飛行汽車總體技術及應用研究

楊軍 楊志強 余麗娟 王東

摘要：隨著新能源智能網(wǎng)聯(lián)汽車的高速發(fā)展，飛行器與汽車跨界融合的飛行汽車成為未來的發(fā)展趨勢。首先，通過分析飛行汽車的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，總結了飛行汽車的發(fā)展趨勢；其次，設想了一種新的飛行汽車構型，對飛行系統(tǒng)、陸地系統(tǒng)、能源及管理系統(tǒng)、智能飛行駕駛系統(tǒng)進行了重點闡述；最后，對飛行汽車在民用和軍用領域的應用進行了展望。

關鍵詞：飛行汽車；新能源；智能網(wǎng)聯(lián)

飛行汽車既能在空中飛行，又能在陸地行駛，被認為是未來日常出行的最高效交通方式之一。隨著新能源智能網(wǎng)聯(lián)汽車和飛行器技術的成熟發(fā)展，跨界融合的飛行汽車在城市上空不同高度穿梭的場景將觸手可及。

德國咨詢機構Horvath & Partners研究預測，2025—2049年，全球將有240個城市大規(guī)模應用飛行出租，2035年時，全球飛行出租的數(shù)量可能超過23 000架。中國交通運輸部、科學技術部印發(fā)《交通領域科技創(chuàng)新中長期發(fā)展規(guī)劃綱要（2021—2035年）》的通知提出，部署新型載運工具研發(fā)，部署飛行汽車研發(fā)，突破飛行器與汽車融合、飛行與地面行駛自由切換等技術?？梢婏w行汽車的發(fā)展越來越受到人們的重視，成為飛行器與汽車這一跨界融合領域最熱門的創(chuàng)新前沿，將推動人類技術革命的進程[1]。

飛行汽車研究現(xiàn)狀

1.國外發(fā)展現(xiàn)狀

飛行汽車的設計思路源自20世紀初，至今在世界范圍內(nèi)發(fā)展了一百多年。1886年，德國人卡爾·奔馳發(fā)明世界上第一輛汽車，1903年美國的懷特兄弟實現(xiàn)人類首飛之后，民間就開始對飛行汽車進行探索研究[2]。

2019年，PAL-V發(fā)布全球首款量產(chǎn)的飛行汽車。PAL-V Liberty飛行汽車采用三輪結構，展開螺旋槳和尾槳就可變身旋翼飛機。據(jù)官方介紹，PAL-Liberty的整個變形過程需要約10min，陸地行駛最高車速可達160km/h，最大續(xù)駛里程為1315km，飛行最高速度可達180km/h，最大續(xù)航里程為500km（見圖1）[3]。

2009 年，美國Terrafugia公司制造的Transition全球首次試飛成功。該飛行汽車擁有可折疊機翼，陸地行駛時，機翼折疊以減小行駛時所占的空間，陸地最高車速可達112 km/h；空中飛行時，機翼展開變?yōu)楣潭ㄒ盹w機，飛行最高時速達185 km/h，但不能在空中懸停，起飛和降落需要足夠的空間和距離，如圖2所示。

為解決此問題，Terrafugia公司正在研發(fā)垂直起降的概念車TF-X，并計劃在2023～2025年嘗試首飛。TF-X 由旋翼提供飛行時的升力和前進動力，當起飛至一定高度時，兩個螺旋槳可折疊起來，依靠車尾的風扇提供動力。TF-X具備智能駕駛系統(tǒng)，可實現(xiàn)自動飛行，如圖3所示。

2017年上市的AeroMobil是由斯洛伐克的汽車公司研制的第一批量產(chǎn)并推向市場的飛行汽車。該飛行汽車采用輕量化復合材料車身，搭載2.0L四缸渦輪增壓發(fā)動機，陸地行駛時，機翼折疊在車身兩側，最大續(xù)駛里程約500km；空中飛行時，兩側機翼展開為固定翼結構，最大飛行里程約692km，如圖4所示。

美國的“黑騎士”是一款采用４×４貨車底盤與８旋翼無人機結合構型的軍用陸空兩棲車輛，是美國首款兼具地面整機越野機動能力、直升機垂直升降能力和無人機自主飛行能力的運輸設備，具有重要的軍事意義。

“黑騎士”具有８個旋翼發(fā)動機，分布在機身兩側，最大起飛質量可達1996g。空中飛行時旋翼發(fā)動機向外伸出，長9.4m，寬5.8m，空中巡航速度241km/h。越野車模式前行時，旋翼折疊收回，長7.6m，寬2.4m，高2.4m，最大公路速度113 km/h，陸地行駛時可搭載5名乘員，有效載荷454kg，最大戰(zhàn)斗行程463km。

在拆除陸上行駛的動力傳動系統(tǒng)后可搭載726kg有效載荷或8名乘員，擁有與“黑鷹”直升機相當?shù)某髢?nèi)部空間，可用C-130空運，適于傷員后送和物資補給任務。2014年3月，“黑騎士”完成了飛行試驗，標志著美國的軍用陸空兩棲飛車技術已經(jīng)成熟，為其正式服役奠定了基礎，如圖5所示。

2.國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)關于飛行汽車的研究雖然起步較晚，但隨著國家整體實力的增強，該領域的研究得到了快速發(fā)展，也取得了一定成績，與國外的差距越來越小。

2012 年，西安美聯(lián)航空技術有限責任公司研制出一款處于測試階段的飛行汽車。該飛行汽車頂部和尾部裝有旋翼，采用碳纖維和高強度鈦合金，飛行汽車質量450kg，可容納2人乘坐，最大起飛重量600kg。從地面狀態(tài)轉換到飛行狀態(tài)只需30m左右的助跑道路，降落時僅需10m，表明國內(nèi)對兩棲載物平臺的研究已經(jīng)取得了一定的進展。

2021年歐洲飛行器展，小鵬匯天發(fā)布了最新款雙人智能電動飛行器旅航者X2及第六代飛行汽車的概念構型。X2全機身采用碳纖維結構，空機含電池重560kg，可搭載2位乘客，最大載重200kg。設計飛行高度為1000m以下，適用于Urban Air Mobility及未來智慧城市的立體空中出行，如圖6所示。

2018年珠海航展，億航216亮相。它是全球首創(chuàng)的全電力低空中短途載人級自動駕駛飛行器，采用簡單的多旋翼飛行器機械結構與動力系統(tǒng)，無需人為駕駛，安全自主飛行，可搭載2位乘客，用于空中立體交通、旅游觀光、物流運輸及醫(yī)療急救等應用場景，如圖7所示。

2022年，全球首款載人級兩座智能分體式飛行汽車工程樣車在重慶發(fā)布。該飛行器采用了自主垂直起降飛行器、智能操控座艙和自動駕駛底盤三個獨立模塊的分體式構型，是面向載人、載物的立體運載系統(tǒng)，如圖8所示。

3.發(fā)展趨勢

通過國內(nèi)外飛行汽車的研究，飛行汽車的發(fā)展趨勢有以下三點：

1）飛行汽車技術構型主要以多旋翼為主。該構型可垂直起降，精準懸停，操作簡單，技術難度相對較小，能快速實現(xiàn)落地，是未來主要的技術發(fā)展趨勢。

2）隨著新能源汽車和智能網(wǎng)聯(lián)技術的高速發(fā)展，飛行汽車的全自動駕駛將成為未來的必然趨勢。

3）隨著飛行汽車的商業(yè)化，性價比和輕量化需要重點考慮。

飛行汽車總體技術研究

飛行汽車作為飛行器和汽車跨界融合的結合點，是民用和軍用最重要的運載工具之一，既要滿足優(yōu)秀的地面機動性能，又要滿足隨時起飛的空中飛行功能。傳統(tǒng)的飛行汽車多以飛行為主，地面機動為輔，尚未見到同時具備空中飛行與地面機動性能優(yōu)良的飛行汽車。

隨著新能源汽車技術和智能網(wǎng)聯(lián)技術的高速發(fā)展，以比亞迪、特斯拉為代表的車企將新能源汽車的安全、功能、性能及智能提升至一個新的高度，為飛行汽車發(fā)展奠定了良好的技術與產(chǎn)業(yè)基礎。本章以設想的飛行汽車為例，對飛行汽車的總體技術進行詳細闡述[4]。

1.總體設想

為了使飛行汽車具備陸地及飛行優(yōu)良性能，需要將現(xiàn)有最先進的汽車技術和飛行技術結合起來，綜合考慮飛行系統(tǒng)、陸地系統(tǒng)、能源及管理系統(tǒng)和智能飛行駕駛系統(tǒng)之間的關系，開展陸空一體化設計。

擬設計的飛行汽車陸地系統(tǒng)采取4個角模塊集成及控制技術，可實現(xiàn)四輪分布式驅動和四輪分布式轉向，提高整機的機動能力（車輪360°無限制轉向，車輛橫向行駛）。飛行系統(tǒng)采取簡單成熟的多旋翼技術，可實現(xiàn)整機垂直起降、前飛倒飛、空中懸停及空中轉向，如圖9所示，整機集成陸地及空中自動駕駛技術，可實現(xiàn)陸地自動駕駛和空中自主飛行。

2.飛行系統(tǒng)

飛行系統(tǒng)由飛行動力模塊、飛行骨架模塊、飛行艙模塊、飛行操縱顯示模塊和飛行控制模塊組成。

（1）飛行動力模塊 飛行動力模塊主要為飛行提供動力，需選擇高功率密度、體積小、效率高及可靠性好的飛行動力電動機。根據(jù)飛行汽車的最大起飛重量，考慮效率及安全系數(shù)的影響，計算單個電動機需提供的最大拉力。

（2）飛行骨架模塊 飛行骨架承受來自車內(nèi)外的各種載荷，既要滿足陸地行駛的工況性能要求，也要滿足空中飛行的工況性能要求，其結構對重量、剛度、強度要求較高。飛行骨架的設計應滿足最小質量、氣動力、維修方便性、可靠性、成本及工藝等要求。根據(jù)不同要求的優(yōu)先級，可以選擇鎂合金、鈦合金和鋁合金等材料。

（3）飛行艙模塊 飛行艙模塊主要由飛行艙骨架、蒙皮、地板、艙門、座椅和儀表板等組成，是駕駛員駕駛飛行汽車及人機交互的重要場所。其功能是保證駕駛員能夠獲取足夠的外部信息并對飛行汽車進行操控，同時必須通過合理布置和人機工程設計來提升操作效率和安全性，實現(xiàn)安全駕駛及飛行。飛行艙應滿足功能、剛強度、氣動力、最小重量、工藝性、隔熱降噪、密封、上下車方便性、透明性及成本等一系列要求。可以根據(jù)不同要求的優(yōu)先級，選擇鎂合金、鈦合金、鋁合金、碳纖維和高強度透明分子材料。

（4）飛行操縱顯示模塊 飛行操縱顯示模塊由飛行顯示單元和飛行操縱單元組成。飛行顯示單元布置在儀表臺，主要用來顯示飛行過程中的飛行狀態(tài)信息和導航信息。飛行操縱單元布置在儀表臺區(qū)域，主要用來操作以實現(xiàn)垂直起飛、空中懸停、前后飛、空中轉向及垂直降落等功能，同時為電力傳動飛行提供執(zhí)行機構。

（5）飛行控制模塊 飛行控制模塊是飛行汽車的一個重要組成部分，沒有高性能的飛行控制模塊，就不可能有安全高效的飛行汽車。飛行控制應滿足高算力、高穩(wěn)定性、高可靠性、低功耗、高精度、多重保護、冗余設計、數(shù)據(jù)轉發(fā)及信息交互等要求。飛行控制模塊核心是飛行控制器，以毫米波雷達、攝像頭以及IMU等環(huán)境感知和定位技術為基礎，以飛行姿態(tài)控制為核心，實施飛行執(zhí)行部件的管理，實現(xiàn)自動飛行功能。

3.陸地系統(tǒng)

（1）角模塊 角模塊由輪轂電動機、制動單元、轉向單元、懸架單元和車輪組成。輪轂電動機為飛行汽車提供陸地驅動功能，制動單元為飛行汽車提供陸地制動安全保障，轉向單元為飛行汽車提供陸地轉向功能，懸架單元為飛行汽車提供陸地平順性、操縱穩(wěn)定性、承載及調(diào)節(jié)車身姿態(tài)等功能、車輪為飛行汽車提供承載功能。4個角模塊分布在4個角，各零部件具有高度互換性。

（2）電子電器模塊 電子電器模塊由電動機控制器、整車控制器、綜合網(wǎng)關控制器、分布式驅動矢量控制器、CAN通信網(wǎng)絡和電器附件組成。

電動機控制器負責輪轂電動機的控制，整車控制器以能量管理為核心，以扭矩控制為主線，協(xié)調(diào)電動機、電池、轉向及制動等多系統(tǒng)聯(lián)合工作，實現(xiàn)陸地行駛的動力性、經(jīng)濟性、駕駛性和安全性的最佳平衡。

綜合網(wǎng)關控制器，是飛行汽車信息交互和信息安全的核心零件，負責整車控制器、飛行控制器、地面終端之間的信息交互與管理。

分布式驅動矢量控制器負責滿足車輛總驅動力需求，同時通過協(xié)調(diào)控制多個驅動源實現(xiàn)車輛直行、轉向等行駛功能，可涵蓋驅動力分配、電子差速、驅動防滑和車身穩(wěn)定性控制等多個控制功能。

CAN通信網(wǎng)絡負責飛行汽車內(nèi)部的信息通訊。電器附件包括儀表、燈光、空調(diào)及開關等，負責陸地行駛狀態(tài)下顯示、照明、雨刮和空調(diào)等功能的實現(xiàn)。

（3）陸地操控模塊 陸地操控模塊由陸地行駛轉向盤、陸地行駛油門踏板、陸地行駛制動踏板和駐車控制按鈕組成，保證整機實現(xiàn)加速、轉向、制動和駐車等功能。

4.能源及管理系統(tǒng)

能源及管理系統(tǒng)由動力電池包及電源管理組成。動力電池包是指用于給飛行汽車陸地駕駛及空中飛行提供能量的儲能裝置，以安全可靠、滿足飛行汽車的動力要求和乘員舒適性為基本設計要求，同時要考慮一些通用性原則，包括高比能量、高比功率、高放電倍率、溫度適應性強、使用壽命長、安裝維護性強及綜合成本低等因素，在有限的布置空間和有效的管理系統(tǒng)下保證飛行汽車在各工況下的正常運行。電源管理由高壓配電盒、DCDC和蓄電池組成，主要負責能源的轉換與合理分配。

5.智能飛行駕駛系統(tǒng)

智能飛行駕駛系統(tǒng)由陸地自動駕駛單元與空中自主飛行單元兩部分組成，兩部分共享一套感知單元。陸地自動駕駛基于攝像頭、雷達等感知單元，高精地圖定位單元的信息，通過車載計算平臺進行數(shù)據(jù)計算、路徑規(guī)劃和決策控制。具有手機招車、障礙物避障、通過交叉路口及自動跟車等功能，可實現(xiàn)特定場景下的L4級無人駕駛?？罩凶灾黠w行單元通過加速度計、陀螺儀、磁力計、高度傳感器和空速計等多傳感器融合技術感知飛行汽車的周圍環(huán)境和狀態(tài)參數(shù)，飛行控制器做出飛行決策，執(zhí)行層自動響應，實現(xiàn)飛行自動控制。

飛行汽車應用研究

飛行汽車作為隨時升空飛行、快速地面行駛的新型立體運載工具，正日益受到航空和汽車領域的重視，未來將逐漸成為滿足民用和軍用的主要運載工具。

1.民用

隨著城市化進程的高速推進和人民生活水平的日益提高，越來越多的人選擇汽車出行，早晚高峰擁堵、環(huán)境污染等問題日益嚴重，迫切需要立體機動來緩解。作為具有廣闊前景的一類立體運載工具，飛行汽車將在城市快遞、市內(nèi)交通、公共服務及應急救援等民用場景得到大規(guī)模應用。

2. 軍用

隨著我國軍事戰(zhàn)略和作戰(zhàn)空間的不斷拓展，陸軍在戰(zhàn)場上的角逐日漸由地面延伸到空中，飛起來成為全球陸軍發(fā)展的趨勢。尤其是在信息化時代，戰(zhàn)爭的立體性、多維性日趨突出，陸地、海上、天空、電磁空間同時交織進行，僅依靠地面機動平推的傳統(tǒng)陸軍難以全面融入戰(zhàn)爭?？朔?zhàn)場地理環(huán)境困難，不依托道路橋梁跨越江河障礙，立體機動快速突入敵淺近縱深，搶占隘口、樓宇、要點形成戰(zhàn)場優(yōu)勢，成為爭取戰(zhàn)略戰(zhàn)役主動急需解決的緊迫問題。急需野戰(zhàn)條件下“陸地空中目標小、快速地面行駛、隨時升空飛行、實施垂直起飛作戰(zhàn)、長短途快速機動打擊、經(jīng)濟與實用和耐用”的飛行汽車。

結語

1）本文分析了飛行汽車的研究現(xiàn)狀，提出了飛行汽車的發(fā)展趨勢是多旋翼、全自動駕駛、性價比和輕量化。

2）提出了一種飛行汽車的總體設想，并對飛行系統(tǒng)、陸地系統(tǒng)、能源及管理系統(tǒng)、智能飛行駕駛系統(tǒng)進行了詳細闡述。

3）對飛行汽車在民用和軍用領域的應用進行了展望，認為未來將在民用和軍用領域得到大規(guī)模應用。

4）本文提出的總體技術研究適用于不同尺寸、不同用途的飛行汽車，為飛行汽車的研發(fā)和推廣提供了思路，希望能為飛行汽車的持續(xù)發(fā)展貢獻一份力量。

參考文獻：

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[3] 勞永春. 飛行汽車的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].內(nèi)燃機與配件 ， 2020（15）：210-211.

[4] 張揚軍.飛行汽車發(fā)展的戰(zhàn)略意義與未來愿景[J]. 交通建設與管理，2022（3）：26-33.