飛行汽車的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

曹 鋒，么鳴濤，雷雪媛，陳 赟，韓乃莉，李 軍

(中國南方工業(yè)研究院，北京 100089)

飛行汽車是一種既能夠在天空中飛行也可以在陸地上行駛的交通工具，它能在陸地行駛模式和飛行模式之間相互切換［1］。自1886年德國人卡爾·奔馳發(fā)明世界上第一輛汽車，1903年美國人懷特兄弟實(shí)現(xiàn)人類歷史上第一次飛行，人類就開始了對飛行汽車的探索。1906年Trajan Vuia在法國巴黎測試第一輛飛行汽車。1917年2月在紐約城舉辦的全美航空展上，展出了寇第斯的飛行汽車。隨后美國康維爾公司制造出一款可折疊的飛行汽車。1949年，美國泰勒研制的陸空兩用汽車第一次試飛就取得成功。Robert Fulton的飛行汽車獲得了CAA認(rèn)可。布萊恩研制的小型飛行汽車以及美國的皮特凱恩的AC-35旋翼汽車也較成功。Fleet在80年代也提出噴氣推進(jìn)的飛行汽車的概念車［2］。至今，飛行汽車已經(jīng)有一百多年的歷史。

今后40年里，全球人口將從60億增加到100億，汽車的數(shù)量也將從7億增加到25億［3］，這必然造成城市地面道路交通緊張，因此開辟空中道路就顯得尤為重要。使用飛行汽車將有利于這些問題的解決，且飛行汽車可以讓人類享受更自由的體驗(yàn)。

近年國際上出現(xiàn)了一批有代表意義的飛行車輛，客觀上反映了飛行車輛的發(fā)展方向。如美國DARPA推出的“飛行悍馬(Transformer(TX))”，terrafugia生產(chǎn)的“世界上第一款真正意義上的飛行汽車Transition”，以色列研制的封閉式旋翼式垂直起降飛行器X-Hawk，荷蘭SPARK Design工作室開發(fā)的PAL-V飛天汽車;此外，歐盟投資420萬英鎊支助研發(fā)低空飛行汽車，中國西安美聯(lián)航空技術(shù)有限責(zé)任公司2012年在珠海航展上展出了擁有全部自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代飛行汽車，并有望投產(chǎn)，由此可以看出飛行汽車的研制已成為大勢所趨。本文就現(xiàn)有飛車中比較成熟的幾款為例，對其基本性能、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討。

1 飛行汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 荷蘭旋翼式PAL-V

PAL-V由荷蘭SPARK Design工作室設(shè)計(jì)推出，是一款單座混合動(dòng)力汽車和旋翼機(jī)結(jié)合的個(gè)人空中和陸地車輛［4］。

PAL-V飛行汽車為縱列雙座的車內(nèi)布局方案，采用三輪底盤，后置螺旋槳水平推進(jìn)，旋翼垂直升降運(yùn)動(dòng)的總體設(shè)計(jì)，尾翼、旋翼等氣動(dòng)部件都可折疊，與車身同寬，行駛過程中不受影響。該車配備了以汽油為燃料(生物柴油或者生物乙醇也可以使用)的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，并以此來驅(qū)動(dòng)旋翼的自折疊以及產(chǎn)生推力，發(fā)動(dòng)機(jī)功率約為172 kW［4］。噪音水平較低，一般可控制在70分貝之內(nèi)。PAL-V的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 PAL-V技術(shù)參數(shù)

該車采用燃料雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)和約翰獨(dú)創(chuàng)的自動(dòng)傾斜控制專利技術(shù)，具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。它不但具有杰出動(dòng)力，也能像兩輪摩托車一樣自動(dòng)調(diào)整傾斜角度從而靈活轉(zhuǎn)向。且在安全性上，安全氣囊、ABS防抱死裝置、GPS衛(wèi)星通信系統(tǒng)等現(xiàn)代主動(dòng)和被動(dòng)安全設(shè)備可增強(qiáng)其安全性能［5］。

PAL-V空陸轉(zhuǎn)換大約需10 min。一旦發(fā)動(dòng)機(jī)停止，螺旋槳自動(dòng)折疊到地面行駛狀態(tài)下對應(yīng)的位置。按下按鈕，轉(zhuǎn)子和尾翼降低成水平位置，外片通過鉸鏈機(jī)構(gòu)折疊在內(nèi)片上，將尾翼推入其在地面行駛狀態(tài)下的位置，并確保轉(zhuǎn)子葉片被固定。陸空轉(zhuǎn)換順序相反［4］。PAL-V陸地行走如圖1所示，飛行模式如圖2所示。

圖1 PAL-V陸地行走

圖2 PAL-V飛行模式

1.2 美國折疊翼式Transition

Transition被譽(yù)為“世界上第一款真正意義上的飛行汽車”，它由一批曾在麻省理工學(xué)院(MIT)深造過的工程師設(shè)計(jì)，是一種適于在路面行駛的飛行器，美國國家公路交通安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration)已經(jīng)宣布免稅準(zhǔn)許其行駛在美國的道路上。

Transition使用標(biāo)準(zhǔn)無鉛汽油，材料以碳纖維為主，同時(shí)使用鋁合金等材料，便于車輛的減重［6］。Transition使用73.5 kW的新型燃油噴射式臥式四缸發(fā)動(dòng)機(jī)Rotax912iS驅(qū)動(dòng)螺旋槳，并在需要時(shí)為陸地行駛提供動(dòng)力，其燃料儲(chǔ)能為87 L，最大航程達(dá)741 km。Transition的技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 Transition的技術(shù)參數(shù)

2010年3月，此款飛車在紐約首次起飛。Transition在足夠大的平坦場地30 s內(nèi)可展開機(jī)翼，啟動(dòng)后部螺旋槳后即可起飛，這是其最大看點(diǎn)。它的機(jī)翼折疊起來，便可變身為前輪驅(qū)動(dòng)汽車。

Transition使用標(biāo)準(zhǔn)飛行操縱系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)汽車駕駛系統(tǒng)，且兩套系統(tǒng)完全獨(dú)立，駕駛艙的雙熒屏顯示器通過模式轉(zhuǎn)換按鈕自動(dòng)切換為飛行顯示器或汽車儀表［5］。它配有全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等高端科技設(shè)備，駕駛操作簡單，安全性高，在天氣狀況不佳時(shí)，可降落在地面行駛。Transition陸地行走狀態(tài)如圖3所示，飛行狀態(tài)如圖4所示。

圖3 Transition陸地行走

圖4 Transition飛行模式

1.3 城市之鷹(X-Hawk)

“城市之鷹(X-Hawk)”是以色列的拉菲·約里博士設(shè)計(jì)制造的城市陸空兩用飛行汽車。其升力由兩個(gè)較大的涵道螺旋槳提供，推力由尾部的兩個(gè)小型涵道螺旋槳提供。X-Hawk飛行汽車的概念圖如圖5所示，飛行模式如圖6所示。

圖5 X-Hawk概念圖

圖6 X-Hawk飛行模式

X-Hawk依靠400多個(gè)葉片提升和控制車輛。兩個(gè)較大的涵道風(fēng)扇在最底層，風(fēng)扇轉(zhuǎn)軸可傾斜。涵道風(fēng)扇上面是多葉片控制系統(tǒng)，它包括四層葉片，兩層在上，兩層在下，每層約100個(gè)葉片。輕輕地傾斜葉片，每個(gè)葉片就可產(chǎn)生約1.81 kg的側(cè)向力，同一個(gè)涵道風(fēng)扇的兩層葉片傾斜方向相反，就可以抵消橫向分力，從而產(chǎn)生可觀的升力實(shí)現(xiàn)垂直起降。通過控制葉片的不同角度可以實(shí)現(xiàn)空中轉(zhuǎn)彎，而車體不用像直升機(jī)那樣橫滾。

X-Hawk采用封閉式風(fēng)扇(encased fan)取代封閉式旋翼，使其可在城市地區(qū)或緊密的自然地形中有效地機(jī)動(dòng)。該車擁有一套線控系統(tǒng)，通過位于螺旋槳導(dǎo)管上部和下部葉片來提供純橫向控制。城市航空公司稱，同直升機(jī)相比X-Hawk機(jī)身更輕，隱蔽性更強(qiáng)，可以側(cè)身貼著建筑物飛行［7］。不過，因回轉(zhuǎn)軸直徑較直升機(jī)小，其燃料消耗則比直升機(jī)多50%。車體的中部是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和乘員艙?！俺鞘兄棥边m應(yīng)城市交通的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)之一是其“小巧”的著陸裝置(2.5 m×5.5 m)適合大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)市區(qū)停車場與車庫的停泊位尺寸。因不存在開放式旋翼系統(tǒng)，該車輛飛行中不存在旋翼與外界的干擾問題，可到達(dá)幾乎任何需要的地方。X-Hawk的基本技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 X-Hawk C型的基本技術(shù)參數(shù)

1.4 飛行悍馬TX

美國國防部高級研究計(jì)劃署(DARPA)專家啟動(dòng)研制“飛行悍馬(TX)”，得克薩斯AVX公司提出的共軸雙旋翼涵道風(fēng)扇推進(jìn)，越野車方案被淘汰，洛克希德·馬丁公司與格萊恩兄弟下屬的AAI競標(biāo)成功，方案采用特殊的旋翼形式，預(yù)計(jì)2015年樣機(jī)研制成功。TX將裝備可折疊機(jī)翼和螺旋槳，采用輕型材料和結(jié)構(gòu)、高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)，利用復(fù)合裝甲保護(hù)車內(nèi)人員，躲避路邊炸彈等危險(xiǎn)。

AAI公司的飛行方案實(shí)際上引入了“低速旋翼/復(fù)合式(SR/C)”直升機(jī)技術(shù)，是一種重約3 400 kg的旋翼與固定翼復(fù)合的旋翼機(jī)。低速飛行時(shí)，無動(dòng)力的旋翼以較大槳距迎風(fēng)自轉(zhuǎn)，承擔(dān)大部分升力，其固定翼只起輔助作用;高速前飛時(shí)，旋翼保持小槳距，極大地減小了前飛時(shí)的阻力，固定翼承擔(dān)絕大部分升力［7］。TX由一臺霍尼韋爾公司的HTS900渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的涵道風(fēng)扇作為主要推動(dòng)力，地面速度為130 km/h。TX陸空轉(zhuǎn)換時(shí)，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)輪式電機(jī)將旋翼桅桿抬起，槳葉和機(jī)翼也隨之展開，同時(shí)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)15 m直徑的旋翼，機(jī)載飛行控制系統(tǒng)自動(dòng)拉起槳距操縱桿，使其垂直起飛，然后控制推進(jìn)器，傾斜桅桿角度，加速旋翼速度，加上機(jī)翼的升力，迅速上空。隨著1.4 m直徑的涵道風(fēng)扇逐漸增加推力，TX的前飛速度增加，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)脫開旋翼，旋翼開始轉(zhuǎn)為無動(dòng)力自旋轉(zhuǎn)模式，旋翼的升力卸載到機(jī)翼上，TX變形為一架飛行器，飛行速度快于常規(guī)的直升機(jī)，飛行速度在93～240 km/h之間，飛行高度為3 000 m［8］。TX采用有人/無人駕駛可選模式，制導(dǎo)和飛行控制采用半自動(dòng)系統(tǒng)。駕駛員可根據(jù)不斷變化的任務(wù)要求或威脅，更改飛行路線，隨時(shí)降落。“飛行悍馬”概念方案如圖7所示。

圖7 AAI公司飛行悍馬的概念方案

TX整車尺寸限制:長小于9.1 m;寬小于2.6 m;高小于2.7 m。

總體技術(shù)要求:乘員4人，配置小型武器，有效載荷450 kg，航程460 km。

另外，洛克希德·馬丁公司提出的是一種重約3 200 kg的傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇方案，機(jī)翼設(shè)計(jì)在飛行汽車頂部，在左右機(jī)翼的內(nèi)段各有一臺2.6 m直徑的涵道升力風(fēng)扇，由一臺惠普公司的重燃料渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。在地面行駛模式時(shí)，12.7 m翼展的機(jī)翼向內(nèi)折疊，涵道風(fēng)扇面向前與機(jī)翼垂直，以提供推力，需要變形時(shí)，機(jī)翼展開，涵道風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)到面向上與機(jī)翼水平，為飛行汽車的垂直起飛提供向上的推力，該車升至一定高度后，涵道風(fēng)扇再次轉(zhuǎn)回到面向前與機(jī)翼垂直，提供向前的推力，變?yōu)橐患苷５娘w機(jī)，飛行速度可達(dá) 240 km/h［8］。

1.5 黑騎士(Black Knight)

“黑騎士”是加利福尼亞先進(jìn)戰(zhàn)略(Advanced Tactics Inc)公司研發(fā)的一款陸空兩用飛行卡車。該公司表示，這是世界上第一輛同時(shí)可以在路面上行駛又可垂直起降的飛行卡車，是卡車、直升機(jī)、無人機(jī)的集合體。

“黑騎士”內(nèi)部容積相當(dāng)于“黑鷹直升機(jī)”，且“黑鷹”所能執(zhí)行的任務(wù)，“黑騎士”全部都可執(zhí)行?！昂隍T士”重約1 995 kg，載貨量超過454 kg，在陸地行駛時(shí)，即使地形崎嶇仍能達(dá)到時(shí)速112 km，高于M1坦克;在飛行模式下，其巡航時(shí)速為240 km/h。

“黑騎士”裝備的旋翼可以互換，貨艙也可以迅速轉(zhuǎn)換為乘員艙。該車裝有8個(gè)旋翼發(fā)動(dòng)機(jī)，車身兩側(cè)各4個(gè)。起飛時(shí)，8個(gè)旋翼發(fā)動(dòng)機(jī)向外側(cè)伸出，平飛狀態(tài)下旋翼向前傾斜一定角度，以增大平飛速度;以卡車模式行駛時(shí)，所有的旋翼發(fā)動(dòng)機(jī)均折疊收攏，以減小車輛寬度，便于穿越狹窄的街道?！昂隍T士”陸地行走狀態(tài)如圖8所示，飛行模式如圖9所示。

圖8 “黑騎士”陸地行走

圖9 “黑騎士”飛行模式

1.6 中國的飛行汽車［9］

位于閻良國家航空高技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地制造飛行汽車的西安美聯(lián)航空技術(shù)有限責(zé)任公司也在開展飛行汽車的研制工作。該車兩輪驅(qū)動(dòng)。它裝有一個(gè)70 L的油箱，可飛行3～4 h。該車采用航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，使用普通97#有鉛或無鉛汽油。座椅、方向盤均采用賽車配置，制作座椅的材料是玻璃鋼材質(zhì)。飛行汽車的外部材料采用的是碳纖維和高強(qiáng)度鈦合金。這種飛行汽車在地面行車狀態(tài)操作和普通汽車操作一樣，在空中操作和普通自旋翼飛機(jī)一樣，油門大小控制飛行汽車飛行速度，前后推拉駕駛桿控制飛行汽車俯仰，左右壓桿和腳蹬方向舵控制飛行汽車方向。起飛是不需要專用機(jī)場跑道，只要有一個(gè)30 m左右的助跑場地就可以，降落時(shí)需要10 m長度的跑場即可。當(dāng)飛行模式轉(zhuǎn)向行車模式時(shí)，只需按一個(gè)按鈕折疊主支架和旋翼，前后僅10 min時(shí)間。會(huì)開汽車的市民經(jīng)過2-5天飛行培訓(xùn)就可以單獨(dú)操縱飛行。該飛行汽車預(yù)計(jì)售價(jià)200萬元左右。該車基本技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 基本技術(shù)參數(shù)

1.7 存在的問題

目前飛行汽車還只是出于研制階段，要真正批量生產(chǎn)并投入使用還需要很長一段時(shí)間。當(dāng)前，飛行汽車存在的問題如下:

飛行汽車的智能化程度較低，只能執(zhí)行預(yù)先設(shè)定好的任務(wù)，且穩(wěn)定性差，操縱和控制技術(shù)還不夠成熟。飛行汽車機(jī)翼折疊起來之后寬度及高度都不宜過大，否則會(huì)影響道路上其他汽車的正常行駛，這就涉及到飛行汽車機(jī)翼的合理收放設(shè)計(jì)問題。安全性低，容易發(fā)生碰撞或墜毀，缺乏對突發(fā)性事件的應(yīng)變和處理能力是目前飛行汽車存在的另一個(gè)問題。目前飛行汽車一般尺寸都較小，發(fā)動(dòng)機(jī)功率也不大，因此速度和升限較低，有效載荷較小。另外通用性差，是飛行汽車存在的又一個(gè)問題。技術(shù)的使用成本必然很高，如何生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)又價(jià)格適中的產(chǎn)品是必須要考慮的一個(gè)問題。

目前尚無空中道路管理體制，這也使飛行汽車的發(fā)展受限。自由而安全的飛行，必須要有電腦網(wǎng)格將導(dǎo)航和通信系統(tǒng)結(jié)為一個(gè)整體，向駕駛員呈現(xiàn)可能安全飛行的方向以及最佳線路。空中交通系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，就像所有的復(fù)雜系統(tǒng)，自主調(diào)節(jié)的效率總是比集中調(diào)節(jié)要高。自由飛行的實(shí)現(xiàn)還需要很長時(shí)日，除了飛行器上需要統(tǒng)一裝備的通訊終端系統(tǒng)，還需要有強(qiáng)大的計(jì)算能力的計(jì)算機(jī)和先進(jìn)的程序算法，讓多個(gè)飛行器避免碰撞。

此外，飛行汽車陸空模式和空陸模式轉(zhuǎn)換時(shí)，需要收起或折疊機(jī)翼，這需要起降的路面寬廣、其他車輛少且路況良好，但這在實(shí)際中往往是不現(xiàn)實(shí)的。

2 飛行汽車的發(fā)展趨勢

飛行汽車的研究日漸成熟，其性能不斷完善，使用范圍和任務(wù)性質(zhì)將進(jìn)一步擴(kuò)展，幾款代表車型即將量產(chǎn)。根據(jù)飛行汽車的發(fā)展現(xiàn)狀，可以預(yù)測飛行汽車將來的發(fā)展趨勢如下:

1)智能化。飛行汽車的操縱和控制是一個(gè)技術(shù)重點(diǎn)和難點(diǎn)。未來的飛行汽車必然是由現(xiàn)代通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、行業(yè)技術(shù)、智能控制技術(shù)等匯集而成，逐步向智能化發(fā)展。如自動(dòng)駕駛技術(shù)在飛行汽車上的應(yīng)用，甚至向全自動(dòng)化發(fā)展［10］。

2)機(jī)器人化。在傳統(tǒng)飛行汽車中引入機(jī)器人技術(shù)，使其能夠自動(dòng)執(zhí)行工作，接受人類指揮，也可運(yùn)行預(yù)先編排好的程序，為人類提供更多快捷和方便。

3)重型化。在各國總結(jié)和規(guī)劃出的作戰(zhàn)方案中，重型戰(zhàn)斗機(jī)往往是被當(dāng)作“精英”，作為戰(zhàn)斗主力來使用。未來飛行汽車必然在重量、體積、航程、功效或威力等方面比一般的型號大。

4)系列化。通過對飛行汽車發(fā)展規(guī)律的分析研究、國內(nèi)外發(fā)展趨勢的預(yù)測，結(jié)合生產(chǎn)技術(shù)條件，經(jīng)過全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，可將飛行汽車的主要參數(shù)、型式、尺寸、基本結(jié)構(gòu)等做出合理安排與規(guī)劃，在一兩種基本車型的基礎(chǔ)上，更新一些不同條件(如發(fā)動(dòng)機(jī)或車身)，衍生出一系列的不同車型，從而滿足不同用戶需要。衍生出來的車型與基本車型組成了一個(gè)車型系列。系列化對廠家組織多品種生產(chǎn)，降低制造成本十分有利。

5)水陸空三棲化。三棲車是能在水上、陸地上行駛，空中飛行的新型交通工具，能夠便捷地實(shí)現(xiàn)三種功能的轉(zhuǎn)換，能夠在常規(guī)機(jī)動(dòng)車路面上垂直起飛和降落。實(shí)現(xiàn)汽車的三棲化使得汽車具有更廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ 楊雪，張強(qiáng).軍用飛行汽車設(shè)計(jì)研究［J］.軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2014(4):50-52

［2］ 崔曉風(fēng).三棲車輛概念及旋翼推進(jìn)技術(shù)研究［D］.北京:北京理工大學(xué)，2006

［3］ 陳清泉，孫立清.電動(dòng)汽車的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2005，23(0504):24-28

［4］ PAL-V One［J］.IHS Jane’s.2014

［5］ 王拖連，楊世文，薛姣，等.陸空兩用飛行汽車發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］.公路與汽運(yùn)，2011(4):12-16

［6］ Terrafugia Transition［J］.IHS Jane’s.2014

［7］ 楊兆組.重型陸空車輛飛行性能研究［D］.北京:北京理工大學(xué)，2014

［8］ http://www.cannews.com.cn

［9］ 夏宛.首輛國產(chǎn)飛行汽車將亮相珠海［N］.簡訊，2012(20):20

［10］ 王海，徐國華.無人駕駛直升機(jī)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.直升機(jī)技術(shù)，2003(2):45-49