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當?shù)孛嫔系碾妱悠囋絹碓狡占皶r，天空上的“電動飛行汽車”（以下簡稱為“電動飛車”或“飛車”）也在緊鑼密鼓的研究著，嘗試著，推進著。電動飛行汽車以電能作為推進系統(tǒng)的全部或部分能源，是“第三航空”時代的重要標志。它將開啟航空領(lǐng)域新一輪創(chuàng)新與變革熱潮，引領(lǐng)航空技術(shù)創(chuàng)新、推動綠色航空發(fā)展，將對世界航空業(yè)產(chǎn)生革命性的影響。由中國航空研究院組織國內(nèi)優(yōu)勢力量，從電動飛行汽車發(fā)展必要性、定義與分類、重點產(chǎn)品、關(guān)鍵技術(shù)、措施建議等方面，研究提出《電動飛行汽車發(fā)展白皮書》。白皮書提出我國應(yīng)重點發(fā)展城市空運、輕型運動、通勤運輸、干支線運輸?shù)?類電動飛車；聚焦總體設(shè)計技術(shù)、高效高功重比電推進技術(shù)、能量綜合管理技術(shù)、能源系統(tǒng)技術(shù)等重點領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展；建議制訂電動飛車發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃、加大研發(fā)投入，同時關(guān)注適航能力建設(shè)與人才培養(yǎng)，從而推動我國電動飛行汽車發(fā)展。

美國貝塔公司Alia電動垂直起降飛車

美國弓箭手公司展出的雙座飛車

航空研究的戰(zhàn)略推動力包括全球機動、環(huán)境挑戰(zhàn)、技術(shù)聚焦三個方面，通過替代燃料和先進低碳推進技術(shù)實現(xiàn)向低碳航空動力的過渡，是應(yīng)對環(huán)境挑戰(zhàn)的主要舉措。

在電動飛行汽車領(lǐng)域，目前國內(nèi)外均處于起步階段，以電動飛行汽車技術(shù)引發(fā)的技術(shù)革新為契機，我國航空業(yè)有望迅速達到或趕超世界先進水平，同時帶動我國多個相關(guān)產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展。

電動飛行汽車是指以電能作為推進系統(tǒng)的全部或部分能源的私人空中出行工具，其電能全部或部分來自蓄電池、燃料電池、發(fā)電機等供電裝置。

按照應(yīng)用場景，電動飛行汽車可分為輕型運動電動飛車、城市空運電動飛車、通勤運輸電動飛車、干支線運輸電動飛車4類。

按照推進系統(tǒng)架構(gòu)，電動飛車可分為全電飛車、混電飛車和渦輪電飛車三類。

電動飛車主要包括以下四類產(chǎn)品——

▍城市空中載人飛行汽車

目前國內(nèi)的典型產(chǎn)品有億航公司的億航184/216自動駕駛載人飛行汽車，以及遼寧通用航空研究院擬研發(fā)的輕型電動直升飛車。目前產(chǎn)品尚不能滿足城市空中交通的出行需要，應(yīng)當進一步發(fā)展有效載荷更大、航程更遠的城市和城際空中交通飛行汽車。

▍輕型運動飛車

遼寧通用航空研究院已研發(fā)銳翔系列雙座電動輕型運動飛車，RX1E與RX1E-A產(chǎn)品已獲得型號合格證與生產(chǎn)許可證，后續(xù)重點發(fā)展水上電動輕型運動飛車。

▍通勤運輸飛車

中國航空研究院提出了4～5座全電推進CAE-X1 通勤飛車概念，用于驗證分布式電推進關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計重量約為1100kg，采用機翼前緣分布式電機提供動力，巡航速度約240km/h。預(yù)計2025年技術(shù)成熟度達到6級。

遼寧通用航空研究院在銳翔（RX）雙座系列電動飛車基礎(chǔ)上，開展了四座電動飛車研制，已于2019年10月成功首飛。

▍干支線運輸飛車

中國航空研究院提出了未來60～90 座混合電推進CAE-X2支線飛車概念，航程約1200km。采用機身尾部螺旋槳邊界層抽吸技術(shù)、混合電推進飛車能量管理和分配方案。預(yù)計2030年技術(shù)成熟度達到6級。

針對未來干線運輸需求提出了超綠色混合電/渦輪電推進飛車概念，采用分布式推進、超導(dǎo)發(fā)電和超導(dǎo)電機等技術(shù)，載客250人以上，航程達到3500km。預(yù)計2050年技術(shù)成熟度達到6級。

1、電動飛車的關(guān)鍵技術(shù) 

（一）總體設(shè)計技術(shù)

與傳統(tǒng)動力形式相比，電推進系統(tǒng)具有一定程度的功率相對尺度無關(guān)性，電動飛車總體設(shè)計可突破傳統(tǒng)架構(gòu)的限制，具有廣闊的設(shè)計空間。另一方面，受限于電池等部件功率密度水平，與采用傳統(tǒng)動力形式的常規(guī)布局飛機相比，電推進系統(tǒng)會影響航程和有效載荷等性能指標，對氣動-結(jié)構(gòu)-推進一體化設(shè)計和氣動布局創(chuàng)新設(shè)計提出了需求。

▍氣動-結(jié)構(gòu)-推進一體化設(shè)計技術(shù)

與傳統(tǒng)燃油飛機相比，電動飛車的氣動布局、推進系統(tǒng)設(shè)計等具有較高的自由度，且高度耦合，采用傳統(tǒng)的獨立設(shè)計方式限制了飛車綜合優(yōu)化設(shè)計，開展氣動-結(jié)構(gòu)-推進一體化設(shè)計能夠有效地提高飛車性能。

電動飛車氣動-結(jié)構(gòu)-推進一體化設(shè)計技術(shù)對飛車的電機、螺旋槳、機翼、短艙開展綜合權(quán)衡分析和迭代優(yōu)化設(shè)計，綜合考慮飛車的幾何參數(shù)、氣動力參數(shù)、重量參數(shù)、動力系統(tǒng)參數(shù)，開展關(guān)鍵參數(shù)的敏感性分析與協(xié)調(diào)，進行方案評估，支撐布局方案選型。

 圖1 電動飛車總體設(shè)計技術(shù)發(fā)展路線圖

▍氣動布局創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)

為滿足電動飛車氣動布局設(shè)計需求，在常規(guī)布局基礎(chǔ)上，還需要重點開展翼身融合布局、桁架支撐翼布局、分布式推進布局等新型氣動布局技術(shù)研究，優(yōu)化飛車氣動特性，改善飛車飛行性能。

翼身融合布局將傳統(tǒng)的機身與機翼結(jié)構(gòu)融合，通過一體化設(shè)計制造，提高升力、降低結(jié)構(gòu)重量與阻力，從而提高燃油效率，大幅改善飛車的飛行性能。

桁架支撐翼布局與傳統(tǒng)機翼相比，由于桁架承擔(dān)了部分載荷，減輕了翼根彎矩，有利于減輕重量，在同等重量下可增加機翼面積，有利于降低阻力，提高升阻比。

分布式電推進布局在機翼或機身上分布安裝多個螺旋槳/涵道風(fēng)扇，可提高氣動效率、降低阻力。其中，邊界層抽吸技術(shù)在飛車尾部安裝嵌入式風(fēng)扇，通過加速抽吸機身邊界層降低阻力，改善氣動性能。

2、高效高功重比電推進技術(shù) 

電推進技術(shù)通過高功率密度電動機帶動，為飛車提供部分或全部飛行推力，有效解決傳統(tǒng)飛車推進系統(tǒng)帶來的噪聲和污染排放問題。

 圖2 高效高功重比電推進技術(shù)發(fā)展路線圖

▍永磁同步電機

與其他電機相比，永磁同步電機（無刷直流電機）具有高效率、高功重比、高可靠性等優(yōu)點，成為電動飛車電機的首選。

永磁同步電機研究包括以下內(nèi)容：高溫高速電機、電機電磁場-溫度場-流場-應(yīng)力場多場耦合設(shè)計方法、余度/容錯控制等。

▍超導(dǎo)電機

超導(dǎo)電機是采用超導(dǎo)體代替常規(guī)導(dǎo)電材料來實現(xiàn)電磁能與機械能之間能量轉(zhuǎn)換的裝置。具有體積小、效率高、重量輕、同步電抗小等特點，在相同重量和相同能量輸入下，可產(chǎn)生遠高于普通電機的扭矩，在電動飛車的應(yīng)用方面具有極高潛力，將會成為代替燃油噴氣發(fā)動機的新型飛行動力裝置的關(guān)鍵部件。

目前研究的超導(dǎo)電機絕大部分為半超導(dǎo)電機，全超導(dǎo)電機是未來超導(dǎo)電機的重要發(fā)展方向。超導(dǎo)電機研究包括電機拓撲結(jié)構(gòu)、超導(dǎo)體載流能力、超導(dǎo)永磁體技術(shù)、超導(dǎo)交流繞組繞制技術(shù)、電機的強度/可靠性/壽命試驗等。

▍電機驅(qū)動控制器

電機驅(qū)動控制器是保證永磁同步電機和超導(dǎo)電機高效可靠運行的必要設(shè)備，主要由控制模塊和驅(qū)動模塊兩部分組成，控制電機速度、角度和方向。電動飛車電推進系統(tǒng)對電機驅(qū)動控制器提出了大功率、高效率、高可靠性和高功重比的要求。

采用新一代碳化硅和氮化鎵功率器件的電機驅(qū)動控制器是未來的發(fā)展方向，主要研究內(nèi)容包括：高低溫極限環(huán)境下寬禁帶功率器件動態(tài)特性變化機理，高溫高頻下電機損耗變化規(guī)律及其內(nèi)在機理，多電平模塊化拓撲結(jié)構(gòu)以及余度/容錯驅(qū)動控制，基于相變材料驅(qū)動器散熱等。

▍低噪高效螺旋槳技術(shù)

低噪高效螺旋槳是分布式電推進飛車重要動力部件，可在同等輸出功率下提高飛車氣動性能、降低噪聲。主要研究內(nèi)容包括：先進螺旋槳專用翼型研究、高效率螺旋槳槳葉氣動布局設(shè)計技術(shù)、螺旋槳氣動/噪聲機理及數(shù)值仿真方法、三維槳葉參數(shù)化建模與氣動/噪聲一體化設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)等。

3、能量綜合管理技術(shù)

由于將電能作為電動飛車的一次能源，飛車電網(wǎng)容量迅速提升、負載特性日趨復(fù)雜，對配電系統(tǒng)的性能提出了更高的要求；電動飛車的電力電子設(shè)備、用電設(shè)備的熱管理問題更加突出，為此需要在能量綜合管理方面開展以下研究（見圖3）。

▍電網(wǎng)架構(gòu)

飛車電網(wǎng)架構(gòu)包含供電體制、配電系統(tǒng)及拓撲結(jié)構(gòu)、配電容錯及保護，是影響飛車安全性、可靠性、系統(tǒng)質(zhì)量、效率的關(guān)鍵因素。同時，電動飛車電力系統(tǒng)面臨的多種約束條件（如重量、體積、飛車推進系統(tǒng)工況變化等）是配電系統(tǒng)設(shè)計的重要影響因素，需要采用多目標優(yōu)化思路，滿足電動飛車系統(tǒng)要求。

▍電力電子技術(shù)

 圖3 能量綜合管理技術(shù)發(fā)展路線圖

電力電子技術(shù)是飛車電能傳遞、變換、控制的基礎(chǔ)，電動飛車的電力系統(tǒng)包含大量整流器、逆變器及控制器件等。電力電子器件的功率密度、效率等指標決定了電力系統(tǒng)的性能，對飛車的安全性、可靠性具有重要影響。

在高壓、高功率、高效率電力電子器件方面，主要開展如下研究：電力電子設(shè)備拓撲設(shè)計技術(shù)，功率轉(zhuǎn)換技術(shù)，基于碳化硅、氮化鎵等新型材料的高功率、耐高溫功率器件（如固態(tài)功率控制器、超導(dǎo)故障限流器），模塊封裝設(shè)計等。

▍熱管理技術(shù)

熱管理技術(shù)用于飛車各部件及系統(tǒng)散熱、冷卻，是保障電動飛車各部件及系統(tǒng)（特別是電動機、電力電子設(shè)備）正常、高效工作的必要條件。此外，超導(dǎo)電機需要低溫環(huán)境以維持超導(dǎo)狀態(tài)，采用熱管理技術(shù)能夠保障超導(dǎo)系統(tǒng)的隔熱能力，避免外部熱量影響超導(dǎo)低溫環(huán)境。

▍能量智能管理

飛車系統(tǒng)日益復(fù)雜且高度耦合，采用傳統(tǒng)的各系統(tǒng)獨立能量管理方式無法實現(xiàn)飛車能量的高效利用。能量智能管理從飛車整體層面研究能量綜合優(yōu)化設(shè)計和控制管理，可有效提高能量利用效率。

4、能源系統(tǒng)技術(shù)

能源系統(tǒng)是電動飛車的供能組件，其性能從根本上決定了飛車的續(xù)航時間、航程以及運營成本。隨著鋰電、燃料電池和超級電容等新型能源，以及超導(dǎo)發(fā)電和超導(dǎo)電機技術(shù)的進步，電推進技術(shù)將逐步應(yīng)用于通用飛車、通勤飛車、干支線飛車。長壽命高可靠的能源系統(tǒng)具有更穩(wěn)定的供電能力、更低的維修和更換頻率，能有效提高電動飛車的使用率。

純電力能源系統(tǒng)僅由電池為飛車動力和機載系統(tǒng)提供能量。

混合電力能源系統(tǒng)由燃油和電池共同為飛車動力和機載系統(tǒng)提供能量。

5、措施與建議 

在國家層面制定電動飛車發(fā)展戰(zhàn)略，規(guī)劃發(fā)展路線。電動飛車的設(shè)計思想和設(shè)計理念不同于傳統(tǒng)飛機，其技術(shù)研發(fā)投入大、風(fēng)險高。建議成立電動航空委員會，統(tǒng)籌國內(nèi)優(yōu)勢資源，啟動我國電動飛車發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃研究，組織相關(guān)單位研究制定我國電動飛車發(fā)展路線，引導(dǎo)電動飛車健康、快速、有序發(fā)展

從國家層面高度重視電動飛車發(fā)展，加大投入力度。電動飛車具有廣闊的市場潛力，歐美都在積極發(fā)展電動飛車技術(shù)、搶占市場。電動飛車是我國實現(xiàn)與世界航空強國并駕齊驅(qū)的重要領(lǐng)域，建議高度重視、提早布局，制訂電動飛車專項研究計劃，加大研發(fā)投入力度，推動我國電動飛車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

加強電動飛車標準規(guī)范和適航能力建設(shè)。建立以市場為導(dǎo)向、以企業(yè)為主體的開放式電動飛車標準規(guī)范體系，著力解決電動飛車的核心標準和基礎(chǔ)標準問題；突破適航審定和驗證關(guān)鍵技術(shù)，提高電動飛車適航審定和驗證能力。

加大綜合人才和專業(yè)人才的培養(yǎng)力度。電動飛車的跨領(lǐng)域協(xié)作創(chuàng)新將顛覆傳統(tǒng)的飛機研發(fā)和運營模式，需要培養(yǎng)和引進更多高水平、跨專業(yè)、跨領(lǐng)域的人才，組建專業(yè)化的電動飛車研發(fā)團隊，為電動飛車發(fā)展提供保障。

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