们飞行汽车总体设计的一个重要发展方向。

第二个方面是飞控驾驶,从城市空中交通管理和飞行汽车规模化应用驾驶技能需求的角度,都要求飞行汽车应该为智能无人驾驶,当然我们在特定的应用场合可以是有人驾驶,那是专业人员,但飞行汽车在智能驾驶所面临的障碍环境没有地面复杂,它面临的问题就是在空中是高速的,这个可能速度高一点,但是它最大的一个问题就是说气象环境严重影响我们低空飞行的安全性,就是说气象环境的感知、决策以及去应对的控制比较复杂,这是从智能驾驶角度来考虑的。

另一方面就是飞行汽车在空中出现一些故障模式的时候无法像智能汽车一样停在路边,我必须要有合适的安全模式使得它能够安全地挪下来,然后再停到路边,这也是飞控驾驶、智能驾驶的一个难点。

第三个方面的难点是动力推进,动力推进肯定是一个新能源的电动推进系统,这个是决定我们汽车性能的关键。目前来说,飞行汽车研究现在的创业公司按照美国统计有4百多家在做,研究主要集中在平台构型和飞控驾驶技术方面,主要是对于已有技术和产品进行选型、系统集成和应用。

动力角度面临几个瓶颈:功重比低、经济安全性和效率。我们讲动力电池、燃料电池、混合动力等飞行汽车新能源电动推进动力系统的功重比低,举个例子,涡轮发动机6到8,一发电就变成了4到5,再混合就变成了1,燃料电池还更低。但是垂直起降固定翼要求更高一些,而且还要满足安全性,它有更多的冗余安全性要求,所以这就导致我们现在汽车的载荷小、航程短,这是我们目前面临的一个最重要的瓶颈之一。

第二个是安全性差,飞行汽车作为一个新能源的动力推进系统飞行器,虽然说它可以实现分布式推进,有效提高安全冗余度,这是它的优势,电动化带来的一个非常大的优势。但是目前关于飞行汽车新能源动力的电机、动力电池和燃料电池的安全性设计和适航性研究非常欠缺,要达到航规级的安全性要求还需要做大量的工作。

第三个方面是经济性差,这个当然是相对比较而言,跟前两个比,我们要实现规模化的,就要求低成本。这个时候生产和供应链应充分利用汽车行业已有的基础,但是毕竟在空中飞,它的能耗会大于地面行程能耗,而且基于大数据、人工智能的飞行汽车空中交通会显著增加能耗。

这是前面讲的性能和关键技术,因为我本人是搞动力的,所以下面简单就新能源动力来给大家做汇报。

飞行汽车动力的类型主要大致分为动力电池、燃料电池和涡轮混合动力这三大类型的电动动力推进系统,我们大致地分类,它大概分别适用于我们轻型的飞行汽车,或者说中型的飞行汽车以及重型的飞行汽车,对应的三大类型没有那么严格,总体来讲是这样。动力推进系统当然是电动风扇也可以是电动螺旋桨,广义的。

下面我简单汇报一下飞行汽车的新能源动力它的战略地位,以及我们清华在这个方面的布局和进展。习近平总书记说新能源等技术的交叉融合正在引发新一轮科技革命和产业变革,而新一轮科技革命和产业变革正在重构全球的创新版图、重塑全球的经济结构。那我们讲了,汽车是我们新一轮科技革命特别是新能源产业变革的主战场,航空新能源动力是新能源科技革命和产业变革的一个战略高地,飞行汽车就是我们汽车和航空新能源动力跨界融合发展的结合点,所以我们说,以飞行汽车为牵引,将有效增强我们新能源汽车和新能源航空的自主创新能力,促进产业创新发展,这是战略地位。

我们国家在汽车新能源领域是处于一个国际的领先地位,这个为我们飞行汽车以及航空新能源的发展奠定了较好的基础。清华大学汽车专业原来叫汽车系,后来更名为车辆与运载学院,我们有一个国家重点实验室,在我们更名学院以后我们是在原来车辆和汽车动力和汽车工程研究所的基础上,增加了智能出行研究所、面向智能交通和特种车辆动力研究所,主要面向飞行和航空的这两个研究所,我们建立了一个清华大学通用航空技术研究中心,飞行汽车又是航空新能源动力技术革命的引领者,所以我们又建立了国家第一个航空新能源动力分中心的研究平台,这是我们国家第一个,还没有正式挂牌,程序刚走完10月份准备正式挂牌,这是第一个针对我们航空新能源的研究。当然也是依托我们清华刚刚成立了中国空间动力研究会航空动力专委会,清华大学以特种动力团队为核心,战略布局了飞行汽车和航空新能源动力的一个技术研究。

我简单来讲讲规划,所谓的特种动力就是航空的动力,我们和传统车辆动力结合叫涡轮增压动力,然后我们的车辆电化学动力我们叫做涡轮混合动力,我们主要是以高功重比、高效率、智能化的涡轮混合动力系统研发为牵引,以涡轮发电、动力电池和燃料电池为核心,来进行飞行汽车和航空新能源动力技术的研究,近期我们重点突破是高功重比的涡轮混合动力技术,使我们的飞行汽车能有载荷、有航程,促进它走向实用。

因为时间关系,我就简单说一下我们目前的进展情况。刚才讲了跟动力电池的涡轮混合,我们现在有一个比较大的进展,就是高功重比的涡轮发电,因为这个是国家层面的,我们有了这个,过去是没有动力可选的。第二是我们突破了可以4C持续放电的双高动力电池关键技术,我们飞行汽车的动力电池叫三高,跟我们汽车比就是高比能量、高环境适应性,因为我们还有气压的问题,除了低温以外,我们现在正在研发这个起飞重量500公斤和一吨的飞行汽车,100和300千瓦的动力系统,这个还在联调,其实今天下午正在颁2021年的亚洲流体机械杰出工程师奖,这是马上可以提供给我们行业的一个动力系统,这是电池联合的是天津力池,涡轮发电是联合了航空科技和航空科工。

第二个是燃料电池的涡轮混合,这里主要是提出了高温的方案,现在清华主要是针对高功重比高能量密度放量电池,我们希望功重比在0.5,汽车在0.3以下,所以说要求会高一点,总体我大概今天想跟大家汇报和交流的情况就是这样的。

最后我想说一点结束语,福特在1940年就说,请记住我下面的话:飞机与汽车结合的产物就要来了,你可能会笑,但它一定会来的。但是我今天想以这句话作为结束语,飞行汽车历经百年探索,城市空中出行时代即将开启,根据我刚才跟大家汇报交流的三个阶段,我们认为城市空中规模化出行时代的到来,现在已经开始在做一些示范之类的,很可能在福特说的一百年之后的2040年左右。

谢谢大家!

来源:汽车俱乐部Plus


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