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、低排放等優勢，可以覆蓋城市客運、貨運、個人飛行器、緊急醫療服務等多種應用場景。隨著人們綠色環保意識不斷增強，城市化進程不斷推進帶來的交通擁堵、空氣質量越來越差等問題愈發凸顯，電動飛行器逐漸成為航空科技發展的新熱點。
摩根斯坦利在2018年一份報告中認為，到2040年整個城市空中飛行器（UAM）市場空間會達到1.5萬億美元，這與目前自動駕駛汽車潛在的市場規模已在同一量級。NASA對UAM的定義是一種安全和高效的城市空中交通系統，其中電動垂直起降飛行器（eVTOL）無疑是UAM中最重要的一環。據美國垂直飛行協會數據顯示，截至2020 年12 月全球的eVTOL開發項目已達400 余項。經過近年來的積極探索，電動飛行器已經從早期的技術演示驗證，發展到原型研制及認證的進程中，行業對其關注的重點也從早期單純的技術創新逐步擴展到供應鏈管理、產品試驗等部分。總之，在全球范圍內，電動飛行器技術已成為航空業發展的前沿陣地，全電推進與混合電推進系統正在創造全新的航空交通范式，將深刻改變全球交通運輸業態。對于這些問題，本刊采訪了清華大學教授張揚軍，張教授對電動飛行器的動力系統進行過深入的研究，在本文中他對UAM飛行器相關的技術和概念進行了全面的分析和探討。
張揚軍，清華大學教授、教育部特聘教授、萊特兄弟獎章中國首位獲得者。
《國際航空》：最近幾年，城市空中交通（UAM）領域的主流動力系統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的發展速度有所不同？您認為哪種方案將是UAM飛行器的首選？
張揚軍：面向城市空中交通的飛行器可稱為“飛行汽車”。傳統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。eVTOL的動力系統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，以滿足城市發展對交通工具綠色環保的要求。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百千米級的城市間物流和快速通勤需求。而基于傳統燃氣渦輪混合動力系統的UAM雖然近期可應用于城市空中應急救援裝備，但未來發展將受到城市排放法規和可持續發展的限制。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氣渦輪混合動力是民航運輸領域近期和中期的研究重點，但隨著大功率氫渦輪技術的逐漸成熟，氫渦輪混合動力將成為民航運輸實現可持續發展的重要技術途徑。《國際航空》：混合動力飛機增加了對電力系統的控制方案，這是否會增加飛機控制系統的復雜程度？對飛機制造商有什么影響？
張揚軍：相對于傳統飛機的動力系統控制，對于混合動力飛行器來說確實增加了電機、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，可有效簡化機載能源動力系統；而且動力電池還可應對負荷的瞬時波動，簡化燃油發動機工況及其控制系統。動力電池還可以有效增加動力系統冗余度，可通過電傳動實現分布式推進，在提高推進效率的同時大幅提高推進系統冗余度。可見混合動力飛機雖然增加了電力系統控制方案，飛機控制系統的復雜程度未必會增加，但飛機將會更安全、更高效、更環保。空客E-Fan X混合動力支線飛機項目中各系統的組成。
混合動力飛機對于飛機制造商的影響主要在以下三個方面：一是混合動力系統、電氣化傳動系統和分布式推進系統等在飛機上的布置與集成問題；二是基于混合動力分布式電動風扇推進的翼身融合體設計問題，例如如何利用分布式電動風扇產生邊界層抽吸效應實現飛機升阻比大幅提升；三是混合動力飛機上電能將成為主推進能源，電氣部件的安全性和高空環境適應性將成為影響飛機安全性的關鍵因素。《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？目前電池技術發展到了什么階段，距離全電飛行器的理想狀態還有多大差距？
張揚軍：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載荷和航程與傳統燃油動力飛行器相比差距較大。若飛行器所需推進功率提高至兆瓦級以上，則電機功率密度將成為制約飛行器最大起飛重量的另一個關鍵因素。
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。現今電池系統能量密度水平約為200Wh/kg，電機功率密度約為5kW/kg，全電動力可用于最大起飛重量約為3t的9座級固定翼飛機和最大起飛重量約為3t的4座級垂直起降飛行器。當電池系統能量密度達到400Wh/kg,電機功率密度達到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，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布局的飛行器，傳統構型直升機功率載荷一般為4kg/kW，全電直升機最大起飛重量一般不超過1噸。）電池技術和產品的發展主要來自電動汽車發展的需求牽引。目前車用鋰電池單體和系統的最高能量密度分別為300Wh/kg和200Wh/kg，預計到2025年電池單體和系統能量密度可達350Wh/kg和250Wh/kg，到2035年電池單體和系統能量密度有望達到380Wh/kg和300Wh/kg以上。在電池單體能量密度不斷提升的基礎上，通過電池結構輕量化設計以及電池與機身/機翼的一體化設計，減少電池系統結構重量，有效提高電池系統能量密度，是飛行器動力電池的研究重點和主要發展方向之一。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別于汽車動力電池的顯著特點。目前電池技術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，迫切需要加強這方面的相關研究。《國際航空》：發展氫能航空技術是航空運輸業實現碳中和的主要途徑。為了將氫能源更好地應用于航空業，需要突破哪些關鍵技術？氫燃料電池是否是近期氫能應用的主要方向？
張揚軍：近年來中、美、日、歐等國家和地區紛紛加大氫能研發投入，氫能可實現航空業二氧化碳零排放并減少其他污染物排放，是航空運輸業實現碳中和的主要途徑，目前正逐漸成為研究熱點。氫能在航空業應用還面臨氫動力推進、氫燃料儲存、機場基礎設施建設、氫燃料生產以及氫安全等一系列關鍵技術挑戰，其中氫動力推進和氫燃料儲存則是氫能飛行器設計需要突破的主要關鍵技術。
空客的氫燃料飛機計劃。
氫燃料質量能量密度高，約為120MJ/kg，是標準航空燃料的3倍，但體積能量密度較低，其機載儲存困難是當前氫燃料應用于航空運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，難以用于中大型、遠航程飛機；而液態儲氫具有較高質量能量儲存密度，但需解決冷卻、高壓等難題。采用翼身融合設計、箱式機翼結構等革命性的飛機設計新思路，將儲氫系統與飛機結構結合提高飛機內部空間結構利用率是機載氫儲存研究的熱點和重要發展方向。氫渦輪或燃料電池是航空氫動力推進最受關注的兩個方向，其中氫燃料電池是近期航空氫能應用的研究重點。總體來說目前航空氫燃料電池技術還處于起步階段，現有飛行器的燃料電池系統主要是基于車用燃料電池進行選型和定制，功率密度遠低于傳統航空發動機。高功重比和高空環境適應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鍵因素，功重比低是飛行器燃料電池動力系統發展面臨的最主要瓶頸。氫動力飛機可能的級別和應用范圍。
《國際航空》：飛行汽車設計是更偏重汽車設計還是飛行器設計，目前還有哪些技術及非技術障礙？
張揚軍：現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，主要突出和強調空中飛行功能屬性。隨著汽車和航空電動化、智能化技術的跨界滲透與融合發展，智能交通設施的不斷發展和完善，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現和強化，但近期飛行汽車的技術和應用場景主要支撐和突出飛行模式優勢，因此偏重飛行器設計。
eVTOL飛行器作為面向城市空中交通的新型交通工具，目前進入了一個新的發展階段。但總體來說，eVTOL飛行器的發展目前還處從研究探索走向商業化應用的早期階段。基于飛行汽車的城市空中交通，將顛覆人們傳統的出行方式。但要實現這一美好的愿景，還需要突破一系列關鍵技術，還面臨著許多瓶頸障礙。從技術角度講，eVTOL飛行器需要滿足城市對飛行安全、環保和噪聲控制等方面的性能要求。為滿足城市環保和噪聲等的要求，eVTOL飛行器必然由新能源動力推進，但新能源動力系統功重比低，還難以滿足eVTOL飛行器商業化運營的要求。eVTOL飛行器新能源動力系統是汽車與航空新能源動力技術跨界融合發展的結合點、為航空新能源動力技術的重要抓手和突破口，正日益受到汽車和航空領域的重視。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鍵技術瓶頸。與地面行駛不同，氣象環境會嚴重影響低空飛行安全性，對低空氣象環境的感知、決策與控制十分關鍵；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面臨的最主要挑戰。從非技術角度講，面向城市空中交通的eVTOL飛行器還面臨規則和市場等問題和挑戰。其中規則問題涉及城市空域管理，認證，空中行駛規則，包括“航線”的制定、事故責任劃分、空中執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設施、運營模式、經濟成本、用戶體驗及公眾接受程度等。
