清华教授全面解读飞行汽车时代

2017-06-05 14:22:00 环球时报 分享
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  之一

  飞行汽车——世界交通巨头关于未来交通的赌局

  (环球时报-环球网报道 记者王海峰)

  极具未来主义色彩的飞行汽车近来突然变得炙手可热。继美国优步公司声称要在2020年提供飞行出租车服务之后,日本丰田公司也宣布加入飞行汽车研究行列,目标是2020年东京奥运会前实现产品化。此前,声称制造出“世界首辆飞行汽车”的创业公司很多。据统计,世界大约有40家公司拿出了自己的飞行汽车方案,甚至有公司开始接受订单。近来,空客、优步、丰田的加入,让人们听到了飞行汽车时代到来的脚步声。

  然而,特斯拉的首席执行官马斯克前不久在接受彭博社专访时称,“飞行汽车是个愚蠢的主意”。他表示,飞行汽车为保持在空中飞行不掉落,需向下产生强大升力,这样的作法会为地上的行人带来强劲风压及噪音,在空中发生碰撞时,掉落的碎屑也可能造成危害。不过,最骇人听闻的还是:“如果有人没好好保养他的飞行汽车,从空中掉落的毂盖可会把你斩首。”

  在这场未来交通工具的竞争中,中国学者并没有缺席。

  飞行汽车时代正在到来吗?它离“飞入寻常百姓家”还需要多久?中国飞行汽车研发现状如何?带着这些问题,《环球时报》记者采访了清华大学的张扬军教授。

  张扬军是教育部长江学者特聘教授,清华大学通用航空技术研究中心主任,汽车安全与节能国家重点实验室常务副主任,2013年和2016 年国家科技进步二等奖获得者。他带领的团队研发的电动涵道风扇无人机曾参加第二届军民融合发展高技术成果展。涵道风扇推进是世界飞行汽车推进技术三大流派之一,利用这一技术研发中国的飞行汽车正是张扬军教授的努力方向之一。

  之二

  飞行汽车——人类个人化化飞行的终极幻想

  人类对飞行汽车的设想在飞机诞生后不久就产生了。1917年,飞行汽车之父、美国航空先驱格伦•柯蒂斯就向人们展示了他制作的飞行汽车。他的Autoplane装有三只翼展达12.2米的机翼,用汽车发动机驱动车尾的四叶片螺旋推动器。但Autoplane从未真正飞上天空,最多只能实现一些短距离的飞行式跳跃。

  此后,不断有人预言飞行汽车的出现,包括福特汽车公司的创立者亨利•福特。他于1940年声称,会飞的汽车即将问世。这一预言到现在都没有实现,但并不影响人类对飞行汽车的憧憬。

  环球时报:人类有了各种交通方式,为什么还需要飞行汽车?

  张扬军:人类对自由的向往是没有止境的。正是在这种追求下,交通运输发生了4次革命:第一次,汽车出现,汽车代替马车;第二次,螺旋桨小型飞机出现,人类实现飞行梦想;第三次,喷气式大客机出现,成为主流的空中交通方式。第四次,就是正在到来的“通用航空”革命,小飞机、个人化飞行将逐渐成为重要交通方式。严格说来,飞行汽车是“通用航空器”的一种。

  在路上开车,突然前面没路了,我们就会想,如果能飞起来有多好。坐飞机出行,在机场倒来倒去,真麻烦,我们就会想,能不能直接开到家里呢?道路规划,4车道、8车道,路越来越宽,但还是堵车,我们就会想,能不能规划出立体空中交通网?人类要摆脱这些束缚,自然而然地想着把陆空交通融合起来,在美国也有人把第四次交通革命称为建设“空中高速路”。

  环球时报:从技术上分析,陆空交通融合不容易吧。

  张扬军:汽车和航空最初是一起研究的,比如20世纪30年代清华大学的飞机和汽车研究就是一个研究组,其中飞机研究部分在西南联大时期单独组建了清华航空系,1952年院校调整时与其它几所高校航空系一起,组建了北京航空学院即今天的北京航空航天大学,汽车研究部分于1980年组建清华汽车工程系。动力的研究最具有代表性,早期飞机和汽车动力都是内燃机,后来才走向不同的道路,汽车沿着内燃机技术方向前进,航空则因高速飞行的需求发展出涡轮发动机的技术。但现在航空动力继续分叉,追求高速的一支是与航天动力融合,形成以涡轮冲压为特点的空天动力。另一支低空、低速的即通用航空则又回头与汽车动力融合,朝电动化方向发展。汽车和通用飞机现在只是在发动机等零部件技术上是相通的,但往后发展,就会有整机产品把它们合二为一,这就是飞行汽车。

  之三

  电动化、智能化——实现飞行汽车的技术路线

  环球时报:原来都是创业公司在做飞行汽车,现在更多大公司开始投巨资研发飞行汽车,是不是技术的进步让他们看到产品实现在的可能性?

  张扬军:对,实现飞行汽车的技术路线已经能够看得到。一方面与通航技术的进步有关。这有点类似于开车,早期的司机都是职业司机,需要专门训练,后来技术的发展让汽车越来越“傻瓜化”,开车变得越来越简单。汽车的智能化把人解放出来了,就有更多的人接受它、应用它。同样,如果开飞机与过去一样专业,对大多数人来说,它是没法用的。所以,只有操作简单化之后,飞行汽车才能从冒险者的游戏、爱好者的玩具,变成大家都能用的通用航空器。

  除了通航技术本身的进步,空管技术的进步也非常很重要。只有空管部门能看得到、能监视得住、能让你按照设定的空中路线飞行,即“空中高速路网”建设完备,飞行汽车才有实际应用的可能。

  环球时报:飞行汽车变为现实,最关键的是在哪些技术上取得突破?

  张扬军:我认为电动化、智能化是飞行汽车实现的两大关键。理想的飞行汽车一定要垂直起降,意味着它要有不同的推进系统:地面推进系统和空中推进系统。如果电动化推进技术没有发展起来,仅两种推进系统的布置就是一个令人望而却步的难关。电动化之后,这一问题就简单了,不仅推进系统容易布置,还可以通过分布式推进降低能耗。智能化则有两个层次,一是飞行汽车本身的智能化或无人驾驶,飞行简单化;二是它作为未来智能交通的一部分,在一个大系统里面对它进行控制、管理。

  电动化、智能化技术目前的研究应用热点与重点均是在汽车领域,这自然带动了飞行汽车的概念。从这个角度讲,飞行汽车未来的大规模应用将可能从汽车领域首先发展起来,是让汽车飞起来。内燃机、燃料电池等发动机技术、电动化推进技术和智能交通技术是汽车和通用航空发展的共性关键技术,依托汽车工业的技术基础、设计思路和供应链,能有效降低通航飞机的制造和使用成本。基于智能交通和能源互联网、空地人协同的飞行汽车,将是未来通用航空的发展愿景。

  之四

  涵道风扇推进——中国的飞行汽车动力选择

  在清华大学汽车研究所的试验室内,《环球时报》记者看到了未来飞行汽车最关键的部件之一——作为动力系统的涵道风扇。如果不是张扬军教授提醒,记者很难把这个不起眼的“风扇”与科幻中的飞行汽车联系起来。但就是这个“风扇”产生的巨大力量,将托起梦幻般的飞行汽车。张扬军教授介绍说,他们的涵道风扇一个能产生1吨的推力,两个就能产生2吨推力,未来根据需要,可大可小。

  环球时报:虽然飞行汽车都是汽车的亲戚,但我们看到国外已经造出的飞行汽车外形差异很大,像荷兰的PAL-V,看起来就像是一个三蹦子装上螺旋桨。目前的飞行汽车有哪几大流派?

  张扬军:从飞行推进的角度大体上可以归结为三大类:第一种:涵道风扇类,没有机翼。以色列的X-Hawk就是这种。第二种,固定机翼类,其机翼一般可折叠。美国的TF-X、MOLLER SKYCAR都是这种。第三种,直升机旋翼类,一般也可折叠。三大流派之间也会有结合,有借鉴。

  环球时报:您的团队正在研制的飞行汽车属于哪个流派?涵道风扇派?有何优势?

  张扬军:我们研制的飞行汽车为电动涵道风扇推进汽车,具有垂直起降的功能。升力和推力由不同的涵道风扇提供,飞行汽车在路面行驶时可随时飞起来,不需要像已有的一些飞行汽车方案那样,飞行之前需要停车并进行变形等一系列操作。

  技术方面,我们的研究重点在电动涵道风扇推进。涵道风扇推进相对于螺旋桨推进具有推力大、效率高、噪声低和安全性好等优点,且可实现垂直起降,代表了中低速飞行推进的发展方向。

  与空客等国外涵道风扇主要是基于螺旋桨设计的外流叶型技术不同,清华的涵道风扇设计主要是基于航空发动机风扇叶片的内流叶型技术,在技术路径上有我们自己的特色。我们团队主要成员都具有航空发动机博士毕业的专业背景,具有从事航空发动机研究的经历。十五至十二五期间,我们将航空技术应用于汽车领域,跨行业交叉创新,发展了涡轮增压器高通流叶片设计和涡轮增压发动机流场耦合匹配技术,分别获得2013年和2016年国家科技进步二等奖。在两个国家奖研究成果的基础上,结合清华大学在电动汽车方面的研究基础,从十二五末开始,我们又立足汽车面向通航领域,开展电动高通流涵道风扇推进系统研究。与普通涵道风扇相比,在同等推力下,高通流涵道风扇的噪音低、尺寸小,飞行速度范围却高出一倍以上,达到1.5马赫。

  从通用航空技术发展的角度,清华大学真正的优势领域是在发动机、电推进和智能交通领域。清华大学汽车安全与节能国家重点实验室(汽车工程系)目前建有完整的内燃机、涡轮机、混合动力、燃料电池、动力电池和智能交通等实验研究平台,可为通航技术研究提供高水平的研究平台支撑。目前我们正与安徽航瑞、重庆通航集团、德国亚琛工大等合作,进行航空内燃机、内燃混合动力飞机和航空涡轮电推进系统技术的相关研究。实际上,我们成立通用航空技术研究中心的目的,就是要发挥汽车安全与节能国家重点实验室在发动机、电推进和智能交通等技术研究的学科及行业基础优势,整合校内外通航技术研究的相关资源,以飞行汽车为牵引,进行关键技术攻关及成果军民双向转化应用研究,努力将中心建设成为通用航空技术相关新兴交叉学科方向教学、科研和社会服务的国际一流的高层次人才培养基地和高水平科学研究机构。

  环球时报:中国的飞行汽车水平如何?与国外先进水平有多大差距?

  张扬军:国内很早就有探讨要做飞行汽车的,但其实大家都还刚刚起步。与国外相比,我们某一单项技术有特色,有优势,但从整体上来说,还落后不少。我们还在测试推进系统,人家的产品已经在试飞了。

  之五

  飞行汽车困境——车好造,路难铺

  环球时报:飞行汽车距离走入寻常百姓生活还有多远?

  张扬军:从交通技术发展的角度,通航代表的是一种未来。交通技术近期的发展将经过以下几个阶段:第一步是电动汽车,它现在已经发展起来了,并将继续产业化。第二步是无人驾驶、车联网。第三步是通用航空。这里的通用航空指的还不是飞行汽车,只不过它的愿景是飞行汽车。通航的发展让个性化飞行走入百姓生活。中国已经在开始布局通用机场的发展,并培育飞行文化。

  通用航空行业的发展,与国家的政策紧密相关。这些政策包括产业的扶持、空域的开放等。但空域的开放又跟技术进步相关,现在中国低空不让飞,低空空域还未放开,很多小飞机都是在黑飞。为什么低空不开放?因为对监管部门来说,低空信息看不见。低空飞行的监管与大数据、信息化技术都关联着的。能管才能放。因此,建立低空监视网络系统也就是“空中高速路”,也应是通航发展基础建设的重要部分。

  中国与美国的航空文化不同。美国很多人从小就玩飞机,它的飞行员是从开小飞机起步,逐渐变成一种职业。中国飞行员是专门培训,学开飞机是要靠这个吃饭,而不是玩。这就是中国的航空文化。另外,从军事角度来看,美国有大量海外基地,他大量的军事飞行训练是在海外进行的,国内的空域就腾出来了。而我国的军事训练都在自己的空域进行,军方主导着空域的管理。

  所以飞行汽车的大众化不是一个两个产品的问题,也不仅仅是企业的事情,它还有国家层面的管理问题。而且不仅是民口,还涉及到军方。它与一个国家经济水平有关,与百姓的消费水平有关,与国家政策有关。因此,我们说,飞行汽车是愿景、是趋势,但受上述因素的影响,飞行汽车时代到来的快慢不好预测。现在国家层面已经在布局基础设施,布局低空监视网络。飞机在天上飞,它的信息都能看到见,即使有小飞机黑飞,也能监视到,并进行处置。

  环球时报:能预测通用航空革命的具体时间吗?

  张扬军:我国的十三五规划主要是建设通用航空的基础设施,建通航机场。十四五可能还是会侧重于基础设施建设,把通航机场连成网。美国有2万多座机场,我国十三五规划才建几百个,差得远。我国已经把通航作为战略新兴产业,它的发展还需一段培育期,通航产业要达到能挣钱的水平,怎么也得5年之后。飞行汽车呢?问题更复杂一些。20年内它能大众化,都已经是乐观的估计。

  仅从产品的技术层面看,汽车的混合动力技术已经非常成熟了,飞行技术也很成熟,现在无非是两者结合的问题。所以外国公司敢说他们可以制造飞行汽车。飞行汽车更多是一个管理的问题,如果抛开这个层面,飞行汽车5年内可能就会面世,就会进入市场,比如优步的飞行出租车,开始点到点的飞行。

  之六

  中国的飞行汽车两到三年内就能飞起来

  环球时报:只考虑技术,我们什么时候能看到中国的飞行汽车飞起来?

  张扬军:一个试验的汽车飞起来,这个东西我们正在做,估计两到三年内就能实现。但产品的实现不能靠大学,像国外都是靠大公司的支持。我们目前正在与汽车企业接触,如果获得大企业的支持,整合国际资源,造出产品会很快。从大学来讲,只能做科研。我们有动力推进技术、无人汽车驾驶技术和飞行控制技术,研究飞行汽车的基础很好,现在的问题是要有大的投入,这需要企业的介入。

  环球时报:企业需要考虑市场前景问题,飞行汽车怎么解决它的经济性问题,比如它的能耗应该远比汽车要高很多。

  张扬军:论能耗,飞行汽车肯定不能与汽车相比,它是另一种立体交通方式,特点是自由度高、不受约束,很多没有路的地方它也能走。另外,它的速度快,涵道风扇式飞行汽车的空中巡航速度可能跟直升机的速度差不多,高的能达四五百公里的时速。电动化之后,它的能耗会大大降低。另外,汽车行驶过程中如果前方没路了,可能要绕一大圈才能到达目的地,而飞行汽车沿直线就过去了。单纯讲每公里耗能,飞行汽车肯定高,但如果计算从出发地到目的地的能耗,它就不一定高,有可能既节省时间,又节约能耗。

  展望未来,随着能源技术的进步,飞行汽车不见得比现在的汽车行驶成本要高。

  环球时报:在能源互联网时代,飞行汽车除了作为交通工具是否还能赋予更多的使命?

  张扬军:能源互联网时代,电动化的飞行汽车就是一个储能系统,可以实现大规模储能,而现在有些电是不能储存的。而且基于能源互联网的无线充电技术应用,可使电动飞行汽车的行驶里程不再是问题。当然,这是有点遥远的事情。飞行汽车是一个未来,近期比较现实是的通航小飞机的大众化应用。中国在这方面还有一段过程,飞行汽车就更遥远了。

  环球时报:中国有没有可能大力发展飞行汽车,把小飞机大众化这个阶段跳过去?这样就不用修建那么多通用机场了。

  张扬军:这个不太容易。建通航机场,还是点对点的飞行,好控制,管理方面简单得多。作个比喻,点对点的飞行像城市的公交,飞行汽车就像城市的私家车,公交车管理比私家车方便得多。所以一个大城市发展交通,都会首先选择公交。

责编:李芳
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