飞行汽车“飞”起来还要迈过哪些技术门槛？

文/徐彬 樊伟 王伟达

大力发展现代综合交通运输体系已成为交通强国建设的核心要义，“陆空一体”是综合交通运输体系的有机组成部分，陆空协同立体交通的发展对于我国综合交通技术体系的构建具有积极推动作用，尤其伴随着空天控制、智能交通和现代通讯等创新型技术不断的发展，陆空一体交通必将迸发出更为蓬勃的生命力。

近日，交通运输部、科学技术部联合印发《交通领域科技创新中长期发展规划刚要（2021—2035 年）》，明确要求部署飞行汽车研发，突破飞行器与汽车融合、飞行与地面行驶自由切换等技术。飞行汽车作为立体交通的新晋成员，其技术发展最具“陆空一体”特征。

面向“陆空一体”交通是飞行汽车技术发展的初心和使命

陆空形态一体化

自100 多年前汽车和飞机发明以来，人们便开始了将汽车与飞机结合起来的实践探索：

1906 年，罗马尼亚人Tarian Vuia在法国巴黎进行了飞机汽车airplanecar 首次飞行，该飞机汽车是在汽车结构上简单地添加了两个翅翼；1917 年，美国人Glenn Hammond Curtis 在纽约全美航空展上展出了铝制机身与固定翼结合的飞行汽车Autoplane，为飞行汽车的发展走出了里程碑式的一步，被认为是人类历史上第一款飞行汽车；1946年，美国人Robert Edison Fulton Jr.探索了将飞机改装成适合地面行驶的汽车，而不是将汽车改装成飞行工具的飞行汽车设计新思路，设计的Airphibian 成为首款获得适航认证的飞行汽车；1958 年，美国Piasecki Aircraft 公司设计了飞行汽车VZ-8 Airgeep，为首款垂直起降飞行汽车；2009 年美国 Terrafugia 公司设计出机翼折叠式飞行汽车Transition，成为第一款具有商业前景的飞行汽车；2021 年，斯洛伐克Klein Vision 的AirCar 首次完成城际飞行，并在2022 年初经过70小时飞行、200 次起降的测试，获得斯洛伐克运输局颁发的适航证书。

可见，在过去百年历史中，人类对于飞行汽车的探索主要集中在如何实现汽车与飞机结构的有机结合上，如何让汽车“飞”起来。

陆空逻辑一体化

近年来，随着城市空中交通概念的兴起，具有单一空中飞行功能的电动垂直起降飞行器也被认为是飞行汽车的一种特殊构型。同时，奥迪、空客与Italdesign 联合研发的飞行出租车Pop Up Next 以及国内酷黑科技研发的FulMars 等模块化分体式飞行汽车的出现，将飞行汽车的内涵从“会飞的汽车”拓展为能够便捷实现陆空交通切换的电动化、智能化载运工具。与之相应的“陆空一体化”特征，也由“形态一体化”升华为包括一体化协同控制、一体化信息共享、一体化管理调度等在内的陆空“逻辑”一体化。而当陆空“逻辑”一体化结合中国国情，从乡村低空物流、景区低空旅游等应用场景逐步拓展至城市陆空协同，便产生了“智能多域立体交通”的新理念。

陆空逻辑一体化的关键在于“模块”“重构”与“协同”：

陆空逻辑一体化

“模块”是指具备飞行、行驶和承载功能的载运平台分别以模块化的形态呈现。其中，飞行模块可与电动航空、无人机等技术、产业深度融合；行驶模块可与滑板底盘技术和产业一脉相承；承载模块可以是物流货舱或作业载荷，亦可以是智能座舱，能够灵活实现系统的客运货运综合应用，在这样的模式下每个模块的复杂程度与研发难度都得到了有效的降低，更利于技术落地与产业转化。

“重构”是指执行载运任务时，各模块间基于环境与任务需求自主进行灵活的重构与分离，可实现一种全新形态的“陆空逻辑一体”和“模块切换重构”。通过“平台+载荷”灵活重构的理念，能够突破传统飞行汽车的物理约束，大幅提高载运的效率与综合性能，从而从根本上解决“形态一体化”飞行汽车面临的尺寸、重量、动力之间的深度耦合与妥协带来的优化难题。

“协同”是指不同模块的状态以及所处的路况、空域等信息上报共享，在网联信息技术的支撑下由后台系统进行统一调度与部署，更有助于实现交通运载资源的深度优化配置。

综上，从“陆空形态一体化”到“陆空逻辑一体化”，实现了“行驶”与“飞行”功能更高层次的融合，是飞行汽车未来陆、空协同发展的主要趋势。

飞行汽车面临的共性技术难题

飞行汽车是一个复杂的综合技术集成体，涵盖机械、电气、材料、自动化、导航、感知、人工智能等多个学科领域，其中陆-空构型融合设计、高效-长时续航动力系统研发以及城市环境智能驾驶是影响飞行汽车发展的主要技术瓶颈。

（1）陆-空构型融合设计

当前主流的飞行汽车构型包括固定翼式与旋翼式，其中，旋翼式飞行汽车根据旋翼是否裸露又分为开放旋翼式与涵道螺旋桨式两种构型。固定翼式飞行汽车方案成熟、机动效率高，但是无法实现在复杂环境中的垂直起降和自由悬停，必须依靠跑道进行滑跑起飞，使用场景较为受限，是通航产业与汽车产业的初步融合；开放旋翼式飞行汽车具有结构简单、控制灵活等优点，但是其旋翼直接裸露，与环境以及乘客的交互安全性存在较大风险，对城市中起降和飞行空间受限的复杂场景适应性较差；涵道式飞行汽车得益于涵道结构对螺旋桨的包覆与保护，一方面避免了螺旋桨直接接触环境和人员，大大提高了整车的安全性，另一方面通过涵道体的增力效应提供额外拉力，与开放式螺旋桨相比，涵道螺旋桨可以在相同尺寸下获得更高的升力，并减少功率消耗，不仅提高了整车的负载能力，也增加了有效控制带宽，使得飞行汽车获得更好的机动能力和稳定性。

综上，针对城市复杂空地混合载运场景，涵道式飞行汽车是未来重要的发展方向。然而，由于涵道气动设计复杂，涵道引入增加整车结构复杂性，更带来明显的气动耦合与干扰，因此在工艺设计、集成制造、增稳控制等方面尚存在诸多挑战。

（2）高效-长时续航动力系统研发

由于正处于电动化汽车时代，当前主流的飞行汽车动力方案也以纯电力驱动为主。然而，飞行工况与地面行驶工况的能耗特性存在巨大差异，尤其在垂直起降工况，所需的能量接近空中巡航工况的3-4 倍，因此，目前飞行汽车携带的电池普遍偏重，严重影响了其负载能力与续航里程。

依照《中国制造2025》国家行动纲领中对于动力电池的发展规划与预测：到2020 年，电池能量密度达到300Wh/kg；到2025 年，电池能量密度预计达到400Wh/kg；到2030 年，电池能量密度预计突破500Wh/kg。然而，当前动力电池行业水平普遍在220Wh/kg 以内，与预期发展速度存在一定差距，因此，如何实现电池系统进一步的轻量化，如何对陆空异构工况的能量进行合理高效的调配，是关系到飞行汽车发展与普及的关键难点与瓶颈。

此外，在电池技术取得突破性成果之前，轻质、高效的内燃动力驱动系统研发、燃料电池、混合动力等新兴能源技术也是有望推动飞行汽车阶段性应用的重要发展方向。

（3）智能驾驶与运动控制技术

飞行汽车的智能驾驶技术难点主要体现在两个方面：一方面飞行汽车存在行驶与飞行两种不同维度运动模式的切换，另一方面无论飞行还是地面行驶都需要感知、规划、决策、控制等多个技术领域的交叉协同。

针对陆空自主切换，飞行汽车的飞行与行驶工况是完全不同特性的两个被控对象，具有迥异的系统特征。在地面行驶工况中，通过驱动轮、转向系统等控制改变地面力，控制车辆的速度与方向；在飞行工况中，则需要通过螺旋桨转速、倾转机构、操作舵面等控制改变整车俯仰、滚转等姿态来实现前飞、升降、转向等运动状态，两种模式下系统的边界、约束和动力学特征差别非常大。当飞行汽车进行模式切换时，如何保证两个被控系统状态转换平稳、两套控制系统衔接紧密流畅，也是对运动控制系统设计与研发的巨大挑战。

针对自主驾驶，如何形成感知预测-路径规划-精准执行的高效闭环是保证飞行汽车载运性能的关键。地面行驶工况时，整车面临较为复杂的地面工作环境，不仅需要综合考虑人、车、路等多种因素对驾驶效果的影响，还要面临交通事故、违章事件等突发状况的考验；飞行工况时，整车工作环境相对简单，但是低空环境气流扰动大，在起飞与降落阶段面临如何精准识别起降环境、判断起降可行域，保证起降过程安全性与稳定性的难题。

飞行汽车的特种应用难题

飞行汽车逐渐成为学术前沿与产业焦点，但其总体技术发展和产业化仍处于较为初期阶段。飞行汽车当前还难以融入地面交通运输体系，但其阶段性的研究与技术成果可以为应急救援、防灾救灾、反恐防暴、处突维稳等特种领域做出重要贡献。不同于城市路况与空域的相对有序，上述特种应用环境往往更为封闭、复杂、动态多变、且缺乏基础设施支撑，也因此带来了感知、决策与控制三个方面的应用难题。

基础性难题：卫星拒止情况下的感知与定位

飞行汽车具有优秀的立体机动能力，有望部署于复杂山区、灾后城市等现有交通手段难以到达的受灾地区，解决救援物资运输、人员运送的重要难题。然而，这类任务地区往往存在空间狭窄、光照不足、障碍重重等特征，导致卫星导航信号较弱难以准确定位。其他感知定位手段如可见光、激光雷达等大多应用于光线良好、特征鲜明的开阔空间，在受灾地区使用时容易受到植被、烟尘、废墟等特征遮蔽，造成一定程度的影响与制约。因此，在复杂、未知且信号薄弱的环境中，如何充分发挥陆空两栖立体空间感知优势，依赖现有传感器采集的数据进行准确的特征提取，从而确定自身位置状态并为搜救人员提供可靠的环境分布、可达路径以及目标定位等信息是飞行汽车应用于特种领域的基础性难题。

机制性难题：陆空双模态的智能安全行为决策

飞行汽车在受灾地区的感知能力受限、机动能力受限，对陆、空两种模态的智能行为决策与安全机制提出了更高的要求。考虑到飞行汽车本身即具有地面行驶、空中飞行及其过渡过程等多种运行状态，不同运行状态下整车的机动特性、控制特性、能耗特性及载运特性都具有显著差异，再加上由于复杂环境带来的扰动、回波等干扰因素，在对陆空模式进行切换决策时，一方面需要考虑能耗、机动模态的合理性，另一方面更要关注工作品质与安全性。因此，如何在能力受限条件下，构建智能安全的陆空双模态智能行为决策与安全机制是飞行汽车应用于特种领域的机制性难题。

技术性难题：复杂封闭环境中的稳定机动控制

灾后环境要求飞行汽车能够在相对封闭的环境中与楼宇、壁面、障碍物、人员等抵近机动，同时也要求飞行汽车能够在复杂、崎岖的地面上实现稳定的垂直起降。由于螺旋桨、涵道等气动部件的特性与气流的作用息息相关，复杂的约束空间导致了气流与环境的耦合，进而造成动力部件流场分布的突变。因此，相对于理想的开放空间，当飞行汽车在灾后复杂环境中机动行驶时，其特征与状态会随着环境产生动态的变化。现有的一些控制手段如鲁棒控制、自适应控制虽然能够一定程度上对系统的状态改变进行估计与补偿，但是累积误差与估计收敛速率往往难以得到保证。因此，研究飞行汽车在复杂环境中状态特征的变化规律，并以此为基础提出稳定可靠的机动控制方法是飞行汽车应用于特种领域的技术性难题。