飞行汽车在航空领域还有哪些“内功修炼点”？

文/招启军 李宜恒 朱清华

（作者招启军为南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室主任、教授，中国航空学会直升机分会主任委员；李宜恒为零重力飞机工业（合肥）有限公司董事长）

近年来，随着有限的地面交通资源与日益旺盛的交通运输需求之间的矛盾日趋激化，UAM（Urban Air Mobility，城市空中交通）应运而生，成为全球各界关注的焦点。而飞行汽车作为UAM 的主要载体，成为现代航空技术发展的新“宠儿”，正逐渐登上历史舞台。

在我国，清华大学张扬军教授将飞行汽车定义为新型的两栖交通工具，认为它融合了传统飞行器和传统地面交通工具的优点，是航空、汽车、新能源三大领域相互交融的产物，同时也是新材料应用、自动驾驶、5G 通信等领域在未来交通领域的重要应用载体，并将结合中国国情探索乡村应用、开展低空物流。

航空产业正迎来一场“绿色革命”

飞行汽车若要实现大众化，航空技术的电动化、智能化、空路一体化是关键，也使其作为低空智能交通工具在技术上成为可能。

如今，以数字化和电动化为典型特征的航空“第三时代”已经拉开了序幕。在全球加速绿色低碳发展的背景下，作为碳排放大户的航空产业将掀起一场低碳燃料和可持续飞行方案的革命，通过积极寻求新的解决方案，立志于2050年达到碳中和，而这场“绿色革命”也将颠覆未来30 年航空产业链的格局与技术发展趋势。

飞行汽车被看作是最具发展前景、可作为低空智能交通运输市场的有效运载工具，未来其必将发展成为航空产业的重要组成部分，而将飞行汽车电动化也符合低碳、可持续发展的“绿色革命”大趋势。近年来，电动飞行汽车获得迅猛发展，目前国内外已有多款电飞行汽车产品，国外比较成熟的有美国的Vahana 和Joby-S4，德国的Lilium-Jet 和Volocity 等；国内以亿航的EHang-216、峰飞的V1500M、小鹏汇天的旅航者X2 和零重力飞机工业的ZG-T6 飞行汽车为代表。其中，ZG-T6 能够在垂直起降与平飞模式之间自由切换，相对多旋翼或复合翼飞行汽车，具有更高的巡航速度和更长的续航时间，巡航速度可达300km/h，这对乘客而言，可大大降低出行的时间成本。

航空技术新走向推动飞行汽车“落地”

飞行汽车要实现真正的落地与航空技术发展密不可分，而航空技术发展的新走向恰恰推动了飞行汽车从概念走向现实，“三化”技术的进步将直接决定飞行汽车的发展进程和普及化程度。

首先，航空电动化是航空运输业发展的一个重大技术创新，与燃油运输工具相比，它具有高效、无污染和无噪声的独特优势，符合低碳、可持续发展的大趋势，是推动航空产业“绿色革命”的关键一环。同时，电动化也大大降低了飞行汽车研制的复杂程度。

其次，航空智能化让飞行汽车的无人驾驶成为可能，加快了飞行汽车进入大众视野的速度。

最后，航空空路一体化着眼于飞行汽车空陆功能的完美切换，因此，它也是实现低空智能交通的关键。

航空电动化是推动飞行汽车的动力

飞行汽车被看作是最具发展前景、可作为低空智能交通运输市场的有效运载工具（供图/亿航智能）

航空电动化是指以蓄电池、燃料电池、超级电容、功率束等供电装置产生的电能作为飞行器全部能源。它类似于汽车的电动化，其核心就是“三电”系统在飞行器上的应用。在航空电动化领域，目前国内外均处于起步阶段，而得益于国内新能源汽车技术及产业链的成熟，我国在航空电动化进程中取得了很大进展，有望通过电动化在航空领域实现弯道超车。

“电动化”已成为飞行汽车产业的热点与必然，其简化了传统动力及传动复杂的机械结构，突破了传统构型的限制，便于整机气动-结构-动力-控制的多学科优化设计，有效提升整机的飞行性能，同时电动化带来的精确控制和反馈，也促进了整机的智能化发展。

这其中，高效的电推进技术是航空电动化及飞行汽车的核心，其具备高功重比、高效率、发热低等特点。为了进一步提高电机的功率密度和功重比，一般会采用以下几种技术：扁线绕制工艺和先进材料，能够降低电机结构重量；超导技术可降低热损耗，提高工作效率；轻稀土、无稀土技术，有助于进一步降低制造成本；电机电控深度集成技术及电机电控一体化散热技术，可有效减小体积。例如，Magidrive 采用电机控制器集成设计，其一体化散热技术便可大大减小电机的体积与重量。未来，更高性能的电机将大幅度降低飞行汽车动力单元的结构重量，从而提高飞行汽车的性能指标。

航空智能化发展直接决定了飞行汽车与大众的距离

正如汽车能源的革新加快了其智能化的进程，航空智能化的发展也得益于航空电动化的发展。如今，智能化已成为航空技术的一个重要发展方向，它能够应对航空飞行控制所面临的各类问题。国内外民航系统中针对智能化技术的发展已经比较成熟，飞行汽车的智能化也正在逐步实现。

基于运营场景的多元化、复杂性及运行经济性、大众化的要求，飞行汽车的智能化主要包括以下几部分：自主飞行控制系统、态势感知与避障系统、通信技术、系统综合技术等。航空智能化技术的发展降低了航空器驾驶员的技能要求，甚至未来还能够实现自动驾驶，这对老弱病残人士具有亲和力，适用于最广泛人群；同时，还可以极大缩减整机维护保养的成本，使得飞行汽车的运营门槛变低，同时能够提高飞行汽车的有效载荷。

自动驾驶技术是飞行汽车的关键技术之一（供图/小鹏汇天）

不过，鉴于航空领域高度智能化的控制系统尚未成熟，现阶段针对航空智能化的研究，将重点着眼于人机混合决策技术，同时深入探索各类先进智能化控制理论的应用，如专家系统构建技术、基于神经网络的控制技术、综合的信息感知技术及快速在线辨识技术等先进的控制技术，推动基础理论向工程化应用的转换。

航空空路一体化是飞行汽车多元化应用场景落地的关键

国内外一直开展针对航空领域中的空路一体化与多栖运行需求的研究，从航空技术方向来看，空路一体化是势在必行的。空路一体化是飞行汽车应用场景多元化的关键，这要求飞行汽车保证飞行功能的同时，也能够在陆地行驶，因此尺寸、动力、操纵、结构、重量等都将是平台本身需要解决的核心问题，如陆地行驶的尺寸限制与飞行状态升力系统的尺寸需求相互矛盾，就需要通过新材料、精密智能的折叠机构等实现，如荷兰的PAL-V、斯洛伐克的AirCar 等。

因此，航空电动化、智能化、空路一体化是航空技术的必然趋势，也是低空智能交通从概念走向现实的关键。

飞行汽车在航空领域还有哪些“内功修炼点”？

飞行汽车是一个复杂的系统工程，也是多学科耦合、关键技术多的一个全新产物。因此，要推进飞行汽车的战略部署，在加强基础问题研究工作的同时，对于关键技术的专项研究与攻关也至关重要。那么，飞行汽车在航空领域有哪些“内功”需要修炼？

总体设计及多学科优化

飞行汽车作为飞行器和地面交通工具结合产生的新产物，是典型的高复杂度、技术密集型产品，其总体设计涉及气动、结构、动力、控制、安全性、经济性等多个学科间的综合权衡。虽然已有多家飞行汽车研制单位，但是在飞行控制、电池应用技术、总体布局及适航取证等方面技术积累较少，仍缺少典型的成功案例作为借鉴，因此，飞行汽车在动力系统、气动/结构一体化、结构轻量化、能量综合管理技术以及安全可靠性等多学科耦合优化设计方面比一般飞行器要复杂得多，研制难度也更大。

MDO（Multidisciplinary Design Optimization，多学科设计优化）可通过并行设计解决飞行汽车总体设计过程中耦合和权衡问题。采取合适的优化策略和管理优化设计过程，利用各子学科分析设计工具，在分布式计算机网络环境中集成各学科子系统，对复杂系统进行多学科协同优化设计，自动完成方案的反复迭代，最终呈现出最优设计方案，缩短研制周期，降低研制成本，提高产品竞争力。

低空环境下的气动、噪声分析及控制

飞行汽车的定位为面向城市低空和智慧出行的第三种交通运输工具，充分利用城市三维空间，将楼顶和城市低空都变成可利用的交通资源。由于飞行汽车应用场景的特殊性和复杂性，高安全性和低噪声是其普及的前提。

首先，考虑到飞行汽车主要在低空运行，受周围建筑物等地面设施影响，低空环境下的气流流动更加复杂多变，因此在研制过程中需要更加注重非定常气动和抗风能力分析，同时由于飞行汽车构型及气动部件的多元化，气动干扰的计算分析尤为重要，尤其是旋翼/螺旋桨、机翼及机身间的相互气动干扰。

其次，虽然电动飞行汽车不需要发动机，与传统飞行器相比，噪声可以大幅度降低，但旋翼产生的噪声仍是影响乘客和城市居民体验的主要因素，因此，为进一步提高乘客飞行体验，需用通过主动和被动降噪技术进行降噪处理，例如通过对桨叶的气动外形进行降噪优化设计，将噪声降至可接受的水平，还乘客和居民“寂静”的环境。

安全性与自动驾驶

同传统飞机飞行一样，安全性是飞行汽车必须遵循的第一原则。飞行汽车必须从一开始就规划和构建安全机制以避免潜在的安全性威胁。

为确保飞行汽车各个系统研发和运行安全，应在整个产品生命周期内创建仿真模型，并对系统进行持续性的安全性评估。首先，依据安全性标准对飞行汽车的系统分配研制保证等级。其次，基于AADL（Architecture Analysis Design Language，架构分析和设计语言）语言进行形式化建模。再次，转换成相应的FTA（Fault Tree Analysis，故障树分析法）和GSPN（Generalized Stochastic Petri Net，广义随机Petri 网）进行定性和定量的安全性分析。最后，根据安全性分析评估的结果，对系统进行相应的更新设计，以满足系统的安全性需求，从而保证飞行汽车安全性，同时为适航取证提供基础。目前为保证飞行汽车的安全性，除了采用结构强度冗余之外，还有自动驾驶冗余即飞控冗余、传感器冗余、动力系统冗余、能源系统冗余、整机降落伞等多学科耦合。

自动驾驶技术是飞行汽车的关键技术之一，而飞行状态自动驾驶的实现依靠的是飞控系统。飞控系统是飞行汽车最核心的子系统，该系统集成先进的信息技术、通信技术、控制技术、传感器技术和系统综合技术，以实现对飞行状态的感知、控制和决策。飞控系统通过增加余度来提高控制系统的可靠性。三余度飞行控制系统的组成系统包含3 台飞行控制与管理计算机：3 台飞行控制与管理计算机间可互换，采用相同的硬件设计，运行相同的软件；每台飞行控制与管理计算机是整个系统的一个通道，通道间通过专用的CCDL（Cross Channel Data Link，交叉通道数据链路）模块实现数据实时共享，数据经过交互后进行飞行控制计算，对计算结果进行仲裁，随后将仲裁值发送给执行机构。三余度飞控系统从硬件上实现了控制系统的冗余，结合具有故障诊断与决策能力软件系统，共同实现飞行汽车在遇到突发状况时安全迫降或返航的能力。

近年来，随着人工智能技术的不断发展，飞行汽车的自动驾驶与具有生物智能的自学习、自组织、自适应、自行动人工智能的有机结合，让飞行汽车具有自我感知-认知-决策-控制-执行的能力，大幅度提升飞行汽车应对多变的复杂场景的安全飞行能力。

机遇与挑战

摩根士丹利在报告中指出，城市空中交通的市场空间到2050 年会达到9万亿美元，尽管就整体而言，该行业目前尚处于起步阶段，但其仍具有广阔的发展空间。

与此同时，国内外民航监管部门也发布了一系列的利好政策。2016年10月，Uber 公司发布《城市空中交通白皮书》；2020 年6 月，韩国国土基础设施交通部发布《城市空中交通规划方案》；在国内，2021 年12 月，中国民航局航空器适航审定司发布《亿航EH216-S 无人驾驶航空器系统专用条件（征求意见稿）》；《交通领域科技创新中长期发展规划纲要（2021—2035 年）》中也提及了飞行汽车，主要任务包括部署飞行汽车研发，突破飞行器与汽车融合、飞行与地面行驶自由切换等技术，以及突破航空器自主适航审定、航空运输广域协同共享与安全可靠服务等技术，建立智慧民航信息服务技术体系，提升民航空事系统关键技术装备的国产化能力，保障民航全天候安全高效运行。《国家综合立体交通网规划纲要》中也指出，要实现“到2035 年，基本建成便捷顺畅、经济高效、绿色集约、智能先进、安全可靠的现代化高质量国家综合立体交通网”的目标。这些政策的颁布，为飞行汽车的发展提供了保障，也为飞行汽车的普及和应用开辟了道路。可见，我国更注重飞行汽车的陆空两栖等先进技术研发，并从综合立体交通的高度进行了系统规划，而“低空智能交通”拓展了国外“城市空中交通”的范畴。

飞行汽车的兴起，既体现了长期以来人们对于快捷空中出行的固有需求，也是航空产业迫切希望飞行汽车走进现实、抢占市场的必然反映。当前，航空电动化、智能化、空路一体化以及飞行汽车的产品实现、经济性，还有一些疑难问题和关键技术仍需持续攻关，而从产品以外的因素来说，低空智能交通运营体系、监管系统、航路规划、基础建设、适航法规等都是飞行汽车落地和发展过程中应综合考虑的因素。

新能源航空器是我国与世界领先水平齐头并进的领域之一，得益于新能源汽车产业的发展及成熟，飞行汽车已不再遥远。相信在不久的将来，随着航空技术的电动化、智能化、空路一体化的发展以及适航取证逐渐明确、低空智能交通配套体系的稳步完善，飞行汽车一定会走向大众生活。