启飞汽车

摘要
 
    针对地面交通日益拥堵的现状，探讨了一种用于改变拥堵的飞行汽车设计。现有的飞行汽车方案一般采用两套独立的动力系统完成地面行驶和飞行功能，这种设计思路不利于减轻结构质量。为了实现减重的目标，从提高两种模式下动力系统的共用程度角度出发，提出了一种单一动力系统的涵道风扇式飞行汽车设计方案。介绍了核心部件的设计思路和方法，给出了详细结构、关键尺寸及预估性能。该设计中动力系统内各部件在两种模式下均处于工作状态，两种模式的结构共用程度较高，为提高有效载荷和载油量等性能提供了一种思路。
 
一、引言
 
    飞行汽车是一种兼具地面行驶和空中飞行的运输工具，即陆-空两栖车。针对当前大城市日益严重的交通拥堵问题,飞行汽车成为了一种潜在的解决方案。自 1917 年第一辆飞行汽车问世以来，对飞行汽车进行了大量探索。典型的有美国特 拉福嘉公司的 Transition，美军的“飞行悍马”以及荷兰推出的旋翼式三轮飞行汽车 PAL-V 等。
 

 
图1  PAL-V（上）和 Te rra fugia（下）

 
    现有的飞行汽车设计在结构方面仍有进一步优化的空间，典型的就是路面行驶和飞行往往利用相互独立的两套动力系统实现。例如荷兰的 PAL-V 以及吉利旗下的 Terrafugia 都采用了两套动力系统：飞行中使用螺旋桨，行驶时使用车轮。这种设计思路限制了减重的空间，而重量对于飞行器而言十分重要，很大程度上影响了飞行汽车的载荷量、最大速度和燃料消耗等关键性能。
    针对这一问题，本文提出了一种单一动力系统的飞行汽车方案，通过在两种模式下共用同一套动力系统的方式降低了系统的结构质量，为提高性能提供了一种思路。
 
二、整体设计
 

 
图2  飞行汽车整体视图：飞行模式（左）和地面模式（右）

 
    本方案的动力系统是围绕涵道风扇设计的。涵道风扇（DuctedFan）是指被涵道包围的螺旋桨系统。这种动力系统已被用于多种垂直起降飞行器、地效飞行器以及气垫船上。相对于同样直径的孤立风扇，在同样功率消耗的情况下会产生较大的拉力，相比大型的旋翼和固定翼，可以更有效地节省飞 行汽车的体积与质量。同时由于涵道的环括作用，气动噪声低，使用安全性好，适合城市中的起降和飞行环境。
    本设计如图2所示，在飞行模式下以涵道风扇的推力来提供升力和前进的动力，车体结构接近常规汽车；在路面模式下，以涵道结构作为车轮，实现了动力系统的共用。
    地面行驶状态下，性能方面，四台风扇的总推力为1200kg，采用GM6.2升涡轮增压发动机 LT4（GM 6.2 Liter Super charged V8 Small Block LT4 Engine），标准输出功率485kW。
 
三、关键结构设计
 
1.涵道风扇/车轮的主体结构
 
    涵道风扇有多种设计方法，如叶素理论、片条理论以及基于流场计算的数值方法等。前述理论大多较为复杂，本文在初步设计时选用了高永卫给出的一种较为简单的工程方法。该方法以Rankine 和R E Froude 提出的动量理论为基础。高永卫等基于该方法设计了一个涵道风扇，在实验中测得的推力与理论值误差在10%内，证明该方法适于初步的工程设计。
    本文利用上述方法设计的涵道风扇主要参数如表 1。涵道轮毂的外圈为轮胎表面，轮毂上有四个支撑结构，将轮胎与风扇轴相连。轮毂的支撑结构采用翼型截面，以降低对流动的干扰。支撑结构后部为舵面，飞行状态下舵面偏转可以改变气流在涵道出口处的速度方向，从而获得飞行汽车水平运动所需的分力。
 

表1  涵道风扇主要参数
 

 
2.风扇与车轮的传动结构
 
    将车轮与涵道合而为一的设计导致两种模式下的转动传递机构差异较大。这种差异主要体现在转动轴（风扇转轴或车轮转轴）的指向不同，汽车前后轮的转动轴与车轮或风扇转 轴的连接处也不同。
    在飞行模式下，风扇的转轴是垂直于汽车底盘的，转轴末端距离车身较远；而在路面模式下，车轮（即涵道外圈）的转轴是平行于底盘的，转轴末端距离车身较近。
    为了尽量采用同一套结构实现风扇驱动和车轮驱动这两个目的，本文设计了一种 L 形传动结构。通过使传动结构在铅垂面内进行90°转动实现两种传动。
 

 
图3 L形传动结构：飞行模式外观（左）、地面模式外观（中）和内部结构（右）

 
    如图3所示，在飞行模式下，L形结构为横卧状态。此时传动万向节与L形结构的长杆连接，杆内有一根轴，该轴通过斜齿轮与风扇的转动轴相连，从而将转动传递给风扇。
    在地面模式下L形结构为竖起状态，此时风扇的轴悬空，风扇不旋转，而轮毂的轴与万向节相连，在发动机的带动下转动。
 
3.模式切换过程
 

 
图4  模式切换过程

 
    由地面模式转为飞行模式的过程如图4。首先，车底的支撑结构放下，通过千斤顶机构将使四轮悬空。同时，与L形短杆相连的万向节松开，如图4（左）。随后。L形结构绕滑杆上的转轴在铅垂面内旋转90°，变为横卧状态。此时，L形长杆上的另一个滑动承力环套在第二根滑杆上，风扇面处于与地面平行的状态，如图4（中）。接着 L形结构沿滑杆逐渐下降，直到 L形结构的长杆与万向节的传动轴同轴，此时万向节与长杆内的风扇轴咬合，进入风扇驱动状态下，如图 4（右）。
    4个风扇全部完成切换后，发动机开始带动风扇旋转，当飞行汽车逐渐升空后，车底的支撑机构收回，从而减小飞行阻力。当飞行模式转为地面模式时，步骤相反。
 
4.发动机
 
    本设计中单台风扇的输出功率约为90kW，考虑到摩擦等方面的损失，需要提供至少100kW 的输入功率，故4台风扇的总功率要求发动机输出功率不低于 400kW。本设计选择了用于F1赛车的 GM 6.2 升涡轮增压发动机 LT4，该发动机的性能参数如表2所示。
 

表2  LT4 发动机性能参数
 

 
    为了保证发动机的冷却功率，采用了发动机前置的方案，相应地将油箱和其它结构布置在车体后部，以保证整车的重心处在四台风扇的中心位置。
 
四、结论
 
    为了减轻飞行汽车的结构质量，本文提出了一种在地面模式和飞行模式下共用一套动力系统的飞行汽车方案，给出了关键结构和设计参数。该设计降低了飞行汽车的结构冗余度，增加了飞行汽车的有效载荷和载油量。同时，由于模式切换简单、快速、且具有垂直起降能力，起飞要求低，非常适合在城市使用，为解决城市拥堵问题提出了一种可能的解决方案。
 
作者：周捷  来源：通讯世界
 

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