飛行汽車：怎麼“飛”起來？
作者：鄒曉菁
國慶出行時堵在路上的你，是否幻想過，如果汽車能夠飛起來就好了？自從汽車誕生後，這個問題就一直出現在科幻文學和汽車研究者的視野中。如今，飛行汽車不再是幻想，作爲面向城市空中出行的新型交通工具，正日益受到全球創新者的關注。日前，第三屆世界新能源汽車大會在海南省海口市召開，期間“飛行汽車解決方案及發展前景”主題峰會讓“飛行汽車”成爲大會熱詞。專家們聚焦飛行汽車的定義、技術研發現狀以及推廣應用中面臨的挑戰和難點，展開深入研討，這不僅是個技術問題，更關係到交通規劃、空域安全等方方面面，他們也在期盼——
光明圖片/視覺中國
一、未來的汽車肯定會“飛”起來
“飛行汽車既古老又現代，既是我們研究的前沿也是投資的熱點。”在清華大學車輛與運載學院教授、汽車安全與節能國家重點實驗室常務副主任張揚軍看來，中國早在數千年前，人們就有了飛車夢。他舉例說，在4000多年前的《山海經》中就有關於飛車最早的記載，關於飛車的實踐在1600多年前晉朝的葛洪《抱朴子》裡有所記錄，關於飛車的小說也是我國古代的科幻小說《鏡花緣》，這些都反映了古人的飛車夢想。
“但過去100多年飛行汽車的實踐探索，主要發生在美國，人們通過汽車與飛機的結合，設計出同時具備地面行駛和空中飛行功能的飛行汽車。”張揚軍介紹，“這一時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，這個系統結構相對比較複雜，成本高，使用場景受限，主要是基於個人夢想家的小範圍實踐。”
近年來，隨着城市空中交通概念的興起，現代飛行汽車概念由傳統概念的陸空兩棲車輛拓展爲電動垂直起降飛行器。張揚軍解釋說，因爲電動化技術的出現，現在飛行汽車從過去的燃油飛行汽車變成了電動飛行汽車。“此時飛行汽車的概念，就從早期狹義的陸空兩棲汽車，變爲更廣義的面向城市空中交通、具有一定載荷和航程的電動垂直起降飛行器，我們稱之爲電動飛行汽車eVTOL。”eVTOL系統結構簡單、安全冗餘度高，將開啓航空運輸數量級增長城市空中交通的新時代，這是參會業內人士的共識。
關於飛行汽車的發展方向，張揚軍認爲可以從航空和汽車兩個方面來看：“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。”具體來說，從航空視角看，飛行汽車的發展即將開啓城市空中交通的新通航時代，空地一體的飛行汽車時代是航空技術電動化、智能化的必然發展，也就是說未來在天上飛的eVTOL飛行汽車將會“跑”起來。而從汽車角度來看，汽車的發展正跨入一個電動汽車的時代，即將迎來智能汽車的時代，陸空一體的飛行汽車時代也是汽車電動化、智能化之後的必然結果，那麼未來的汽車肯定會“飛”起來。
二、我們需要汽車飛起來嗎
談及飛行汽車的未來，張揚軍非常樂觀，他分析說，受需求牽引和技術推動兩方面的影響，目前飛行汽車發展進入一個新的階段。“從需求角度而言，交通擁堵成爲我們各大城市普遍面臨的難題，此時傳統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絡化效應問題，我們迫切需要利用城市三維空間來解決城市交通擁堵。”他認爲，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。另一方面從技術推動的角度來說，汽車的新能源技術也給航空的電動化發展奠定了好的基礎。“新能源汽車可以說是第三次技術革命的推動者。”他總結說。
“從現在到2030年這個階段，飛行汽車主要可能還是處在早期的商業示範運行階段。”按照張揚軍的展望，2050年我們會迎來城市空中交通發展的時代，彼時地面也會迎來智能交通的時代，隨着未來城市空中交通和地面交通的逐漸融合，飛行汽車的發展也將由電動飛行汽車的城市空中交通時代進入智能飛行汽車的立體智慧出行時代。“到那個時候，人類將重新迴歸和實現汽車飛起來的夢想。”
而着眼於目前，飛行汽車的發展還處於從研究探索走向商業化應用的早期階段。在張揚軍看來，飛行汽車作爲一種新型交通工具投入使用，涉及飛行汽車設計製造、適航認證、城市管理和低空空域管理等多個方面，需要研究和制定相應的法規標準和監管體系。
那麼，怎麼建立飛行汽車發展應用的生態？“我個人認爲在目前還面臨規則等許多瓶頸的情況下，飛行汽車的應用應該先載物後載人。”張揚軍提到了“物流”這個飛行汽車當前示範應用的最佳場景，在這個場景下，飛行汽車既可以實現大規模應用，同時對安全性等要求相對較低，而且物流應用過程中積累的數據和經驗將爲飛行汽車提高安全性提供重要的基礎。
目前，已出現的飛行汽車有傳統固定翼、垂直起降、汽車加固定翼的結合體等幾種構型。
在峰會上，小鵬匯天創始人兼總裁趙德力帶來了一種新構型。“我們希望有一款車能夠展開翅膀，在堵車時、遇到障礙物和惡劣天氣時飛起來——既能垂直起降又能兼顧路況的能飛的汽車。”小鵬匯天創始人兼總裁趙德力分析，中國的城市空中交通（UAM）市場預計在2030年將達到1萬億的市場規模，飛行汽車市場前景巨大；目前世界上有超過150家企業投身飛行汽車開發，參與者和投資方衆多，行業方興未艾且未出現明顯優勢者。爲此他透露“小鵬匯天接下來將專注一款90%的時間在地上跑，10%的場景在天上飛的飛行汽車。”
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三、“飛”起來難在何處
張揚軍認爲，飛行汽車性能主要涉及平臺構型、飛控駕駛和動力推進三大技術領域。“由於動力推進技術有其自身特有的專業技術門檻和難度，所以目前有關飛行汽車性能的技術研究主要集中在平臺構型和飛控駕駛這兩大技術領域，專門針對飛行汽車動力推進的研究相對較少。”張揚軍分析說，動力推進的瓶頸導致飛行汽車的有效載荷低、航程短，這是當前飛行汽車性能研發面臨的最主要問題和挑戰。
美國賓夕法尼亞州立大學講席教授王朝陽也認爲，能源動力決定着空中交通工具的續航里程、經濟效益等，對飛行汽車的發展至關重要。他在本次峰會上介紹了一種新型電池——驅動飛行汽車的熱調控電池。他認爲高能量密度、高功率、快充是飛行汽車對動力電池的基本要求，每公斤能量密度要大於270千瓦，平均放電速率達到1C，快充速率達到3C以上。
“飛行汽車使用快充的時間幾乎在90%以上，而電動汽車使用快充的機會少於20%，前者對快充電池的安全要求更高。”他繼續解釋說，但是從電化學角度，電池內部有“析鋰現象”，電池快充意味着必定有大量鋰離子從正極向負極遷移，這是正常現象。但與此同時，大量鋰離子往往來不及進入石墨顆粒裡面，在其表面產生大量析鋰，從而引起容量損失、電池內部短路，這是一個巨大的安全隱患。
“使用熱調控技術，可有效解決動力電池快充過程中的析鋰現象，保障電池在2000次循環之後還可保持90%以上容量。”王朝陽說，熱調控電池可以說是解決飛行汽車發展技術瓶頸的方法之一。
除技術問題外，飛行汽車飛入生活還要解決規則和市場問題。根據張揚軍的觀點，規則問題涉及城市空域管理，包括“航線”的制定、行駛的規則、事故責任的劃分、空中執法手段等。目前爲止全球還沒有任何針對飛行汽車認證和空中交通管理的清晰、統一的標準及規章體系。“此外還有市場問題，比如飛行汽車採用電動化分佈式推進，實際運行噪聲遠比直升機小，但城市空中交通的運行頻次較現有直升機城市運行要密集很多，對城市人類生活到底會產生多大影響，公衆能否接受都尚未可知。”張揚軍說，目前城市空中交通的基礎設施、運營模式、經濟成本，以及用戶體驗等也都未見雛形。
參會專家們重點提到了飛行汽車的安全性問題。中國民航管理幹部學院通用航空系主任呂人力強調了空中風險和地面風險。“目前，國內已經啓動飛行試驗和驗證工作，正在建立一套能夠滿足試運行以及以後正式運行航空器的規則，同時也會對風險源進行安全評估。”他介紹。
誠然，飛行汽車想要攻克目前面臨的各個瓶頸問題，就必須結合不同的應用場景多次實驗。在張揚軍看來，海南正具備爲飛行汽車進行場景測試的天然優勢。“海南屬於海島地區，周邊也有很多小海島，修路修橋不方便的區域，飛行汽車就可以補缺。”他說，海南自貿港在稅收以及加工增值等方面的政策優勢，對飛行汽車製造也有很強的吸引力。此外，海南也有很多鮮活的海產品、農產品需要快速的物流運輸，關於如何打破海峽對物流運輸的限制這一難點，飛行汽車的試用也可參與進來進行共同探索。
“未來，飛行汽車必定是在國際上廣泛應用的，海南作爲一個國際流通窗口，也有利於技術、產品等引進來、走出去。”張揚軍說，目前飛行汽車在探索階段需要更多的技術交流、可行性交流，就這點而言，正在建設自貿港的海南也非常有優勢。
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四、飛行汽車能作爲日常交通工具嗎
作爲交通工具，飛行汽車真正飛入人們生活或許還長路漫漫，但在不久的將來，我們應該會先看到它在消防救援領域大顯身手。
張揚軍說，目前高層建築的消防救援和森林防火是消防系統的主要痛點。這兩個問題無法得到根本解決的關鍵在於沒有有效裝備，而飛行汽車的出現給上述問題的解決提供了新思路。飛行汽車可以非常快地（大概1分鐘）飛抵百米高度，且其載荷能力強，可實現大流量噴水，非常適合高層建築消防救援與森林防火應用。
此外，飛行汽車的發展還會帶來一系列連鎖反應。“比如飛行汽車的電動化牽引，將增強電動汽車和電動航空的自主創新和產品升級；而飛行汽車關鍵技術瓶頸的突破，不僅可爲發展城市空中交通奠定技術和平臺基礎，還將有效促進動力電池、燃料電池、新型輕量化材料和智能駕駛等產業鏈的技術突破與創新，增強新一輪科技革命和產業變革引領能力，對我國實現交通強國目標特別是發展電動航空戰略新興產業具有重要的戰略意義。”張揚軍說。
從消防救援領域過渡到生活用車雖還有一段路要走，但依據飛行汽車的發展速度，現在暢想也正當其時。彼時駕駛作爲生活用車的飛行汽車，是否需要考專業的飛行駕照？那時候需要空中交警執法嗎？
在張揚軍看來，關於駕駛問題，我們倒是多慮了。“將來飛行汽車一定是無人駕駛的啊！”張揚軍暢想道，“現階段很多初創公司的產品確實是有人駕駛的，這種一定是專業的駕駛者，但對於我們普通大衆來講，飛行汽車駕駛跟我們應該是沒有什麼關係的。”
張揚軍分析，實現空中的無人駕駛其實並不難，因爲飛行汽車會按照路徑飛行，規劃好了航線，空中路線肯定比地面路線要簡單。“因爲地面的交通流非常複雜，比如突然一個人過來或者車過來，智能汽車要去感知，要採取措施；空中飛行就相對比較簡單，它沒有複雜的交通流環境，至於空中飛行器之間的感知技術現在已經很成熟了。”張揚軍說。
在他看來，目前，飛行汽車智能駕駛技術的主要瓶頸是對複雜氣象環境的感知。“低空湍流和風切變氣象環境將嚴重威脅飛行汽車的飛行穩定性和安全性。此外在遇到不確定情況或錯誤時，飛行汽車無法像地面行駛汽車一樣停在路邊，必須提供應急恢復模式確保安全降落停靠。”張揚軍說，“這是飛行汽車低空智能駕駛技術面臨的最主要挑戰。”
來源：《光明日報》（ 2021年10月14日 16版）