汽车在方便人们工作、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。而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。
或许正是因为飞行汽车优点多多,人类从很早就开始研制飞行汽车。在历史上,也的确出现过一些飞行汽车。
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、动力臂可自动收放。目前,国内外已经出现多款类似“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。
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晚,但后来居上,迅速进入相关行业,并得到广泛应用。这在很大程度上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、噪声低、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。多旋翼飞行汽车兼具地面行驶和空中飞行两种形态,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。最佳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的问题。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。
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,美国国家航空航天局的研究人员马克·摩尔一语道破原因:“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,在设计制造时,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,就可能与道路上正常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,机翼收起后也不能太高)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,势必会增加车辆自重;但如果共用一套动力装置,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,飞行汽车在起飞和降落时,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上完成,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个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,驾驶汽车和飞机是两种截然不同的体验,驾驶规则和操控系统的差异很大。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,需要快速适应新操控系统和调整驾驶习惯。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,无疑会给飞行汽车的使用带来安全隐患。