新型陸空兩棲平臺技術發展與趨勢

張佳林，熊大順，毛子夏，劉 琦，王冉婷

（北京航天發射技術研究所，北京 100076）

陸空兩棲平臺，又稱為“飛行汽車”，是一種既可以在地面行駛又可在空中飛行的新型機動工具，兼具車輛與飛行器的復合機動優勢，國內外軍事和民用領域都在進行概念研究。自1917年“飛行汽車之父”美國的格倫?柯蒂斯第一次展示了這種新型交通工具（他命名為Autoplane）之后，涌現出一些早期的設計者和產品，包括美國沃爾多?沃特曼設計的Arrowbile、羅伯特?富爾頓設計的可拆卸式模塊化平臺Airphibian和莫爾?泰勒研發的最接近現代設計理念的Aerocar等[1]。

到20世紀90年代至21世紀初，陸空兩棲平臺已由最初的個人夢想家的小范圍實踐，發展到專業的科研機構和汽車公司參與研發。這一時期的代表性產品包括荷蘭約翰公司研發的PAL-V系列旋翼式三輪飛行汽車，美國Terrafugia公司研發的Transition，以色列城市航空公司和美國德事隆貝爾直升機公司聯手研制的垂直起降的X-Hawk，美國DAPRA聯合洛克希德?馬丁公司研制的軍用飛行吉普車“飛行悍馬”，加利福尼亞先進戰略ATI公司研發的飛行卡車“黑騎士”等[2]。民用陸空兩棲平臺主要以解決城市交通擁堵為目的，而軍用平臺具備軍事巡邏、物資運輸、傷病員轉運等更多功能用途。

近些年，隨著互聯網、智能化、自動駕駛等新興科技的發展，互聯網企業與汽車界的交融越來越緊密，越來越多的互聯網企業將目光投入到陸空兩棲平臺這個潛力領域[3]，再加上一些其它企業的跨界融合，陸空兩棲平臺行業呈現出新的面貌，涌現了更多概念產品，本文將對其最新型產品予以介紹。

1 最新發展現狀

1.1 洛馬公司的AREs

美國洛克希德?馬丁公司正在研發在一種“空中可重構嵌入系統”（Aerial Reconfigurable Embedded system，AREs），以實現運輸軍用物資、士兵和其它重要的軍用載荷到道路崎嶇和危險的區域[4]。這是一款新型垂直起降型無人平臺，它的任務艙與飛行器是完全獨立的，任務艙可以是多種類型的普通車輛，使用雙涵道風扇作為動力的飛行器可以根據任務需要與不同任務艙組合，任務完成后飛行器與任務艙自行分離飛走，實現模塊化的系統載荷重構，如圖1所示。

圖1 洛馬的空中可重構嵌入系統AREs

AREs擁有動力系統、燃油系統、數字飛控系統以及遠程指揮和控制界面，雙傾斜涵道風扇提供有效的懸停和著陸能力，并可快速變形為高速巡航飛行狀態。AREs最大的亮點在于無人化和模塊化的設計思想，飛行系統和任務系統相互分解各為一個單一的系統，通過更改主要的任務艙來實現不同任務。飛行系統為無人化，操控人員只需要預裝在智能設備上的控制終端就可以控制飛行[5]。

AREs采用兩個渦軸發動機分別驅動兩個旋轉涵道螺旋槳為動力源，涵道槳直徑約為2.3 m，完全展開后系統體積為3 m×3 m×13 m。巡航速度在240～280 km/h，載重能力約為1 360 kg。

1.2 美國Terrafugia公司的TF-X

美國的Terrafugia公司曾于2009年首次試飛成功了一款折疊翼式飛行汽車Transition，并已獲得美國交通安全局的上路許可，允許投入商業化生產，但Transition的缺點是需要足夠的展開空間和起降距離才能正常起飛降落，城市使用不便[6]。

為解決這個問題，Terrafugia公司近年來正在研發一款能夠垂直起降的概念車TF-X，并計劃在2023～2025年實現首飛。TF-X為四座，在起飛階段依靠兩個螺旋槳來提供升力和部分前進的動力。當獲得足夠的高度后，這兩個螺旋槳會收攏起來，只依靠車尾的涵道式風扇推進。TF-X是一款混合動力飛行汽車，它的兩個螺旋漿依靠兩臺441 kW的電動機驅動，車上配有一臺221 kW的汽油機給電池充電，同時驅動涵道風扇轉動[7]。

TF-X在空中續航里程將達到800 km，空中極速320 km/h，降落時只需要30 m2的場地。它還配備了一系列智能系統，可以無人駕駛和飛行，只要告訴它目的地就可以把乘客送達，最大程度地降低了使用門檻。如圖2所示。

圖2 Terrafugia公司的TF-X

2017年12月浙江吉利控股集團有限公司完成了對Terrafugia公司的收購，宣稱將于3年內實現量產，并計劃在中國建廠。

1.3 Zee.Aero公司的多旋翼汽車

2010年，谷歌創始人拉里?佩奇個人創立了Zee.Aero和Kitty Hawk兩家公司，專門開發飛行汽車。Zee.Aero主要研發新型航空器，采用類似直升機的旋翼飛行方式，由電動機驅動飛行；Kitty Hawk公司主要開發飛行汽車，從汽車平臺上進行研發。整個項目由“無人車之父”、谷歌自動駕駛部門創始人賽巴斯蒂安?斯隆負責[8]。

Zee.Aero公司有電動滑翔機、旋翼機和傳統的固定翼產品，2018年3月首款產品進行了試飛，如圖3所示。拉里?佩奇稱之為一種“革新的運輸形式”。但他對這項投資刻意保持低調，處于高度保密狀態，可查的資料很少，首臺車的試飛就在非常隱秘的環境下進行。

圖3 Zee.Aero公司的多旋翼飛行汽車

該車是一款可垂直起降的飛行汽車，從側面看像大白鯊，可以乘坐2人，頂部有兩排共8組旋翼負責垂直起降，后面有兩組旋翼負責推進，全部由電驅動。機身前部翼展3 m左右，整車長度約4.5～6 m，整備質量約100 kg，速度最高可達40 km/h，續航里程約100 km。飛機的旋翼可以折疊收起，從而停泊至普通汽車的停車位。

1.4 Uber的飛行出租車UberAir

2017年11月，Uber與NAsA計劃合作打造一種全自動、純電動、低噪音、零排放、體型小巧、運營成本低、采用分布電系統并能夠垂直起降的電動飛行出租車。這款出租車將包含4個座位，飛行速度達320 km/h。充分利用Uber正在研發的無人駕駛技術，處在繁忙都市中的消費者通過手機APP就可以在樓頂呼叫一輛飛行出租車。同時利用人工智能算法開發一套空中交通管制的系統，自動將用戶送至目的地[9]。

早前UberAir曝光了該飛行出租車的外形，機上配置4個水平旋翼，著陸時折疊收起，尾部還有一個旋翼來提供推力，以保證若一個旋翼出現故障，其它旋翼也能令飛行出租車安全著陸。UberAir還有固定的機翼來幫助滑翔，使之更高效，速度更快。分布式電動推進器使該車最高飛行速度能達到161 km/h，飛行高度800～1 000 m，只需5 min就能完成充電，續航里程96 km[10]，如圖4所示。

圖4 UberAir和skyports概念設計圖

同時Uber還計劃在樓頂建造停機坪，命名為skyports。2018年5月，在洛杉磯舉行的第2屆年度Elevate會議上，Uber聯合6家建筑設計單位展示了skyports的6款概念設計圖。skyports的設計目標是需要在12 141 m2的占地面積內每小時運輸超過4 000名乘客，并符合噪音和環保要求。此外還需要電動飛行器能夠在旅程中充電，同時要對附近社區的影響達到最小化。

此外，Uber還在巴黎創建了研發中心，用于構建支撐飛行出租車系統所需的基礎設施架構，包括基于機器學習的運輸需求建模、高密度的低空空中交通管理模擬、空域運輸自治方案、自動飛行、能源儲存、智能電網、實時通信網絡、充電系統等。Uber計劃于2024年前將飛行出租車投入商業運營。

1.5 歐洲空客公司的Pop.Up

歐洲的航空業巨頭空中客車公司Airbus，在2017年的日內瓦車展上，發布了一款創意智能概念車“Pop.Up”。這套交通系統由車輛底盤、乘員膠囊、無人機3個模塊組成，皆可獨立分離，也可分別適配，是一款解決城市交通擁堵、提高人們出行效率的模塊化、全電動、零排放概念車[11]，如圖5所示。

圖5 空客公司的Pop.Up

Pop.Up電動車結合了小型兩座地面車輛與垂直起降空中車輛的雙重靈活性，膠囊座艙是整套系統的核心，可以乘坐兩人，空載質量200 kg，采用碳纖維復合材料制成的單層繭殼結構。膠囊座艙尺寸長×寬×高為2.65 m×1.54 m×1.41 m，底盤尺寸為3.115 m×1.9 m×0.68 m，無人機尺寸為5 m×4.4 m×0.5 m。

無人機部分由4套電驅動大功率涵道風扇組成，同樣由碳纖維材料制成，起飛質量不小于500 kg。膠囊座艙既可以和無人機連接，變成垂直起降載人飛機，又可以和車輛底盤連接，變成電動汽車（續航130 km，最高車速100 km/h），在城市中出行十分便利。

這款概念車旨在讓乘客享受從移動APP就可以隨意調用的路面-交通混合飛行機車，以及通過APP來計劃和預訂旅程的運營平臺，包括了存儲每一個駕駛員信息的數據庫、路網和交通信息的人工智能平臺，還可以選擇最佳行駛路線。該系統通過“全虛擬環境”確保整個行程中的操作安全。

1.6 可折疊翼式AeroMobil

斯洛伐克公司AeroMobil生產的同名飛行汽車，完全使用現有汽車和飛機基礎設施。在處于汽車模式時，AeroMobil可停入正常停車位，使用加油站提供的普通燃料。進入飛行模式時，汽車雙翼打開，展開為固定翼飛機。Aeromobil既時尚舒適又超輕，是跑車性能與“超輕質量”的完美結合[12]。

AeroMobil動力來源于配備的Rotax 912 四缸自然吸氣冷凝式汽油發動機，發動機具體功率未知。該發動機能使該車在汽車形態下達到161 km/h的最高速度，處于飛機形態時，其最高速度可達200 km/h。汽車形態下其耗油量為8 L/100 km，而飛機形態下為15 L/h[13]。

2017年4月在摩納哥展會上AeroMobil公司展示了其第4代產品，如圖6所示。也是第一款設計用來同時滿足歐洲和美國對公路汽車和飛機規定的飛行汽車，并宣布開始全力生產首批500輛（架），計劃于2020年開始交付。

圖6 斯洛伐克的AeroMobil

該車的車身、折疊式機翼由高強度，輕質的碳纖維制成，不能垂直起降。該車變形耗時不超過3 min，從汽車轉化為飛行模式時，車身將展開成機翼，將輪子收入機身，然后將可變螺距推進器變到身后，變速器可將原先用于驅動車輪的定制款2.0 L渦輪增壓發動機的能量傳遞到推進器上，通過機翼產生升力[14]。AeroMobil的總長約6 m，翼展約8.2 m， 整備質量450 kg，最大安全飛行載重量為240 kg，足夠兩名成年人拖帶著行李去休閑。

但由于不具備自動駕駛能力，需要駕駛員同時具備飛行員執照和駕駛執照才能上路，也不能垂直起降，需要在地面展開固定翼，在使用中存在不便。

1.7 俄羅斯的兩輪飛行摩托

2017年2月，俄羅斯制造商霍弗瑟夫公司發布了一款消費級飛行摩托scorpion-3“蝎子-3”引發關注。scorpion-3融合常規摩托設計和四旋翼無人機技術，用碳纖維機構減輕質量，較之前的鋁制結構減重2倍。單個發動機功率33 kW，總推力364 kg，可承載約133 kg，速度最高48 km/h[15]。

采用特殊的LiNiMnCoO2電池，擁有12.3 kWh的容量，2.5 h完成充電，飛行高度可達10 m，在空中載人連續飛行時間為27 min，配備汽油發動機的混合動力版續航可延長至1 h。領先的邏輯元件和無源專用編程計算機等定制軟件可讓飛行摩托在高度和速度控制方面達到非常平穩的水平，具備懸停和飛行功能，如圖7所示。

霍弗瑟夫公司還將其改進版推薦給迪拜的警察部門，用于城市警務執勤，讓迪拜警方能夠以最快的速度抵達現場，疏導交通，處理突發事件等。該飛天警車仍是摩托車和四旋翼無人機的主體方案，可承載300 kg，最高速度70 km/h，采用燃油和電驅動，續航時間最高可達1 h。可以載人飛行，也可無人飛行，最高可升至6 000 m左右。

圖7 俄羅斯的兩輪飛行摩托scorpion-3

1.8 瑞典的Linnaeus

瑞典工業設計師Dawid Dawod設計了一款讓人耳目一新的陸空兩棲概念無人平臺Linnaeus，它的最大亮點是將輪胎和風扇復合為一體，如圖8所示。在陸地行駛時寬大的履帶能夠帶動它在土壤和石頭路面上暢通無阻；當需要飛行時，內置在履帶內、動力強勁的涵道風扇能夠向上翻折，產生升力帶動整機騰空而起。它的目的是為了幫助人們監督和檢測公共環境中植物的健康狀況和是否需要灌溉。它使用無線遠程控制，并在平臺上安裝了攝像機，能夠將采集的數據隨時傳回監控端[16]。

圖8 瑞典的Linnaeus概念平臺

1.9 深圳哈威科技的飛行摩托

2017年12月，深圳哈威科技團隊推出了一款兩棲微型個人飛行器HOVERsTAR H1，如圖9所示。它有3個輪子，下部類似底盤，飛行翼可以折疊和展開，全車依靠電力驅動。設計目的也是為了解決城市的交通擁堵問題[17]。

圖9 哈威科技的飛行摩托

該飛行摩托可以手動控制，也可自動飛行，垂直起降，尺寸是2 m×1.8 m，最大起飛質量260 kg，有效載荷75 kg，最大飛行高度10 m左右。據稱該車在電池管理系統方面取得了重大突破，充滿電后可以在地上行駛50 km，低空飛行10 km，陸地行駛最高速度達80 km/h。

1.10 關鍵特性及技術參數匯總

對上述國內外新型陸空兩棲平臺的功能特點、技術方案、關鍵指標、應用情況等進行匯總梳理，見表1。

表1 關鍵特性及技術參數匯總表

2 關鍵技術和構型

2.1 關鍵技術和難點

由上文最新的技術發展調研，提煉分析出以下陸空兩棲平臺的關鍵技術和難點。

（1）兩棲構型總體技術：包括兩棲構型總體方案、艙身一體化賦型、輕量化技術、高密度動力源、能量儲存與管理等。

（2）兩棲功能快速轉換技術：包括結構機構快速轉換、動力能源切換、傳動系統轉換、操控系統轉換等，使兩棲功能轉換時銜接順暢快速。

（3）飛行器總體設計技術：包括空氣動力學技術、飛行裝置設計、飛行動力匹配設計、飛行動力/運動/姿態控制、空中逃逸技術等。

（4）智能化技術：隨著智能化、無人化技術的發展，兩棲平臺對內外部環境感知、軌跡路徑自主規劃、障礙物檢測與自主避障、陸空智能輔助駕駛、空域運輸自治管理、多平臺協同、智能網聯等技術的研究也在深化。

2.2 構型及組成

根據國內外情況調研，按照功能原理模塊組成，歸納提出陸空兩棲平臺構型主要可劃分為3部分：載荷艙、底盤部分和飛行部分。這3個部分可以是一體化合成的，也可以是模塊化組合而成的[4]。

載荷艙是陸空兩棲平臺的任務載體，平臺的用途決定了載荷艙的設計。包括載人艙、運輸貨物艙、偵察巡邏艙、攻擊作戰艙、其它用途艙等。載荷艙的設計、組成根據其用途不同而存在差異。

底盤部分主要完成在陸地上的行駛功能，主要由動力系統、傳動系統、行駛系統、轉向系統、制動系統、控制系統等部分組成。

飛行部分主要由推進裝置、機翼、起落裝置、操控系統、動力裝置等組成。對于推進裝置，陸空兩棲平臺相對大型軍民用飛機來講一般規模體積較小，很少使用渦輪、渦扇、沖壓等航空發動機，大多是螺旋槳、旋翼、固定翼、涵道風扇等中小型推進裝置[5]。

還有其它一些裝置，如兩棲轉換裝置、通信設備、導航設備、環境感知設備、隱身防護設備等，根據平臺功能需求設置。

3 分類研究

陸空兩棲平臺的類型很多，可以從不同的維度對其進行分類。本文提出從平臺用途、兩棲功能實現形式、飛行形式、車輛形式、動力能源這5個維度對其進行分類研究。

3.1 從平臺用途分類

平臺的用途、應用方式決定了陸空兩棲平臺的整體設計方案，分類如圖10所示。

圖10 從陸空兩棲平臺應用用途分類

3.2 從兩棲功能實現形式分類

從兩棲功能實現方式分類，根據平臺是否可以折疊、變形、兩棲功能是否可以模塊化分離、折疊變形的實現形式等，對兩棲平臺進行分類，如圖11所示。

圖11 從兩棲功能實現形式分類

3.3 從飛行方式分類

由上文所述，兩棲平臺一般規模較小，大多使用螺旋槳、旋翼、固定翼、涵道風扇等作為飛行推進裝置，還有少量依靠磁懸浮原理的概念方案。一般來講，以螺旋槳、旋翼、涵道風扇作為主要升力的飛行器，可以實現垂直起降；而使用固定翼作為主要升力的飛行器，需要滑跑一定距離才能起降。從飛行方式來對平臺進行分類，如圖12所示。

圖12 從飛行方式分類

3.4 從車輛形式分類

根據車輛底盤形式來對兩棲平臺進行分類，包括單輪、兩輪、3輪、4輪、其它等，如圖13所示。

圖13 從車輛形式分類

3.5 從動力能源分類

根據平臺使用的動力能源是燃油、純電動、新型能源還是混合動力，將這些平臺進行分類，如圖14所示。

圖14 從動力能源分類

4 趨勢及展望

根據上文所述，陸空兩棲平臺領域呈現的新發展趨勢為：

（1）從平臺功能應用來看，解決城市交通擁堵仍是最主要的設計目標，但應用方式正在逐漸多樣化，發展出了應急救災、戰場巡邏、農業生產、武器攻擊等多種使用方式，軍用、民用的應用都在擴大[18]。

（2）從參與研發的廠家機構來看，已經由最初的個人夢想家，發展到科研機構、汽車公司，再到當前互聯網企業、航空企業、軍工巨頭的加入，參與研發的機構在近年來呈現突增和多樣化趨勢。

（3）從兩棲功能實現方式來講，可垂直起降、可折疊、可模塊化組合的技術方案越來越受到重視[19]，這也是由兩棲平臺的功能需求和定位特點所決定的。

（4）從自主能力來看，智能化、無人化、自主能力在不斷提升，通過引入無人駕駛、智能輔助駕駛、自主導航等先進技術，對駕駛人員的陸空操作能力需求在逐漸降低。

（5）從能源動力來看，高功率密度的新型動力正在成為研發熱點，逐漸取代燃油動力和混合動力，這也和目前普通汽車行業的發展趨勢相吻合[20]。

綜上所述，陸空兩棲平臺最新的發展趨勢可歸納為：（1）功能應用逐漸擴展；（2）可垂直起降；（3）可折疊；（4）通用化，可模塊化組合和分離；（5）智能化；（6）開放式架構；（7）多任務執行能力；（8）長航時；（9）全天候、多地域環境適應能力；（10）高功率密度的新型動力。