飞行汽车的发展现状与展望

曹 锋，么鸣涛，雷雪媛，陈 赟，韩乃莉，李 军

(中国南方工业研究院，北京 100089)

飞行汽车是一种既能够在天空中飞行也可以在陆地上行驶的交通工具，它能在陆地行驶模式和飞行模式之间相互切换［1］。自1886年德国人卡尔·奔驰发明世界上第一辆汽车，1903年美国人怀特兄弟实现人类历史上第一次飞行，人类就开始了对飞行汽车的探索。1906年Trajan Vuia在法国巴黎测试第一辆飞行汽车。1917年2月在纽约城举办的全美航空展上，展出了寇第斯的飞行汽车。随后美国康维尔公司制造出一款可折叠的飞行汽车。1949年，美国泰勒研制的陆空两用汽车第一次试飞就取得成功。Robert Fulton的飞行汽车获得了CAA认可。布莱恩研制的小型飞行汽车以及美国的皮特凯恩的AC-35旋翼汽车也较成功。Fleet在80年代也提出喷气推进的飞行汽车的概念车［2］。至今，飞行汽车已经有一百多年的历史。

今后40年里，全球人口将从60亿增加到100亿，汽车的数量也将从7亿增加到25亿［3］，这必然造成城市地面道路交通紧张，因此开辟空中道路就显得尤为重要。使用飞行汽车将有利于这些问题的解决，且飞行汽车可以让人类享受更自由的体验。

近年国际上出现了一批有代表意义的飞行车辆，客观上反映了飞行车辆的发展方向。如美国DARPA推出的“飞行悍马(Transformer(TX))”，terrafugia生产的“世界上第一款真正意义上的飞行汽车Transition”，以色列研制的封闭式旋翼式垂直起降飞行器X-Hawk，荷兰SPARK Design工作室开发的PAL-V飞天汽车;此外，欧盟投资420万英镑支助研发低空飞行汽车，中国西安美联航空技术有限责任公司2012年在珠海航展上展出了拥有全部自主知识产权的新一代飞行汽车，并有望投产，由此可以看出飞行汽车的研制已成为大势所趋。本文就现有飞车中比较成熟的几款为例，对其基本性能、研究现状和发展趋势进行了探讨。

1 飞行汽车的发展现状

1.1 荷兰旋翼式PAL-V

PAL-V由荷兰SPARK Design工作室设计推出，是一款单座混合动力汽车和旋翼机结合的个人空中和陆地车辆［4］。

PAL-V飞行汽车为纵列双座的车内布局方案，采用三轮底盘，后置螺旋桨水平推进，旋翼垂直升降运动的总体设计，尾翼、旋翼等气动部件都可折叠，与车身同宽，行驶过程中不受影响。该车配备了以汽油为燃料(生物柴油或者生物乙醇也可以使用)的转子发动机，并以此来驱动旋翼的自折叠以及产生推力，发动机功率约为172 kW［4］。噪音水平较低，一般可控制在70分贝之内。PAL-V的技术参数如表1所示。

表1 PAL-V技术参数

该车采用燃料双转子发动机和约翰独创的自动倾斜控制专利技术，具有良好的燃油经济性。它不但具有杰出动力，也能像两轮摩托车一样自动调整倾斜角度从而灵活转向。且在安全性上，安全气囊、ABS防抱死装置、GPS卫星通信系统等现代主动和被动安全设备可增强其安全性能［5］。

PAL-V空陆转换大约需10 min。一旦发动机停止，螺旋桨自动折叠到地面行驶状态下对应的位置。按下按钮，转子和尾翼降低成水平位置，外片通过铰链机构折叠在内片上，将尾翼推入其在地面行驶状态下的位置，并确保转子叶片被固定。陆空转换顺序相反［4］。PAL-V陆地行走如图1所示，飞行模式如图2所示。

图1 PAL-V陆地行走

图2 PAL-V飞行模式

1.2 美国折叠翼式Transition

Transition被誉为“世界上第一款真正意义上的飞行汽车”，它由一批曾在麻省理工学院(MIT)深造过的工程师设计，是一种适于在路面行驶的飞行器，美国国家公路交通安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration)已经宣布免税准许其行驶在美国的道路上。

Transition使用标准无铅汽油，材料以碳纤维为主，同时使用铝合金等材料，便于车辆的减重［6］。Transition使用73.5 kW的新型燃油喷射式卧式四缸发动机Rotax912iS驱动螺旋桨，并在需要时为陆地行驶提供动力，其燃料储能为87 L，最大航程达741 km。Transition的技术参数如表2所示。

表2 Transition的技术参数

2010年3月，此款飞车在纽约首次起飞。Transition在足够大的平坦场地30 s内可展开机翼，启动后部螺旋桨后即可起飞，这是其最大看点。它的机翼折叠起来，便可变身为前轮驱动汽车。

Transition使用标准飞行操纵系统和标准汽车驾驶系统，且两套系统完全独立，驾驶舱的双荧屏显示器通过模式转换按钮自动切换为飞行显示器或汽车仪表［5］。它配有全球卫星定位系统等高端科技设备，驾驶操作简单，安全性高，在天气状况不佳时，可降落在地面行驶。Transition陆地行走状态如图3所示，飞行状态如图4所示。

图3 Transition陆地行走

图4 Transition飞行模式

1.3 城市之鹰(X-Hawk)

“城市之鹰(X-Hawk)”是以色列的拉菲·约里博士设计制造的城市陆空两用飞行汽车。其升力由两个较大的涵道螺旋桨提供，推力由尾部的两个小型涵道螺旋桨提供。X-Hawk飞行汽车的概念图如图5所示，飞行模式如图6所示。

图5 X-Hawk概念图

图6 X-Hawk飞行模式

X-Hawk依靠400多个叶片提升和控制车辆。两个较大的涵道风扇在最底层，风扇转轴可倾斜。涵道风扇上面是多叶片控制系统，它包括四层叶片，两层在上，两层在下，每层约100个叶片。轻轻地倾斜叶片，每个叶片就可产生约1.81 kg的侧向力，同一个涵道风扇的两层叶片倾斜方向相反，就可以抵消横向分力，从而产生可观的升力实现垂直起降。通过控制叶片的不同角度可以实现空中转弯，而车体不用像直升机那样横滚。

X-Hawk采用封闭式风扇(encased fan)取代封闭式旋翼，使其可在城市地区或紧密的自然地形中有效地机动。该车拥有一套线控系统，通过位于螺旋桨导管上部和下部叶片来提供纯横向控制。城市航空公司称，同直升机相比X-Hawk机身更轻，隐蔽性更强，可以侧身贴着建筑物飞行［7］。不过，因回转轴直径较直升机小，其燃料消耗则比直升机多50%。车体的中部是动力传动系统和乘员舱。“城市之鹰”适应城市交通的设计细节之一是其“小巧”的着陆装置(2.5 m×5.5 m)适合大多数标准市区停车场与车库的停泊位尺寸。因不存在开放式旋翼系统，该车辆飞行中不存在旋翼与外界的干扰问题，可到达几乎任何需要的地方。X-Hawk的基本技术参数如表3所示。

表3 X-Hawk C型的基本技术参数

1.4 飞行悍马TX

美国国防部高级研究计划署(DARPA)专家启动研制“飞行悍马(TX)”，得克萨斯AVX公司提出的共轴双旋翼涵道风扇推进，越野车方案被淘汰，洛克希德·马丁公司与格莱恩兄弟下属的AAI竞标成功，方案采用特殊的旋翼形式，预计2015年样机研制成功。TX将装备可折叠机翼和螺旋桨，采用轻型材料和结构、高推重比发动机，利用复合装甲保护车内人员，躲避路边炸弹等危险。

AAI公司的飞行方案实际上引入了“低速旋翼/复合式(SR/C)”直升机技术，是一种重约3 400 kg的旋翼与固定翼复合的旋翼机。低速飞行时，无动力的旋翼以较大桨距迎风自转，承担大部分升力，其固定翼只起辅助作用;高速前飞时，旋翼保持小桨距，极大地减小了前飞时的阻力，固定翼承担绝大部分升力［7］。TX由一台霍尼韦尔公司的HTS900涡轴发动机驱动的涵道风扇作为主要推动力，地面速度为130 km/h。TX陆空转换时，涡轴发动机启动轮式电机将旋翼桅杆抬起，桨叶和机翼也随之展开，同时涡轴发动机驱动15 m直径的旋翼，机载飞行控制系统自动拉起桨距操纵杆，使其垂直起飞，然后控制推进器，倾斜桅杆角度，加速旋翼速度，加上机翼的升力，迅速上空。随着1.4 m直径的涵道风扇逐渐增加推力，TX的前飞速度增加，涡轴发动机脱开旋翼，旋翼开始转为无动力自旋转模式，旋翼的升力卸载到机翼上，TX变形为一架飞行器，飞行速度快于常规的直升机，飞行速度在93～240 km/h之间，飞行高度为3 000 m［8］。TX采用有人/无人驾驶可选模式，制导和飞行控制采用半自动系统。驾驶员可根据不断变化的任务要求或威胁，更改飞行路线，随时降落。“飞行悍马”概念方案如图7所示。

图7 AAI公司飞行悍马的概念方案

TX整车尺寸限制:长小于9.1 m;宽小于2.6 m;高小于2.7 m。

总体技术要求:乘员4人，配置小型武器，有效载荷450 kg，航程460 km。

另外，洛克希德·马丁公司提出的是一种重约3 200 kg的倾转涵道风扇方案，机翼设计在飞行汽车顶部，在左右机翼的内段各有一台2.6 m直径的涵道升力风扇，由一台惠普公司的重燃料涡轴发动机驱动。在地面行驶模式时，12.7 m翼展的机翼向内折叠，涵道风扇面向前与机翼垂直，以提供推力，需要变形时，机翼展开，涵道风扇转动到面向上与机翼水平，为飞行汽车的垂直起飞提供向上的推力，该车升至一定高度后，涵道风扇再次转回到面向前与机翼垂直，提供向前的推力，变为一架正常的飞机，飞行速度可达 240 km/h［8］。

1.5 黑骑士(Black Knight)

“黑骑士”是加利福尼亚先进战略(Advanced Tactics Inc)公司研发的一款陆空两用飞行卡车。该公司表示，这是世界上第一辆同时可以在路面上行驶又可垂直起降的飞行卡车，是卡车、直升机、无人机的集合体。

“黑骑士”内部容积相当于“黑鹰直升机”，且“黑鹰”所能执行的任务，“黑骑士”全部都可执行。“黑骑士”重约1 995 kg，载货量超过454 kg，在陆地行驶时，即使地形崎岖仍能达到时速112 km，高于M1坦克;在飞行模式下，其巡航时速为240 km/h。

“黑骑士”装备的旋翼可以互换，货舱也可以迅速转换为乘员舱。该车装有8个旋翼发动机，车身两侧各4个。起飞时，8个旋翼发动机向外侧伸出，平飞状态下旋翼向前倾斜一定角度，以增大平飞速度;以卡车模式行驶时，所有的旋翼发动机均折叠收拢，以减小车辆宽度，便于穿越狭窄的街道。“黑骑士”陆地行走状态如图8所示，飞行模式如图9所示。

图8 “黑骑士”陆地行走

图9 “黑骑士”飞行模式

1.6 中国的飞行汽车［9］

位于阎良国家航空高技术产业基地制造飞行汽车的西安美联航空技术有限责任公司也在开展飞行汽车的研制工作。该车两轮驱动。它装有一个70 L的油箱，可飞行3～4 h。该车采用航空活塞式发动机，使用普通97#有铅或无铅汽油。座椅、方向盘均采用赛车配置，制作座椅的材料是玻璃钢材质。飞行汽车的外部材料采用的是碳纤维和高强度钛合金。这种飞行汽车在地面行车状态操作和普通汽车操作一样，在空中操作和普通自旋翼飞机一样，油门大小控制飞行汽车飞行速度，前后推拉驾驶杆控制飞行汽车俯仰，左右压杆和脚蹬方向舵控制飞行汽车方向。起飞是不需要专用机场跑道，只要有一个30 m左右的助跑场地就可以，降落时需要10 m长度的跑场即可。当飞行模式转向行车模式时，只需按一个按钮折叠主支架和旋翼，前后仅10 min时间。会开汽车的市民经过2-5天飞行培训就可以单独操纵飞行。该飞行汽车预计售价200万元左右。该车基本技术参数如表4所示。

表4 基本技术参数

1.7 存在的问题

目前飞行汽车还只是出于研制阶段，要真正批量生产并投入使用还需要很长一段时间。当前，飞行汽车存在的问题如下:

飞行汽车的智能化程度较低，只能执行预先设定好的任务，且稳定性差，操纵和控制技术还不够成熟。飞行汽车机翼折叠起来之后宽度及高度都不宜过大，否则会影响道路上其他汽车的正常行驶，这就涉及到飞行汽车机翼的合理收放设计问题。安全性低，容易发生碰撞或坠毁，缺乏对突发性事件的应变和处理能力是目前飞行汽车存在的另一个问题。目前飞行汽车一般尺寸都较小，发动机功率也不大，因此速度和升限较低，有效载荷较小。另外通用性差，是飞行汽车存在的又一个问题。技术的使用成本必然很高，如何生产技术先进又价格适中的产品是必须要考虑的一个问题。

目前尚无空中道路管理体制，这也使飞行汽车的发展受限。自由而安全的飞行，必须要有电脑网格将导航和通信系统结为一个整体，向驾驶员呈现可能安全飞行的方向以及最佳线路。空中交通系统是一个复杂的系统，就像所有的复杂系统，自主调节的效率总是比集中调节要高。自由飞行的实现还需要很长时日，除了飞行器上需要统一装备的通讯终端系统，还需要有强大的计算能力的计算机和先进的程序算法，让多个飞行器避免碰撞。

此外，飞行汽车陆空模式和空陆模式转换时，需要收起或折叠机翼，这需要起降的路面宽广、其他车辆少且路况良好，但这在实际中往往是不现实的。

2 飞行汽车的发展趋势

飞行汽车的研究日渐成熟，其性能不断完善，使用范围和任务性质将进一步扩展，几款代表车型即将量产。根据飞行汽车的发展现状，可以预测飞行汽车将来的发展趋势如下:

1)智能化。飞行汽车的操纵和控制是一个技术重点和难点。未来的飞行汽车必然是由现代通信技术、计算机网络技术、行业技术、智能控制技术等汇集而成，逐步向智能化发展。如自动驾驶技术在飞行汽车上的应用，甚至向全自动化发展［10］。

2)机器人化。在传统飞行汽车中引入机器人技术，使其能够自动执行工作，接受人类指挥，也可运行预先编排好的程序，为人类提供更多快捷和方便。

3)重型化。在各国总结和规划出的作战方案中，重型战斗机往往是被当作“精英”，作为战斗主力来使用。未来飞行汽车必然在重量、体积、航程、功效或威力等方面比一般的型号大。

4)系列化。通过对飞行汽车发展规律的分析研究、国内外发展趋势的预测，结合生产技术条件，经过全面的技术经济比较，可将飞行汽车的主要参数、型式、尺寸、基本结构等做出合理安排与规划，在一两种基本车型的基础上，更新一些不同条件(如发动机或车身)，衍生出一系列的不同车型，从而满足不同用户需要。衍生出来的车型与基本车型组成了一个车型系列。系列化对厂家组织多品种生产，降低制造成本十分有利。

5)水陆空三栖化。三栖车是能在水上、陆地上行驶，空中飞行的新型交通工具，能够便捷地实现三种功能的转换，能够在常规机动车路面上垂直起飞和降落。实现汽车的三栖化使得汽车具有更广阔的应用前景。

［1］ 杨雪，张强.军用飞行汽车设计研究［J］.军民两用技术与产品，2014(4):50-52

［2］ 崔晓风.三栖车辆概念及旋翼推进技术研究［D］.北京:北京理工大学，2006

［3］ 陈清泉，孙立清.电动汽车的现状和发展趋势［J］.科技导报，2005，23(0504):24-28

［4］ PAL-V One［J］.IHS Jane’s.2014

［5］ 王拖连，杨世文，薛姣，等.陆空两用飞行汽车发展现状与展望［J］.公路与汽运，2011(4):12-16

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

［7］ 杨兆组.重型陆空车辆飞行性能研究［D］.北京:北京理工大学，2014

［8］ http://www.cannews.com.cn

［9］ 夏宛.首辆国产飞行汽车将亮相珠海［N］.简讯，2012(20):20

［10］ 王海，徐国华.无人驾驶直升机的研究现状和发展趋势［J］.直升机技术，2003(2):45-49