一种风筝式接触网供电飞行客车设计

付皓天 王新月 何永明

（东北林业大学交通学院 黑龙江哈尔滨 150040）

随着现代交通的发展，地面交通拥挤现象日益严重，人们出行十分不便。以哈尔滨市为例，截至2017年，哈尔滨机动车保有量有162万辆，并且还在以每年15%的速度增长，导致哈尔滨市交通压力巨大［1］。为了解决地面交通拥堵的现状，大部分研究成果提出优化路网结构、改善交通政策等措施，但这些方法只能缓解地面交通拥堵，无法从根本上彻底解决交通拥堵的问题。比亚迪提出“云轨”设计方案，即将轨道运输放在低空运行，并且速度快、清洁环保、噪音小［2］，但此设计方案成本巨大，且与城市轨道交通线路会有一定的交叉和冲突点，在实际运行时可能会很不方便。

针对地面交拥堵的现状，结合新型交通模式，本文提出了一种风筝式接触网供电飞行客车，它是结合了火车和飞机两种交通工具的优势，可以在中低空高效工作。目前，飞行汽车领域关键瓶颈在于如何向飞行汽车提供电能［3］。而本文提出的风筝式接触网供电飞行客车采用接触网供电，从源头上解决电能供应问题。该飞行客车由机身、螺旋桨、发动机、接触网供电系统和控制系统组成，共同协助配合运行，为人们提供了一种快速、高效的出行方式。飞行客车包括封闭隔离、降噪及应急设施，保证飞行客车的正常运行及乘客的财产及人身安全。综上所述，飞行客车拥有速度较快、运输效率高、清洁环保等优势，能更好地适应未来的交通发展模式。

1 飞行客车设计研究现状分析

目前，全世界范围内对于飞行汽车领域的研究很多，如旋翼飞行汽车、机翼可收缩式飞行汽车、机翼可折叠式飞行汽车等［4］。刘佳铭提出了一种飞行汽车，该飞行汽车采用三级可收缩式机翼，车身周围安装了4个涵道风扇，减小对桨叶尖部的冲击，减小噪声［5］。

在国内，飞行客车仅有吉利、蔚来等新能源汽车公司及航空、节能领域的学者在研究，在飞行客车方面，理论尚不成熟且研究进度缓慢。马铁林［6］提出了一种飞行客车，该飞行客车采用前后折叠机翼，在车身尾部安装发动机作为动力装置，机身中部安装有小型助推火箭。这种设计方式可以提高起飞速度，但其对于地形的要求较高，且无法高速、高载客量地运行，投入成本较大。在国外，虽然有飞行客车相关概念的提出，但付诸实践的科研机构很少。俄罗斯研发的“飞行火车”最高时速可达600km/h［7］，但仅提出概念模型。国外飞行客车的概念模型如图1所示。

图1 国外飞行客车概念模型

从图1 可以看到，飞行客车需要有完整且广阔的场地才能保证其安全、快速地运行，但同时，飞行客车载客量较大，运输效率较高。上述国内外对飞行客车领域都有一些研究，但其仅处于概念阶段，并且针对飞行客车方面的研究十分稀少，因此，飞行客车的实现及推广距未来还有一段距离。

2 风筝式接触网供电飞行客车研究设计路线

结合国内外飞行客车研究的成果及可行性分析，本文设计的风筝式接触网供电飞行客车研究设计路线包括收集资料、建立模型、分析评估、结论评价4 个步骤。风筝式接触网供电飞行客车如图2所示。

图2 风筝式接触网供电飞行客车研究设计路线

3 风筝式接触网供电飞行客车结构模型设计

经过对风筝式接触网供电飞行客车模型的螺旋桨设计、接触网类型的选用，以及控制系统的协调等问题的研究、改进、评价，最终形成了风筝式接触网供电飞行客车的结构模型。

3.1 总体结构模型设计

风筝式接触网供电飞行客车由机身、螺旋桨、发动机、接触网供电系统和控制系统组成，共同协作运行。风筝式接触网供电飞行客车结构图如图3所示。接触网供电系统主要负责给飞行客车输送电能；发动机主要负责将接触网供电系统输送的电能一部分转化为动能，给飞行客车提供动力支持；螺旋桨主要负责将发动机提供的动能转化为螺旋桨的升力、推力；控制系统主要负责监控飞行客车实时情况、接收总控制中心指令、播报预计到达时间及站点信息等。

图3 风筝式接触网供电飞行客车结构图

3.2 各项结构参数值估计

本文设计的风筝式接触网供电飞行客车的各项结构及参数如表1所示。

表1 飞行客车参数估计值

3.3 具体结构设计

3.3.1 机身

机身主要采用重量较轻、强度很高、韧性很好、耐腐蚀性强的钛合金作为其材料，增加了飞行客车的安全性和耐用性。

3.3.2 螺旋桨

螺旋桨有4种类型，包括上升式螺旋桨、前进式螺旋桨、辅助式螺旋桨、方向式螺旋桨。飞行客车俯视图如图4所示。

图4 飞行客车俯视图

上升式螺旋桨平行地安装在机身两侧，用来提供上升的动力。其中，上升式螺旋桨共有4个，可按实际情况增加，且螺旋桨外有一层保护装置，避免飞行客车空中作业时由于鸟类、树枝等障碍物的干扰而造成螺旋桨的损坏，影响飞行客车的正常运行，如图4中1（上升式螺旋桨）所示。

前进式螺旋桨安装在尾翼，用来提供前进的动力，如图4中4（前进式螺旋桨）所示。

辅助式螺旋桨安装在机身中部，该螺旋桨方向可发生改变，用来辅助飞行客车平稳飞行。其内部安装了温度、湿度传感器及风力检测器，可根据所测得的温度、湿度来判断天气状况，以及根据风力自动调整旋转角度。参考曹沐凡等［8］提出的一种可折叠的物流配送飞行汽车，结合本文所提出的飞行客车，将螺旋桨设计为可折叠的形式，一方面，可以有效地适应各种地形；另一方面，在天气状况良好的情况下，该螺旋桨可以折叠至平行于机身的角度，减小飞行客车的实际净宽。如图4中2（辅助式螺旋桨）所示。

方向式螺旋桨安装在机身尾部，用来协助其他螺旋桨控制方向，该螺旋桨可以旋转，根据飞行客车自身重力、飞行速度的状况调整自身旋转角度，如图4 中3（方向式螺旋桨）所示。

这4 种类型的螺旋桨相互配合协调工作，使飞行客车适应大多数复杂地形，提高飞行客车的适用性。同时，螺旋桨作为推进器，也可以提高飞行客车的行驶速度和服务效率，增加乘客的旅行体验。

3.3.3 发动机

发动机位于机身内部，采用牵引电机作为动力装置，其能够将电能转化为动能，驱动飞行客车运行。发动机从接触网供电系统中获得电能，将电能转化为动能，驱动飞行客车正常运行。

3.3.4 接触网供电系统

接触网供电系统由高架桥、牵引变电所、接触网、接触线和回流电路组成。高架桥等距连续铺设在运行路线上。接触网的电压等级比较高，一般在27kV 左右，而牵引变电所负责将电网传输过来的电能转换为适合风筝式接触网供电飞行客车所需的电压，使飞行客车可以通过接触线获得电能。接触网为连接高架桥与变电所的牵引供电线，接触网由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础构成，其中，接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索及连接零件构成。接触线负责保证飞行客车能持续不断地从牵引供电系统中获得能量。

同时，接触网的类型也十分重要，接触网类型一般分为架空式、三轨接触网两种类型。三轨接触网成本较高且维护麻烦。而架空式又分为刚体悬挂、链型悬挂及简单悬挂。根据邓迪禹［9］提出的城市轨道交通供电接触网类型的比较，结合飞行客车自身考虑，接触网选用简单链型悬挂。

3.3.5 控制系统

控制系统主要保证实时得知飞行客车的情况及旅客的安全。飞行客车的控制系统主要由监控安防子系统、无线通信子系统、时间测距子系统、广播子系统组成。飞行客车控制系统的流程图如图5所示。

图5 飞行客车控制系统流程图

监控安防子系统用于对机内乘客的实时状况进行监控，将飞行客车上的各种情况发送至无线电通信子系统。无线电通信系统用于实现机地之间实时的信息交换，一方面，及时获取站点位置信息且发送至时间测距子系统，另一方面，将飞行客车上情况发送到总控制中心。时间测距子系统内置有测距传感器，用于测量飞行客车与最近站点之间的距离，从而测算预计到站时间，将信息发送至广播子系统。广播子系统用于实时播报到站出站信息，以及对飞行客车上的紧急情况进行实时播报。各个子系统协助共同工作，构成了飞行客车的控制系统。

3.4 结构细节设计

3.4.1 伸缩杆

为了使飞行客车能够自由改变高度，提高飞行客车对周围环境的适应性，伸缩杆可以在轨道上实现自由伸缩。伸缩杆采用钛合金作为其主材料，钛合金韧性好，强度高，可以使飞行客车顺利起飞与降落。伸缩杆上端与飞行客车相连，下端通过轨道与高架桥相连。飞行客车后视图、飞行客车后视图局部视图如图6 和图7所示。

图6 飞行客车后视图

图7 飞行客车后视图局部视图

3.4.2 太阳能光伏板

飞行客车机身顶部铺设有太阳能光伏板，白天吸收太阳能，通过太阳能光伏板储存在飞行客车内，用于飞行客车的操作台、卫生间、控制系统等用电设施，使飞行客车更加经济，降低运输成本。

4 飞行客车工作机制

起飞前，发动机通过接触网供电系统获得电能后，辅助式螺旋桨根据天气等状况，以及风力，来选择适当的旋转角度，以辅助其他螺旋桨提供升力或前进力。上升式螺旋桨、辅助式螺旋桨、前进式螺旋桨、方向式螺旋桨共同工作，使风筝式接触网供电飞行客车起飞，同时，无线电通信子系统确定飞行客车具体位置及最近站点位置信息。

飞行时，方向式螺旋桨开始工作，同时辅助式螺旋桨根据飞行时机身所受阻力、重力及自身速度的状况来选择合适的旋转角度，以来向飞行客车提供升力，前进力和减小阻力的功能。上升式螺旋桨、辅助式螺旋桨、方向式螺旋桨与前进式螺旋桨共同工作，使风筝式接触网高架飞行客车平稳、高速地运行。时间测距子系统根据飞行客车实际速度估算到达各个站点的预计时间，并通过广播子系统实时向乘客播报。

降落时，前进式螺旋桨提前停止工作，同时辅助式螺旋桨根据前进的动力及风力等情况实时调整旋转角度以抵消前进的动力，待前进的动力消失时，方向式螺旋桨与上升式螺旋桨及伸缩杆共同工作，使风筝式接触网飞行客车平稳、安全地降落至高架桥。广播子系统实时播报所在站点、下一站到达时间、等待时间等信息。

5 交通设施设计

飞行客车的正常运行离不开完善的交通工程设施，飞行客车整体的交通设施包括隔离封闭设施、降噪设施及应急设施。

5.1 隔离封闭设施

飞行客车由于采用螺旋桨作为其动力设施，因此只能保证飞行客车在中低空工作。为保障飞行客车的正常工作及旅客安全，在飞行客车工作区域设置隔离封闭设施。隔离封闭设施采用金属网和刺铁丝网作为隔离栅，其中。金属网采用电焊网，对电焊网及刺铁丝网的规格参数如表2和表3所示。

表2 电焊网规格

表3 刺铁丝规格

5.2 降噪设施

飞行客车运行时工作时，由于螺旋桨额旋转而造成巨大噪音，这是先行采用螺旋桨的交通工具都普遍存在的问题。刘远强［10］提出的不同叶尖螺旋桨噪声特性中提到，由于不同叶尖的螺旋桨的噪音特性不同，螺旋桨的叶尖可分为平直桨尖、尖型桨尖、后掠浆尖3种类型，经过试验得出，平直桨尖的最大噪声声压低于尖型桨尖及后掠浆尖。另外，飞行客车的拉力主要由螺旋桨提供，拉力过小可能导致飞行客车无法正常工作，因此，在降噪的同时，也要考虑螺旋桨拉力因素。根据刘远强提出的不同叶尖螺旋桨噪声特性，当风速在30m/s、螺旋桨转速为3900r/min时，在3种螺旋桨中，平直叶尖螺旋桨的拉力最大，且结合叶尖的降噪特性，综合考虑采用平直桨尖作为飞行客车螺旋桨桨尖的主要形式。

在飞行客车旁设立隔音板等降噪设施，其中，隔音板采用JMG-L16复合阻尼隔音板，其拥有E1级环保及A1级防火，且没有污染与放射性物质，方便耐用，易于安装拆卸。

5.3 应急设施

除了上述设施外，飞行客车还配备了应急装置，包括灭火瓶、防烟面罩、烟雾检测器、烟雾报警器、自动灭火器等防火防烟设备，以及防疫包、医疗箱、氧气瓶等医疗设备，保障飞行客车在出现紧急情况时可以最大限度地保证乘客的财产及人身安全。

6 结语

本文所研究的风筝式接触网飞行客车将飞机和火车的优势结合起来，构想出一种类似能飞行的“火车”。从研究设计、结构组成及工作机制等方面，风筝式接触网供电飞行客车都是一种前所未有的新型交通运输工具，它能提高运输效率促进经济发展。风筝式接触网供电飞行客车是未来交通科技发展的一种趋势，符合未来交通发展的需求。