飞行汽车总体技术及应用研究

杨军 杨志强 余丽娟 王东

摘要：随着新能源智能网联汽车的高速发展，飞行器与汽车跨界融合的飞行汽车成为未来的发展趋势。首先，通过分析飞行汽车的国内外发展现状，总结了飞行汽车的发展趋势；其次，设想了一种新的飞行汽车构型，对飞行系统、陆地系统、能源及管理系统、智能飞行驾驶系统进行了重点阐述；最后，对飞行汽车在民用和军用领域的应用进行了展望。

关键词：飞行汽车；新能源；智能网联

飞行汽车既能在空中飞行，又能在陆地行驶，被认为是未来日常出行的最高效交通方式之一。随着新能源智能网联汽车和飞行器技术的成熟发展，跨界融合的飞行汽车在城市上空不同高度穿梭的场景将触手可及。

德国咨询机构Horvath & Partners研究预测，2025—2049年，全球将有240个城市大规模应用飞行出租，2035年时，全球飞行出租的数量可能超过23 000架。中国交通运输部、科学技术部印发《交通领域科技创新中长期发展规划纲要（2021—2035年）》的通知提出，部署新型载运工具研发，部署飞行汽车研发，突破飞行器与汽车融合、飞行与地面行驶自由切换等技术。可见飞行汽车的发展越来越受到人们的重视，成为飞行器与汽车这一跨界融合领域最热门的创新前沿，将推动人类技术革命的进程[1]。

飛行汽车研究现状

1.国外发展现状

飞行汽车的设计思路源自20世纪初，至今在世界范围内发展了一百多年。1886年，德国人卡尔·奔驰发明世界上第一辆汽车，1903年美国的怀特兄弟实现人类首飞之后，民间就开始对飞行汽车进行探索研究[2]。

2019年，PAL-V发布全球首款量产的飞行汽车。PAL-V Liberty飞行汽车采用三轮结构，展开螺旋桨和尾桨就可变身旋翼飞机。据官方介绍，PAL-Liberty的整个变形过程需要约10min，陆地行驶最高车速可达160km/h，最大续驶里程为1315km，飞行最高速度可达180km/h，最大续航里程为500km（见图1）[3]。

2009 年，美国Terrafugia公司制造的Transition全球首次试飞成功。该飞行汽车拥有可折叠机翼，陆地行驶时，机翼折叠以减小行驶时所占的空间，陆地最高车速可达112 km/h；空中飞行时，机翼展开变为固定翼飞机，飞行最高时速达185 km/h，但不能在空中悬停，起飞和降落需要足够的空间和距离，如图2所示。

为解决此问题，Terrafugia公司正在研发垂直起降的概念车TF-X，并计划在2023～2025年尝试首飞。TF-X 由旋翼提供飞行时的升力和前进动力，当起飞至一定高度时，两个螺旋桨可折叠起来，依靠车尾的风扇提供动力。TF-X具备智能驾驶系统，可实现自动飞行，如图3所示。

2017年上市的AeroMobil是由斯洛伐克的汽车公司研制的第一批量产并推向市场的飞行汽车。该飞行汽车采用轻量化复合材料车身，搭载2.0L四缸涡轮增压发动机，陆地行驶时，机翼折叠在车身两侧，最大续驶里程约500km；空中飞行时，两侧机翼展开为固定翼结构，最大飞行里程约692km，如图4所示。

美国的“黑骑士”是一款采用４×４货车底盘与８旋翼无人机结合构型的军用陆空两栖车辆，是美国首款兼具地面整机越野机动能力、直升机垂直升降能力和无人机自主飞行能力的运输设备，具有重要的军事意义。

“黑骑士”具有８个旋翼发动机，分布在机身两侧，最大起飞质量可达1996g。空中飞行时旋翼发动机向外伸出，长9.4m，宽5.8m，空中巡航速度241km/h。越野车模式前行时，旋翼折叠收回，长7.6m，宽2.4m，高2.4m，最大公路速度113 km/h，陆地行驶时可搭载5名乘员，有效载荷454kg，最大战斗行程463km。

在拆除陆上行驶的动力传动系统后可搭载726kg有效载荷或8名乘员，拥有与“黑鹰”直升机相当的超大内部空间，可用C-130空运，适于伤员后送和物资补给任务。2014年3月，“黑骑士”完成了飞行试验，标志着美国的军用陆空两栖飞车技术已经成熟，为其正式服役奠定了基础，如图5所示。

2.国内发展现状

国内关于飞行汽车的研究虽然起步较晚，但随着国家整体实力的增强，该领域的研究得到了快速发展，也取得了一定成绩，与国外的差距越来越小。

2012 年，西安美联航空技术有限责任公司研制出一款处于测试阶段的飞行汽车。该飞行汽车顶部和尾部装有旋翼，采用碳纤维和高强度钛合金，飞行汽车质量450kg，可容纳2人乘坐，最大起飞重量600kg。从地面状态转换到飞行状态只需30m左右的助跑道路，降落时仅需10m，表明国内对两栖载物平台的研究已经取得了一定的进展。

2021年欧洲飞行器展，小鹏汇天发布了最新款双人智能电动飞行器旅航者X2及第六代飞行汽车的概念构型。X2全机身采用碳纤维结构，空机含电池重560kg，可搭载2位乘客，最大载重200kg。设计飞行高度为1000m以下，适用于Urban Air Mobility及未来智慧城市的立体空中出行，如图6所示。

2018年珠海航展，亿航216亮相。它是全球首创的全电力低空中短途载人级自动驾驶飞行器，采用简单的多旋翼飞行器机械结构与动力系统，无需人为驾驶，安全自主飞行，可搭载2位乘客，用于空中立体交通、旅游观光、物流运输及医疗急救等应用场景，如图7所示。

2022年，全球首款载人级两座智能分体式飞行汽车工程样车在重庆发布。该飞行器采用了自主垂直起降飞行器、智能操控座舱和自动驾驶底盘三个独立模块的分体式构型，是面向载人、载物的立体运载系统，如图8所示。

3.发展趋势

通过国内外飞行汽车的研究，飞行汽车的发展趋势有以下三点：

1）飞行汽车技术构型主要以多旋翼为主。该构型可垂直起降，精准悬停，操作简单，技术难度相对较小，能快速实现落地，是未来主要的技术发展趋势。

2）随着新能源汽车和智能网联技术的高速发展，飞行汽车的全自动驾驶将成为未来的必然趋势。

3）随著飞行汽车的商业化，性价比和轻量化需要重点考虑。

飞行汽车总体技术研究

飞行汽车作为飞行器和汽车跨界融合的结合点，是民用和军用最重要的运载工具之一，既要满足优秀的地面机动性能，又要满足随时起飞的空中飞行功能。传统的飞行汽车多以飞行为主，地面机动为辅，尚未见到同时具备空中飞行与地面机动性能优良的飞行汽车。

随着新能源汽车技术和智能网联技术的高速发展，以比亚迪、特斯拉为代表的车企将新能源汽车的安全、功能、性能及智能提升至一个新的高度，为飞行汽车发展奠定了良好的技术与产业基础。本章以设想的飞行汽车为例，对飞行汽车的总体技术进行详细阐述[4]。

1.总体设想

为了使飞行汽车具备陆地及飞行优良性能，需要将现有最先进的汽车技术和飞行技术结合起来，综合考虑飞行系统、陆地系统、能源及管理系统和智能飞行驾驶系统之间的关系，开展陆空一体化设计。

拟设计的飞行汽车陆地系统采取4个角模块集成及控制技术，可实现四轮分布式驱动和四轮分布式转向，提高整机的机动能力（车轮360°无限制转向，车辆横向行驶）。飞行系统采取简单成熟的多旋翼技术，可实现整机垂直起降、前飞倒飞、空中悬停及空中转向，如图9所示，整机集成陆地及空中自动驾驶技术，可实现陆地自动驾驶和空中自主飞行。

2.飞行系统

飞行系统由飞行动力模块、飞行骨架模块、飞行舱模块、飞行操纵显示模块和飞行控制模块组成。

（1）飞行动力模块 飞行动力模块主要为飞行提供动力，需选择高功率密度、体积小、效率高及可靠性好的飞行动力电动机。根据飞行汽车的最大起飞重量，考虑效率及安全系数的影响，计算单个电动机需提供的最大拉力。

（2）飞行骨架模块 飞行骨架承受来自车内外的各种载荷，既要满足陆地行驶的工况性能要求，也要满足空中飞行的工况性能要求，其结构对重量、刚度、强度要求较高。飞行骨架的设计应满足最小质量、气动力、维修方便性、可靠性、成本及工艺等要求。根据不同要求的优先级，可以选择镁合金、钛合金和铝合金等材料。

（3）飞行舱模块 飞行舱模块主要由飞行舱骨架、蒙皮、地板、舱门、座椅和仪表板等组成，是驾驶员驾驶飞行汽车及人机交互的重要场所。其功能是保证驾驶员能够获取足够的外部信息并对飞行汽车进行操控，同时必须通过合理布置和人机工程设计来提升操作效率和安全性，实现安全驾驶及飞行。飞行舱应满足功能、刚强度、气动力、最小重量、工艺性、隔热降噪、密封、上下车方便性、透明性及成本等一系列要求。可以根据不同要求的优先级，选择镁合金、钛合金、铝合金、碳纤维和高强度透明分子材料。

（4）飞行操纵显示模块 飞行操纵显示模块由飞行显示单元和飞行操纵单元组成。飞行显示单元布置在仪表台，主要用来显示飞行过程中的飞行状态信息和导航信息。飞行操纵单元布置在仪表台区域，主要用来操作以实现垂直起飞、空中悬停、前后飞、空中转向及垂直降落等功能，同时为电力传动飞行提供执行机构。

（5）飞行控制模块 飞行控制模块是飞行汽车的一个重要组成部分，没有高性能的飞行控制模块，就不可能有安全高效的飞行汽车。飞行控制应满足高算力、高稳定性、高可靠性、低功耗、高精度、多重保护、冗余设计、数据转发及信息交互等要求。飞行控制模块核心是飞行控制器，以毫米波雷达、摄像头以及IMU等环境感知和定位技术为基础，以飞行姿态控制为核心，实施飞行执行部件的管理，实现自动飞行功能。

3.陆地系统

（1）角模块 角模块由轮毂电动机、制动单元、转向单元、悬架单元和车轮组成。轮毂电动机为飞行汽车提供陆地驱动功能，制动单元为飞行汽车提供陆地制动安全保障，转向单元为飞行汽车提供陆地转向功能，悬架单元为飞行汽车提供陆地平顺性、操纵稳定性、承载及调节车身姿态等功能、车轮为飞行汽车提供承载功能。4个角模块分布在4个角，各零部件具有高度互换性。

（2）电子电器模块 电子电器模块由电动机控制器、整车控制器、综合网关控制器、分布式驱动矢量控制器、CAN通信网络和电器附件组成。

电动机控制器负责轮毂电动机的控制，整车控制器以能量管理为核心，以扭矩控制为主线，协调电动机、电池、转向及制动等多系统联合工作，实现陆地行驶的动力性、经济性、驾驶性和安全性的最佳平衡。

综合网关控制器，是飞行汽车信息交互和信息安全的核心零件，负责整车控制器、飞行控制器、地面终端之间的信息交互与管理。

分布式驱动矢量控制器负责满足车辆总驱动力需求，同时通过协调控制多个驱动源实现车辆直行、转向等行驶功能，可涵盖驱动力分配、电子差速、驱动防滑和车身稳定性控制等多个控制功能。

CAN通信网络负责飞行汽车内部的信息通讯。电器附件包括仪表、灯光、空调及开关等，负责陆地行驶状态下显示、照明、雨刮和空调等功能的实现。

（3）陆地操控模块 陆地操控模块由陆地行驶转向盘、陆地行驶油门踏板、陆地行驶制动踏板和驻车控制按钮组成，保证整机实现加速、转向、制动和驻车等功能。

4.能源及管理系统

能源及管理系统由动力电池包及电源管理组成。动力电池包是指用于给飞行汽车陆地驾驶及空中飞行提供能量的储能装置，以安全可靠、满足飞行汽车的动力要求和乘员舒适性为基本设计要求，同时要考虑一些通用性原则，包括高比能量、高比功率、高放电倍率、温度适应性强、使用寿命长、安装维护性强及综合成本低等因素，在有限的布置空间和有效的管理系统下保证飞行汽车在各工况下的正常运行。电源管理由高压配电盒、DCDC和蓄电池组成，主要负责能源的转换与合理分配。

5.智能飞行驾驶系统

智能飞行驾驶系统由陆地自动驾驶单元与空中自主飞行单元两部分组成，两部分共享一套感知单元。陆地自动驾驶基于摄像头、雷达等感知单元，高精地图定位单元的信息，通过车载计算平台进行数据计算、路径规划和决策控制。具有手机招车、障碍物避障、通过交叉路口及自动跟车等功能，可实现特定场景下的L4级无人驾驶。空中自主飞行单元通过加速度计、陀螺仪、磁力计、高度传感器和空速计等多传感器融合技术感知飞行汽车的周围环境和状态参数，飞行控制器做出飞行决策，执行层自动响应，实现飞行自动控制。

飞行汽车应用研究

飞行汽车作为随时升空飞行、快速地面行驶的新型立体运载工具，正日益受到航空和汽车领域的重视，未来将逐渐成为满足民用和军用的主要运载工具。

1.民用

随着城市化进程的高速推进和人民生活水平的日益提高，越来越多的人选择汽车出行，早晚高峰拥堵、环境污染等问题日益严重，迫切需要立体机动来缓解。作为具有广阔前景的一类立体运载工具，飞行汽车将在城市快递、市内交通、公共服务及应急救援等民用场景得到大规模应用。

2. 军用

随着我国军事战略和作战空间的不断拓展，陆军在战场上的角逐日渐由地面延伸到空中，飞起来成为全球陆军发展的趋势。尤其是在信息化时代，战争的立体性、多维性日趋突出，陆地、海上、天空、电磁空间同时交织进行，仅依靠地面机动平推的传统陆军难以全面融入战争。克服战场地理环境困难，不依托道路桥梁跨越江河障碍，立体机动快速突入敌浅近纵深，抢占隘口、楼宇、要点形成战场优势，成为争取战略战役主动急需解决的紧迫问题。急需野战条件下“陆地空中目标小、快速地面行驶、随时升空飞行、实施垂直起飞作战、長短途快速机动打击、经济与实用和耐用”的飞行汽车。

结语

1）本文分析了飞行汽车的研究现状，提出了飞行汽车的发展趋势是多旋翼、全自动驾驶、性价比和轻量化。

2）提出了一种飞行汽车的总体设想，并对飞行系统、陆地系统、能源及管理系统、智能飞行驾驶系统进行了详细阐述。

3）对飞行汽车在民用和军用领域的应用进行了展望，认为未来将在民用和军用领域得到大规模应用。

4）本文提出的总体技术研究适用于不同尺寸、不同用途的飞行汽车，为飞行汽车的研发和推广提供了思路，希望能为飞行汽车的持续发展贡献一份力量。

参考文献：

[1] 张扬军，钱煜平，诸葛伟林，等.飞行汽车的研究发展与关键技术[J].汽车安全与节能学报，2020，11（1）： 1-16.

[2] 曹锋，么鸣涛，雷雪媛，等. 飞行汽车的发展现状与展望[J].现代机械， 2015（2）：89-94.

[3] 劳永春. 飞行汽车的发展现状与展望[J].内燃机与配件 ， 2020（15）：210-211.

[4] 张扬军.飞行汽车发展的战略意义与未来愿景[J]. 交通建设与管理，2022（3）：26-33.