沈海军
来,让我们把汽车开上天(科普.原创) 精选
2021-5-12 15:10
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沈海军

1903年莱特兄弟发明现代飞机以来,随着设计及制造技术的日臻完善,飞机以其快捷、安全、舒适等优点,逐步成为人们的交通运输工具之一。不过,对于很多商务、政界人士等时间异常宝贵的群体来说,即使乘坐飞机也仍然感到浪费时间,因为从家里/办公室到达机场,常常会大费周折。于是,有人就萌生了一种想法:能不能设计一种会飞的汽——飞行汽车,既能作为汽车在道路上行驶,又能作为飞机飞上蓝天。

这种想法是不是有些异想天开了呢?未来,在我们的生活中真能见到会飞的汽车吗?

能跑能飞

所谓飞行汽车,从字面上理解就是:在地面上可以像汽车一样跑、在天空中能像飞机一样飞行的交通工具。它的英文名称为Flying carRoadable aircraft,可分别解释为飞行汽车和可在路面上行驶的飞行器。

在现代社会中,汽车已成为人们日常出行的重要交通工具。随着科学技术的迅猛发展和人们消费水平的不断提高,汽车保有量急剧上升,在方便人们工作生活的同时,也造成了日益严重的道路拥堵问题。在地面交通不堪重负的情况下,人们把目光转向了天空;然而,依靠航班出行,同样会花费许多时间和产生不必要的麻烦。这是因为,民航航线和时刻表并不为专人而设,无法做到乘客想走就走、想去哪里就去哪里的愿望。如果算上候机、安检及来往机场的时间成本,短途旅行乘坐飞机并不划算。

飞行汽车就不一样了:借助其独有的特性,完全可以实现随时出发和点对点的交通运输。

和汽车或飞机相比,飞行汽车优点多多:首先,既可以避免拥挤的道路交通,节约宝贵时间,又可以减少道路通行费用的支出;其次,可以摆脱航班航线和时刻表的限制,做到想走就走、想去哪里就去哪里。

精彩纷呈

或许正是因为飞行汽车具备这些优点,人类从很早就开始研制飞行汽车。在历史上,也的确曾出现过一些飞行汽车。

1917年,美国飞机设计大师格·寇蒂斯首次向世人展示了一种全新的交通工具——飞行汽车AutoplaneAutoplane是一款翼展达12.2米的三翼飞行器,相当于在一辆汽车的车身上安装了三层机翼。Autoplane的主结构为铝材,动力为一台后驱的四叶螺旋桨活塞式发动机。实际上,Autoplane仅仅实现了跳跃式飞行,离人们的美好设想还很遥远,并不是很成功。

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1 寇蒂斯的飞行汽车Autoplane

1921年,法国的雷内·坦皮耶制造的飞行汽车Tampier Roadable成功试飞。在空中飞行时,Tampier Roadable是双翼飞机;而当转换到道路上时,机翼会沿着车辆侧面折叠,还有一组轮子协助其转向。值得一提的是,这辆Tampier Roadable在路面行驶时,飞机的尾巴是冲着前方的

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2 坦皮耶制造的飞行汽车Tampier Roadable

1937年,美国人沃尔多·沃特曼研发出了一款名为Arrowbile的飞行汽车。从外形上看,它与Autoplane相似,也采用后置的螺旋桨活塞式动力形式;不过,它的起落架采用三轮车式,车身顶部安装了上单翼,整体结构由此变得极其简洁。在测试中,Arrowbile曾达到180千米的时速,路面行驶速度达到90千米每小时。由于资金匮乏,Arrowbile的后续研制工作未能完成;不过,它为后来的汽车发展提供了一种经典的设计风格。

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3 沃特曼的飞行汽车Arrowbile

1946年,罗伯特·富尔顿研制出了一款模块化的飞行汽车Airphibian。即使是在今天,Airphibian的可拆卸式设计理念也不过时。Airphibian实际上就是将一辆小型汽车设计为飞机的机头部分,平时可以在公路上奔跑;想要上天的时候,就可以在后面直接拼装上机翼及螺旋桨部分,摇身一变,成为一架小型飞机。其整个组装过程均采用模块化装配模式,可在数分钟内完成。不过,罗伯特·富尔顿的这种超前设计有一个缺点,就是将车辆和飞机分离开来很不方便。由于缺乏资金,Airphibian未能实现批量生产。

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4 富尔顿研制的飞行汽车Airphibian

 

1947年,美国联合伏尔梯公司打造出一款采用可拆卸式设计的升级版飞行汽车ConvAirCar。由于受到富尔顿可拆卸式飞行汽车的启发,ConvAirCar也被设计成一辆汽车和一架飞机的组合体,即相当于在一辆汽车顶上安装了一架常规布局的螺旋桨飞机。ConvAirCar曾进行过长达一个小时的成功飞行。不幸的是,在最后一次飞行测试中,飞机坠毁,导致后来没能实现量产。

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5 联合伏尔梯公司的飞行汽车ConvAirCar

1960年,莫尔·泰勒研制了一架名为Aerocar的飞行汽车。莫尔·泰勒和罗伯特·富尔顿是好友,两个人同样痴迷于飞行汽车的研发。Aerocar可谓是飞行汽车史上最成功的典范,它同样借鉴了富尔顿的模块化设计理念,机翼采用可拆卸式设计。经过几代的优化改型,Aerocar最终进行了小规模的生产。到了第三代的Aerocar,机身已经采用玻璃纤维,机翼和尾翼均采用铝合金材料,既保证了车身的轻重量,又使其能达到一定的坚固程度。

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6 莫尔·泰勒的飞行汽车Aerocar

1965年,保罗·穆勒花了40年时间和数百万美元所打造的Skycar面世;只是,它并未起飞,作为汽车也并没能载人出行。可以说,无论是作为飞机,还是汽车,Skycar都是失败的。尽管如此,通过一系列改进措施,穆勒于2003年推出了一款具有梦幻色彩的飞行汽车skycar M400。在这辆外形炫酷的飞行车车身四周,加装了4个巨大的、可以转换方向的螺旋桨推进器,其目的是使汽车可以直接垂直起降,而无需漫长的跑道。skycar M400拥有4台可旋转的涵道发动机,飞行时速可达600千米,最大飞行高度为8840米。

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7 飞行汽车skycar M400

2006年,美国Terrafugia公司研制了一款机翼可折叠的飞行汽车,取名Transition。此后,该公司又发布了第二代TransitionTransition如同影视作品中的变形金刚,其最大的创新之处在于拥有可折叠的机翼——只需要驾驶者按下按钮,收缩的机翼就会展开,汽车由此变身为一架飞机。不过,这辆车同样也有缺点,那就是需要跑道助跑才能起飞。

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8 Terrafugia公司的飞行汽车Transition

2012年的珠海航展上,我国西安美联航空技术公司设计制造的飞行汽车进行了首秀。这也是国内第一款飞行汽车。该产品重达450千克,旋翼长度为8.4米。其最大起飞重量为600千克,巡航最大速度能达到180千米每小时,采用两轮驱动,汽车行驶时速为120千米。这款飞行汽车在地面行驶时的操作方式和普通汽车一样,在空中的操作方式则与普通的旋翼飞机一样。起飞时只需一个30米左右的助跑场地,降落时则需10米长的跑场即可。当从飞行模式转向行车模式时,只需按一个按钮,就能够折叠主支架和旋翼,前后仅需10分钟。

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9 西安美联航空技术公司设计制造的飞行汽车

2014年,斯洛伐克Aeromobil公司研制出了飞行汽车Aeromobil。该公司原计划在2017年将改进型的Aeromobil3.0投入市场;遗憾的是,这辆车在进行测试时不幸坠毁,导致汽车的面市时间遥遥无期。Aeromobil的设计十分前卫,机翼可以直接向后收缩,贴近车身,成为一辆跑车造型的小轿车。机翼收缩后,车身的尺寸和普通轿车相当,可以直接停进普通停车位。这样的小巧和便捷也为飞行车的普及打下了一定的基础。

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10 飞行汽车Aeromobil

2018年,在瑞士日内瓦国际汽车展上,荷兰公司PAL-V推出了其飞行汽车PAL-V的最终量产版,其售价约为60万美元,全球仅发售90辆。PAL-V看起来就像一辆摩托车和一架直升机的混合体,可以搭载两名乘员。PAL-V由碳纤维、钛和铝等材料制成,重达680千克,起飞时需要长度为165米的跑道,着陆时只需30米长的跑道。在陆地上驾驶时,PAL-V的最高行驶速度可达160千米每小时,最高飞行速度可达180千米每小时。PAL-V的最高飞行高度约为3352米,最远飞行距离约为563千米。PAL-V的旋翼可以收拢向后折叠。从路面行驶切换到空中飞行并非简单地按个按钮,而是需要进行手动操作,完成这一步骤需要约10分钟。PAL-V已经经过了美国和欧洲安全机构的认证;不过,要拥有PAL-V并不容易,用户需要同时持有车辆驾驶证和飞行许可证。

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11 飞行汽车PAL-V

旋翼为王

目前的飞行汽车有两种飞行模式:一种采用固定翼模式,即由发动机产生前进推力,由机身上安装的固定机翼产生升力,其产品类似于小型飞机;另一种则采用多旋翼方式,即在机身安装多个旋翼,依靠旋翼产生升力,同时通过改变每个旋翼的转速来控制飞行器的飞行状态。多旋翼飞行汽车的外形类似于放大版的多旋翼无人机,并将中间机身替换成驾驶舱。传统的飞行汽车大多为固定翼飞行模式,多旋翼飞行汽车则属于近几年才出现并迅猛发展起来的新生事物。

2015年,在第三届天津直升机国际博览会上,中航工业直升机设计研究所展出了一款名为“赛羚”的新型多旋翼汽车。该产品不仅可以像汽车那样在地面奔驰,还具有垂直起降、前飞、悬停、偏航等各项飞行性能。它的结构原理是在汽车的基础上增加了直升机的功能:一方面有着与汽车类似的底盘结构,借助动力驱动车轮行走于地面;另一方面,当它遇到障碍时,可变形为一架飞行器,越过障碍物继续前进。“赛羚”的螺旋桨、动力臂可自动收起和放出。目前,国内外已经出现了多款类似于“赛羚”的多旋翼飞行汽车产品,如美国俄亥俄州Workhorse公司的SureFly、美国LIFT公司的Hexa多旋翼飞行车等。

 

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12  “赛羚”的新型多旋翼汽车

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13 飞行汽车SureFly(左)和Hexa多旋翼飞行车(右)

作为新生事物,多旋翼飞行汽车的研发工作受到业内的高度重视。这在很大程度上归功于近十几年来多旋翼无人机的迅猛发展。与固定翼无人机相比,多旋翼无人机虽然起步非常晚;但后来居上,迅速进入相关行业,得到广泛应用。这在很大程度取决于多旋翼独特的飞控系统的快速发展以及消费级多轴无人机的普及。

目前,汽车大多采用汽油动力,而多旋翼飞机大多采用锂电池/电机/螺旋桨动力。后者虽然具有绿色环保,噪音很小,易于控制,工作稳定等诸多优点;但最大的问题是续航能力不足。旋翼飞行汽车兼具地面运行和飞行两种形态,要想达到远航程且安全可靠的设计要求,其动力、操纵、能源系统方面尚有一系列问题需要解决。

首先是动力转换的难题。最好的方案是汽车与旋翼共用一套动力系统,且使用相同的燃料或能源。遗憾的是,到目前为止,多旋翼汽车的共用动力系统技术尚未得到很好的发展。

其次是能源能量密度问题。一辆汽车至少重1吨,但想要利用旋翼来提供1吨级的升力,这对于目前常规的四旋翼所使用的锂电池来说,是一个迫切需要突破的关键技术。

最后是操纵系统方面。多旋翼飞机和汽车采用完全不同的操纵系统。如何把两种操纵系统进行融合,使得驾驶员能够从容地在两种驾驶模式间进行切换,并自如地使用两种系统,对生产者来说,也是一个不小的挑战。

瓶颈多多

飞行汽车的发展已有百余年历史,从总体来看,其发展相对缓慢。之所以如此,美国国家航空和航天局的研究人员马克·摩尔一语道破:“当你试图融合汽车和飞机时,你极有可能得到的是世界上最糟糕的东西:一个笨重、迟缓、昂贵而又难以操控的车。”事实上,汽车与飞机本属于两种完全不同的交通工具,要把两者结合在一起,新产品的结构往往变得更为复杂,成本也因此大增;而且,在设计制作时,必须面对和解决很多意想不到的问题。这使得飞行汽车往往与人们的美好愿望背道而驰。

首先,飞行汽车要满足能在道路上正常行驶的功能,其横向的宽度和长度不可过大;否则,就可能与道路上行驶的其他车辆发生碰撞。这就涉及飞行汽车机翼和机身的收放设计问题。如何高效地将机翼收到大约与车身等宽的空间之内(当然,机翼收起后也不能有太大的高度)以及如何将机身收缩到接近家用小汽车的长度,这是飞行汽车研发中面临的首要问题。

其次,动力提供模式的设计问题。当飞行汽车作为汽车行驶在公路上时,出于安全性考虑,人们一般会采用车轮驱动模式;而作为飞机飞行时,则采用螺旋桨驱动。这两套不同的驱动模式如果采用各自独立的动力装置,势必会增加飞行汽车自重;但如果共用一个动力装置的话,就需要设计出能够在两种模式之间快速切换的控制系统,同时还要保证两种工况下飞行汽车的动力系统均能高效工作——这使得动力装置的设计和制作变得异常复杂。

第三,飞行汽车起飞、降落时,常常要展开或收起机翼,即做必要的“汽车到飞机”或“飞机到汽车”状态的转换。上述转换均需要在道路完成,这不仅要求起降的路面要足够宽广,而且需要路上没有太多其他车辆,即路况良好。这往往是不现实的。

第四,作为一种民用航空器产品,飞行汽车的研发必然要经过民航管理部门的严格审查和认证,并在飞行中接受民航管理部门甚至军方的航空管制,乃至需要申请飞行空域;而作为一种地面交通工具,其研发和使用又要接受地面交通管理部门的审查和管制。也就是说,在专门针对飞行汽车的行业标准出台前,飞行汽车目前必须同时满足航空和地面两种交通管理部门的所有要求,这必然会给飞行汽车的发展带来很大束缚。

最后需要提及的是,汽车和飞机驾驶是两种截然不同的体验,驾驶规则和操控系统差异很大。因此,当一个人驾驶着飞行汽车,从飞机模式转为汽车模式,或者从汽车模式转为飞机模式操作时,需要有一个快速适应新操控系统和调整驾驶习惯的过程。要熟练完成这一切换过程,需要通过长期的实际操作来实现。如果达不到熟练掌握的情况,无疑会给飞行汽车的使用带来安全隐患。

---《百科知识》约稿

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