飞行汽车调研总结开发可行性方案.docx
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飞行汽车调研总结开发可行性方案
飞行汽车调研总结&开发可行性方案
一、飞行汽车调研总结
对11款飞行汽车进行调研,资料附后,得到如下结果。
1.1飞行汽车定义以及11款飞行汽车简介
顾名思义,这一交通工具需要至少具备空中飞行和地面行驶的双重功能。
严格意义上来说,空中飞行功能是指可像直升机一样垂直起降、悬停,并可实现较高速度的巡航;地面行驶功能是指在占据普通汽车所占空间要求下,具备地面较高速度行驶功能。
要想真正在一个交通工具上同时完全实现这两个功能,难度非常大。
现有已生产或研制出原型机的飞行汽车,多弱化地面行驶功能(如X-Hawk、TF-X、MollerSkycarM400、LiliumJet),或者取消地面行驶功能(如XplorairPX200、JobyS2、Vahana);(垂直起降)
从飞行功能上看,有的飞行汽车采用滑跑起飞方式,无法实现垂直起降(aeromobil3.0、ICONA5)。
也有水空两用飞行器,或者说“飞行船艇”,如ICONA5Pop.Up采用全新的设计理念,飞行模块、驾驶舱模块、地面行驶模块相互独立,可拆卸再安装,但目前仅处于概念机阶段。
1.2飞行汽车的动力形式
既可以采用传统动力形式(内燃机/燃气轮机),如X-Hawk、MollerSkycarM400、XplorairPX200、PAL-VONE、aeromobil3.0、ICONA5;也可以使用电动系统,包括混合电推进(如TF-X)和纯电动推进(如LiliumJet、JobyS2、Vahana、Pop.Up),未来也可使用燃料电池作为主动力。
1.3飞行汽车空中飞行的推进形式
通常采用螺旋桨/涵道风扇提供升力,实现垂直起降,但也有滑跑式起飞的飞行汽车(aeromobil3.0、ICONA5)。
巡航过程大多依靠螺旋桨/涵道风扇产生一定的平飞速度,然后通过固定翼产生升力,这种方式巡航功率需求较小。
有的飞行汽车完全依靠螺旋桨/涵道风扇产生巡航过程的升力,如PAL-VONE、Pop.Up,本质上是直升机或多旋翼飞行器与具有地面行驶功能的车辆的组合,这种方式在巡航过程中能量消耗巨大。
有的飞行汽车推进系统设计也采用了先进的分布式推进翼身融合理念,如LiliumJet,其外形设计类似于美军“雷击”无人机。
有的飞行汽车另辟蹊径,采用喷气式推进方式,利用释放压缩空气产生所需升力和推力,如XplorairPX200,能量消耗很大。
1.4飞行汽车地面行驶的推进形式
很多飞行汽车采用推进螺旋桨产生地面行驶推力,这种方式能耗较高,如X-Hawk、MollerSkycarM400、ICONA5。
有的通过动力系统驱动车轮行驶,更符合现代汽车定义,如PAL-VONE、aeromobil3.0、Pop.Up。
二、开发可行性方案
2.1飞行汽车技术组成部分
关键技术
备注
是否具备
动力总成技术
动力驱动系统设计,混动、燃油、纯电或者燃料电池
具备混动&纯电开发经验
可倾转推进器技术
推进器可旋转方向,提供不同方向的动力
不具备
轮毂电机驱动技术
采用轮毂电机驱动,集成化设计
不具备
倾转涵道风扇推进技术
涵道风扇式的推进技术,可以旋转方向
不具备
飞行器内外流场耦合设计
飞行汽车的内外流场设计,空气动力学设计
有流场设计经验
能量储存技术
动力电池技术
具有
全系统热管理技术
整个系统集成化热管理技术
具备
自动驾驶技术
地面/空中无人驾驶技术
不具备
飞控技术
飞行控制技术
不具备
智能交通网络控制
地面智能交通指挥系统
不具备
材料轻量化技术
结构优化、材料选择,实现轻量化
具备结构优化经验
折叠翼片技术
翼片折叠技术,提高空间利用率
不具备
收缩旋翼技术
旋翼收缩技术,提高空间利用率
不具备
模块化技术
模块化设计技术,将系统分为飞行模块、驾驶舱模块以及地面行驶模块
不具备
整车系统集成技术
将三个模块进行集成设计,提高系统集成度、实现飞行/地面驾驶操纵系统整合、电气系统集成等
不具备
2.2所建议的系统方案
(a)地面行驶状态
(b)起飞状态
(c)飞行状态
图1目标样机技术方案说明
●采用折叠翼&收缩旋翼&可倾转涵道风扇推进器的飞行模块(减少巡航时的功率需求,提高空间利用率);
●采用传统车轮驱动的地面行走模块(减少技术风险,提高系统可靠性);
●采用集成化驾驶舱(集成地面行驶以及空中飞行的操纵系统,电气系统、各类传感系统);
●采用串联式混合动力驱动的方式(由内燃机发电——动力电池——飞行驱动电机&地面行走驱动电机);
●采用垂直举升式的起飞方式(起飞时由可倾转涵道风扇推进器提供矢量方向动力,根据飞行姿态实时调整可倾转涵道风扇推进器角度、方向);
●采用平飞巡航方式,可倾转涵道风扇推进器后推式提供动力,折叠翼提供升力的巡航模式(大大减少巡航功率,提高续航里程);
●整个系统采用线控方式(提高系统反应速度、提高可靠性、实现轻量化与集成化)
2.3飞行汽车难点&开发任务
汽车、直升机、固定翼飞机都已经很成熟,然而真正理想的飞行汽车还未诞生,后者实际是前三者的高度融合。
理想的飞行汽车需要有良好的地面行驶功能、垂直起降与悬停功能、高速平飞功能,需要在质量、尺寸的严格限制下,动力推进系统提供适宜方向与大小的推进力。
简单组合现有技术,难以达到这一要求。
飞行汽车开发任务主要分为以下内容:
1、模块设计
将飞行汽车分解为飞行模块、驾驶舱模块以及底盘行驶模块,主要目的是缩短开发周期,将技术分解减少开发难度,实现对不同目标市场的覆盖。
难点:
如何将系统进行分解、设计,分解之后如何集成设计。
图2模块化样车示意图
2、飞行模块的设计
包括驱动系统、内外流场设计等,主要目的是实现飞行功能。
难点:
折叠翼、收缩旋翼、可倾转涵道风扇推进器的设计以及轮毂电机驱动系统设计,在结构上如何实现,还要考虑轻量化。
3、驾驶舱模块的设计
包括驾驶舱内的设施、操纵系统、显示系统,人机工程方面的设计,结构优化,材料选择等。
难点:
结构与材料的设计与选用,实现高强度与轻量化,乘员舒适性,操控性等问题。
4、底盘行驶模块的设计
包括动力系统的设计、动力电池系统的设计、结构设计、空间布置、线控底盘设计,材料选择、轻量化设计等。
难点:
在满足一般车辆所拥有的功能前提下,实现轻量化、操控性;所有部件采用线控方式设计;材料选择、成本控制等。
5、电气系统设计
包括飞控系统、自动驾驶系统、整车控制系统、环境感知系统、线控系统以及其他电器系统的设计。
难点:
如何在将这几类系统设计出来的同时,将其集成整合实现优异功能表现。
6、系统热管理设计
包括系统电机、动力电池、发动机等一系类发热元件的系统热管理设计。
难点:
如何实现高效能&轻量化的目标。
7、集成设计
将各个系统进行集成,包括机械部件的继承、电气部件的集成以及控制系统的集成。
难点:
这是最为复杂的任务,需要保证整个系统的可靠性、灵敏度、结构刚度强度等一系类问题。
附录:
11款飞行汽车简介
飞机名称
cormorant/
X-Hawk
生产商
UrbanAeronautics
国家
以色列
用途
军用/
民用
动力形式
传统动力(内燃机/燃气轮机)
推进形式
推进器
涵道螺旋桨2升力2推力
机翼
未来版本有可展开机翼
空中飞行
设计指标:
最大速度249km/h最高海拔3700m续航能力2h20min燃油消耗1400lbs/h
地面行驶
未介绍,测试版靠螺旋桨产生推力前进
水面行驶
可改装为气垫船形式
实施情况
原型机试验已完成
备注/特点
飞机名称
TF-X
生产商
Terrafugia
国家
美国
用途
民用
动力形式
混合动力
305hp发动机+608hp电动机
推进形式
推进器
2可倾转螺旋桨
1后置推进涵道风扇
机翼
折叠翼,装有可收缩旋翼
空中飞行
HB3设计参数:
巡航时速332km/h飞行范围805km飞行高度121m
地面行驶
未介绍
水面行驶
无
实施情况
2016年获FAA批准
备注/特点
切换行驶模式,自动驾驶;
翼身混合设计
飞机名称
MollerSkycarM400
生产商
MollerInternational
国家
美国
用途
民用
动力形式
传统动力
8台RotapowerEngine转子发动机
推进形式
推进器
4倾转涵道风扇
机翼
可折叠机翼
空中飞行
设计参数:
最高时速533km/h巡航速度496km/h里程1213km续航时间5.9h升限10973m攀升速度24m/s
地面行驶
装有导轮,风扇提供推力,电动,最高速度30mph
水面行驶
无
实施情况
2003年官方展示失败,目前项目搁置
备注/特点
飞机名称
XplorairPX200
生产商
Xplorair
国家
法国
用途
民用
动力形式
传统动力
Thermoreactor发动机系统为分布式动力单元提供压缩空气
推进形式
推进器
喷气式
机翼
多机翼
空中飞行
未介绍
地面行驶
推力风扇提供推力
水面行驶
无
实施情况
2013年巴黎航展展示1/2模型样机,后无消息
备注/特点
流线型机身,机翼旋转调整喷气气流进行飞行姿态控制
飞机名称
PAL-VONE
生产商
PAL-VInternationalB.V.
国家
荷兰
用途
民用
动力形式
传统动力160Kw汽油机
推进形式
推进器
螺旋桨1升力1推力
机翼
无
空中飞行
最大速度180km/h,最大功率200hp,满载续航400km
地面行驶
最大速度160km/h,最大功率100hp巡航里程1315km载荷910kg;前驱
水面行驶
无
实施情况
完成飞行试验,已投产,2016.8开始销售
备注/特点
三轮摩托车与直升机的结合
飞机名称
aeromobil3.0
生产商
aeromobil
国家
斯洛伐克
用途
民用
动力形式
传统动力Rotax912自然吸气汽油机
推进形式
推进器
1后置螺旋桨
机翼
可伸缩固定翼
空中飞行
最高时速200km/h起飞速度130km/h范围700km油耗15l/h机翼展开款8.32m
地面行驶
最高时速160km/h范围875km油耗8l/100km机翼收缩宽2.24m;前驱
水面行驶
无
实施情况
2010年公司成立,2014年第三代产品亮相;2017年首发上市
备注/特点
两座;滑跑起飞;2座;2015年发生意外坠机事件
飞机名称
LiliumJet
生产商
LiliumAviation
国家
德国
用途
民用
动力形式
电动
推进形式
推进器
(12+6)*2倾转式涵道风扇,分布式推进
机翼
可转动襟翼,容纳分布式涵道风扇
空中飞行
范围300km,载荷200kg,巡航速度250-300km/h功率320kW
地面行驶
推力风扇提供推力
水面行驶
无
实施情况
2013年提出概念,2015年成立公司并进行模型制作与试飞,2017年两座飞行器成功进行遥控无人试飞;2019年进行载人试飞,2025年投入市场
备注/特点
2座,计划建造5座;起落架可收缩;自动驾驶,驾驶者只需要推动控制杆即可,机载计算机控制风扇发动机和襟翼;空中出租车原型机;类似于美军雷击无人机
飞机名称
JobyS2
生产商
JobyAviation
国家
美国
用途
民用
动力形式
电动JM1S无传感器永磁同步电动机
推进形式
推进器
分布式推进,16个螺旋桨,其中12个可以翻转90°并收起
机翼
有,固定机翼、尾翼上布置可收缩多旋翼
空中飞行
巡航速度200mph,续航时间45min,最大有效载荷重量390bl
地面行驶
无
水面行驶
无
实施情况
正准备开发小型原型机,计划2016年内实现试飞但未成功
备注/特点
无地面行驶功能
飞机名称
ICONA5
生产商
ICONAircraft
国家
美国
用途
民用
运动飞机
动力形式
传统动力Rotax912自然吸气汽油机
推进形式
推进器
1个后置三桨叶螺旋桨
机翼
可收缩折叠翼
空中飞行
巡航高度3048m巡航速度224km/h航程550km
地面行驶
后置螺旋桨提供推力
水面行驶
后置螺旋桨提供推力,水面起降
实施情况
2008年试飞成功,13年开始建厂准备生产,研发已完成,16年全球订单超过1800架但生产一再推迟
备注/特点
两座;水空两用/陆空两用,后续计划以水空两用为主;无法实现垂直起降
飞机名称
Vahana
/CityAirbus
生产商
Airbus
国家
法国
用途
民用
动力形式
电动
推进形式
推进器
倾转螺旋桨,8旋翼
机翼
有,安装旋翼
空中飞行
未介绍
地面行驶
无
水面行驶
无
实施情况
计划2017年底试飞
备注/特点
共享模式;自动驾驶
飞机名称
Pop.Up
生产商
Airbus
+Italdesign
国家
法国+
意大利
用途
民用
动力形式
电动8电机,17kW*8
推进形式
推进器
四对对转涵道风扇(螺旋桨)
机翼
有,安装旋翼
空中飞行
设计:
最大形式距离100km,最大重量600kg,总功率136kW
地面行驶
设计:
最大行驶距离130km,总功率60kW
水面行驶
无
实施情况
概念车
备注/特点
四部分,空中推进模块、驾驶舱模块、地面行驶模块、AI模块,可拆卸;自动驾驶;共享模式;充电时间15min
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