飞行汽车商业化:铝材应用又一新领域

2023年09月19日 9:17 2199次浏览 来源:   分类: 重点新闻   作者:

飞行汽车是什么?飞行汽车多指可以借助电力垂直起降的飞行器,兼具直升机、无人机、小型飞机的特点。据国际垂直协会称,截至2023年3月,已有800多个机型作为电动垂直起降飞行器被注册。据摩根士丹利预测,到2040年,全球飞行汽车相关市场规模将达到1万亿美元;到2050年,达到9万亿美元。其中,中国所占比例为23%,仅次于美国的27%。

电动飞机技术是一项跨时代的高新技术,和新能源电动汽车的发展路线一样,已成为世界航空工业发展的核心技术,改变了传统的飞机设计思路,从飞机绿色环保、高效节能、智能互联的理念出发,优化整个飞机的设计,极大地提高了飞机的可靠性、环保性、舒适性和可维护性,是未来飞机的发展方向,也是飞行汽车的发展方向。

中国加速推动飞行汽车商业化

中国正在加速飞行汽车商业化的前期工作。相关部门有可能于2025年左右发放相关许可证,主要是由初创公司进行试飞。飞行汽车的优点是可以利用汽车供应网络采购所用电池。沃飞长空科技有限公司总裁今年5月中旬曾表示,预计中国飞行汽车从2025年或2026年起将正式开启商业化运营,这是一场超越汽车电动化的革命。

进行飞行汽车研发的多是初创公司,例如美国的乔比航空公司、英国的垂直航空航天公司。多数企业都希望能开发出无人驾驶的飞行汽车,尽管目前全球尚无先例。

在中国公司中,早在2016年亿航智能公司就率先宣布将投身飞行汽车领域;随后浙江控股集团收购了美国飞行汽车生产商特拉富贾公司,还向德国沃洛科普特公司投资;小鹏汽车公司也积极参与研发。中国是汽车电池生产的世界领跑者,在飞行汽车领域具有明显的优势。

中国民航局在2022年发布的《民用无人驾驶航空发展路线图(征求意见稿)》中表示,到2025年要开展短距离载人无人驾驶飞行应用示范,随后各公司纷纷主动审报以获取型号合格证。亿航智能等公司在各地开展试飞,中国各公司的试飞次数是世界上最多的,但能否实现商飞还决定于中国民航局是否发放许可,民间企业正在翘首以待,积极准备着。

此前有过已在中国取得型号合格证的机型,然而,到了国外就得不到认可。中国公司为了规避这一风险也积极在国外开展试飞。

美国飞行汽车技术全球领先

空中出租车外观很像小型飞机或直升机,可以垂直起降,能够在城市中心运行,将人们送往机场或度假目的地或其他地方。今年7月18日,美国联邦航空管理局(FAA)发布的《先进空中交通实施规划1.0版本》中,概述了空中出租车及其相关机构需要完成的步骤,确保2028年之前能至少在一个地方建成一个具有竞争力的空中出租车市场,且该市场最早可能从2025年开始小规模运营。

FAA的计划非常引人关注,它体现了相关规则制订机构对空中出租车这项技术的信心。FAA表示,该计划旨在为“以可预测且常规”的方式对引进空中出租车提供指导。然而,必须意识到,到2028年时,要确保空中出租车在一个或多个城市上空飞行决非易事,因为这是一项艰巨的任务,不仅对空中出租车制造商有严格的要求,也需要包括地方政府在内的一些机构的密切配合,更难做的工作是,说服民众接受空中出租车是安全的,消除他们对安全性的担忧。这个问题目前已得到部分解决,因为空中出租车在运营之前必须要经过认证,这对保证安全起了至关重要的作用。它包含诸多新技术与系统必须经过认证许可才能上路与升天。此前,波音公司和空客公司也在面对审核、认证时不得不几次推迟其运营计划。乔比航空公司(Joby Aviation)和阿切尔航空公司(Archer Aviation)都希望能在2025年获得认证并开始商业服务,这是两家认证进展最快的美国公司。

由于电池容量有限,空中出租车的飞行距离不能太远,因此,初期只能应用于城市和机场之间的通勤。这既在某种程度上提升了安全性,也能在一定程度避免对城市上空的影响。

虽然空中出租车面临着一系列困难,如人员不足、基础设施、配套设施、相关法律不全,但FAA的计划体现出相关行业越来越关注空中出租车的发展前景,坚信其运营就在眼前。近年来,几家重要的空中出租车公司都已上市,包括美国的乔比航空公司、阿切尔航空公司,德国的利利厄姆(Lilium)公司和英国的弗蒂考尔航空公司(Vertical Aerospce)。一些空中出租车公司还加深了与主要航空公司和汽车制造商的联系。2023年5月,波音飞机公司收购了威斯克汽车公司(Wisk),该公司正在研发自动驾驶空中出租车。巴西航空工业公司创建了自己的空中出租车公司——伊夫空中汽车(Eve air Mobility)公司。

这些企业都在不遗余力地抢占一个未来可能价值数百亿美元的市场。对航空公司来说,空中出租车可以帮助企业赢得更多乘客。FAA局长表示:“随着时间的推移,空中出租车将得到更多公众的接受,但成本却是关键,如果空中出租车只能为富人服务,那可能不太容易被市场接受。”

美国首款飞行汽车获FAA批准进行测试。2023年6月,美国FAA核准加利福尼亚州一家初创公司可进行一款飞行汽车测试,这是美国政府许可的可飞行也可在道路上行驶的全电动车,名为“Model A”,是该州阿菜汽车公司(Alet Automotive)研发的,可垂直升降,可乘2名客人,道路续航力约321千米,飞行续航力177千米,车的预计售价30万美元/辆,首批交付预计于2025年12月,道路行驶速度约40千米/小时。

韩国首尔2024年试点2条飞行汽车航线

韩国首尔市政府今年5月12日表示,计划于2024年在汝矣岛和蚕室两条航线启动飞行汽车商用化所需的实证项目。

据称,首尔市和国土交通部于今年下半年将在开阔地带进行首期实证项目,充分验证城市空中交通(UAM)的总体安全性,2024年起将在首都圈进行第二期实证。第二期实证项目覆盖京仁运河、汉江、炭川水网,首尔市境内有18千米的金浦机场至汝矣岛和8千米的蚕室至水西2条航线,京畿道境内有14千米的韩国国际展览中心至金浦机场航线,仁川市境内为14千米的无人机试验认证中心至桂阳新城航线。城市空中交通是无需跑道垂直升降的绿色出行手段。韩国政府计划该项目于2025年实现商用,目前正在与多家民营企业共同开展研发活动。

飞行汽车全铝打造

所有的飞行汽车都是用铝合金打造的,有的是用常规铝合金与铝基复合材料打造的,有的主要是用铝基复合材料制备的。铝基复合材料也是一种铝合金,是一类性能更加优秀的铝合金,所以我们说,飞行汽车是全铝的。铝是当下制造飞行汽车综合性能最佳材料。钛合金和镁合金也是较好的航空材料,但综合起来看,还有一些不尽人意的地方,比如钛镁的价格都要比铝的高一些。

铝基复合材料的基体为工业纯铝和铝合金,增强体则为非金属材料,一般的体积分数为15%和20%,实用型的铝基复合材料增强体含量很少有大于20%的。铝及铝合金是良好的金属基复合材料,它们的密度小、质量轻、比强度大、熔点不高、有很好的成形加工性能,制造工艺与设备不复杂,易于与增强材料复合进行第二次加工。此外,铝及铝合金还有很好的导电性、导热性和良好的抗腐蚀性能,这些都是复合材料为满足使用要求必须具备的特性,也是铝基复合材料得到快速发展的主要原因。

当下铝基复合材料使用的基体有工业纯铝和变形铝合金(如2014、2024、2124、2219、2618、6061、6066、7075、7475)等,一般不使用含Mn、Cr的合金,因为它们会产生脆性相,铸造铝合金常用的基体合金有A356、A357,在粉末冶金变形铝合金中可用上述合金的粉末作材料基体。

铝基复合材料增强体有连续的长纤维和不连续的短纤维、晶须和颗粒。他们应具有高强度、高模量、高刚度、抗疲劳、高抗蚀、耐热、耐磨、热胀系数小、导电、导热、润湿性好、化学相容性好、易成形等特性。所用纤维有硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、芳纶(商品名有Kevlar、Aramid)、硅酸铝纤维、氮化铝纤维等,还有其中间的短纤维、晶须和颗粒(几种纤维增强铝基复合材料性能的比较见表1)。

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铝基复合材料除具备普通金属基复合材料的比强度和比模量高、线胀系数小、尺寸稳定性好等优点外,还具有密度低、制造工艺设备较简单、成本较低、可进行批量生产等优点。因而铝基复合材料的研制和应用得到迅速发展,特别是颗粒增强铝基复合材料、纤维增强铝基复合材科、硼纤维增强铝基复合材料早已进入商业化生产和应用时期。

当前铝基复合材料的应用研究主要集中在颗粒增强铝基复合材料,并取得了很大成就,美国、日本、中国、俄罗斯等国家已进入大规模应用阶段,但中国在研发的某些方面与先进国家相比还有一些差距(颗粒和晶须增强铝基复合材料在非航空航天器上的应用实例见表2)。

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飞行汽车一旦商业化,将会形成一个相当大的新兴市场,车的数量很大,单车的用铝量很大,如果单车的净质量按1200千克计算,则铝材及铝基复合材料的采购质量当达到730千克,加上电池及电池框架的用铝量,则每辆车的铝材及铝基复合材料的采购量当大于850千克。飞行汽车在以后的商业化进程中会得到高速发展,大概在2025年~2028年期间,每年的平均增长量可达1万辆,2029年起会以更快的速度发展。

1886年,汽车工业和铝工业先后诞生,经过136年的发展,2022年,中国汽车产销量分别为2702.1万辆和2686.4万辆。2022年,中国原铝产量4043万吨。2022年,中国全铝出租车只有吉利TX5,已在大连市满街跑了,用铝量约400千克/辆,铝的采购量约490千克/辆,车身铝化率97%,车的自身质量下降约30%。这是全世界单车用铝量最多的出租车。2022年,全世界原铝总产量6842万吨,中国的产量占59.1%。

在一般汽车用的铝材中以铸造铝合金为主,约占总用铝量的61%以上,而在飞行汽车中,用的铝材中以变形铝合金(含复合铝合金)为主,约占总用铝量的65%以上。

责任编辑:孟庆科

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