国内外陆空两栖机动平台技术现状及发展趋势

1.国外陆空两栖机动平台的技术现状

飞行汽车作为未来交通的一种形式，正受到各国政府、研究机构和企业的重视。如美国国防创新试验机构（DIUx）以投资的形式鼓励支持境内的两家飞行汽车公司Kitty Hawk和Joby Aviation，旨在帮助军方更快速地利用新兴技术。美国国防高级研究计划局（DARPA）更是将飞行战车作为今后战略规划研究的主要方向。德国政府同奥迪汽车公司与空客公司签署飞行汽车合作意向书，将在德国英戈尔施塔特及其周边地区测试飞行汽车。新闻办公室在声明中表示这次试验旨在应对城市道路堵塞，并为德国高科技产业释放新的增长潜力。日本政府正在努力支持开发飞行汽车，并将包括网约车巨头Uber和空客在内的公司纳入政府牵头的机构中，争取在未来10年将飞行汽车引入日本。最初组成这个机构的共有20家公司，包括波音（Boein）、丰田（Toyota）、全日空（ANA）、日本航空（JAL）以及大和航空（Yamato）等公司。这些公司的代表于2018年8月29日举行首次月度会议。日本经济产业省和国土交通省起草了一份城市飞行汽车路线图。

1）国外陆空两栖机动平台的民用技术现状

随着社会发展和科技进步，城市人口密度不断增大，城市的汽车保有量不断增高，出行需求随之爆发式地增长，城市交通频繁性大面积的拥堵越发严重。以陆空两栖机动平台（如飞行汽车）为代表的立体交通工具将利用三维空域缓解大城市地面的交通拥堵问题，是未来智慧城市交通网络的重要组成单元，将激发新型轻量化材料、动力电池、电驱动系统、智能驾驶、大数据调度系统等产业链的技术突破与创新，实现整个产业的全面爆发，成为在汽车工业进入发展瓶颈后的又一个可以大范围拉动经济产业发展的新契机。

多国航空或汽车企业纷纷开始布局飞行汽车技术，目前，波音、空客、Uber、吉利、奥迪、戴姆勒、阿斯顿马丁、保时捷等都已加入飞行汽车项目的研发序列。这些项目垂直起降的气动构型有多涵道、开放式多旋翼不同构型，也有小部分飞行汽车项目采用需要跑道滑跑的固定翼方案。

（1）采用多涵道式方案的项目。

奥迪、Italdesign和空中客车公司合作推出一款模块化、全电动、零排放的概念交通工具系统——Pop.Up，旨在缓解超大型城市的交通拥堵问题。Pop.Up旨在通过灵活、共享并且适应性较强的城市交通新方式，引入以用户为中心的全新交通系统概念，节约城市通勤者的时间。这一概念设计结合了地面小型车辆的灵活性与垂直起落飞行器的自由性和速度，同时连接了汽车与航空领域。在这个构型下，空客期望将Pop.Up打造成为城市自驾飞行器，有效地利用第三维度实现路径点的转换，同时可避开拥堵的地面交通。

以色列Urban Aeronautics公司研发的飞行汽车CityHawk将在2021年至2022年期间进行首次载人飞行测试，其使用氢燃料做电池，通过电机带动大型扇叶从而提供上升的动力，其最大飞行速度为273 km/h。

腾讯公司投资9 000万美元的德国初创航空公司Lilium正在生产一款可以垂直起降、水平飞行的电动飞行汽车。成车预计充一次电可以飞行1 h，时速可达300 km/h，采用双座设计，重量约600 kg，拥有36个电动涵道风扇作为动力源，起飞时可指向下方，飞行时可水平指向前方。

（2）采用开放式多旋翼方案的项目。

Uber在2017年11月与美国国家航空航天局（NASA）签订协议，将在2020年前研发出一款飞行出租车。2018年8月，Uber与美国陆军研究实验室（USArmy Research Labs）建立了合作关系，旨在共同研发Uber飞行汽车项目并要打造一个以城市为基础的公共航空交通网络，预计于2020年开始在3座城市进行测试。按计划，Uber飞行汽车项目将会在2023年开始运行。

Uber的飞行汽车是半直升机半固定翼飞机的混合体。它有固定机翼来帮助滑翔，类似于飞机，以帮助它保持更高效率和更快的速度。它也会有多个旋翼，区别于直升机只有一个巨大的固定旋翼，这些旋翼将使用分布式电力推进系统（DEP）。

飞行汽车公司Kitty Hawk于2018年6月成功试飞无人电动飞行汽车Cora，它可以像飞机一样飞行，也可以像直升机一样起飞和降落，一旦进入空中，“飞行出租车”就可以使用单螺旋桨，以每小时约180 km的速度飞到150～900 m的高空。

日本汽车公司丰田投资的Cartivator开始进行SkyDrive飞行汽车的研发，计划2025年上市。SkyDrive飞行汽车采用锂离子电池驱动，配备3个地面行驶的轮胎和4个螺旋桨，地面行驶和飞行时速目标为100～150 km/h，而续航里程方面，地面行驶目标为50 km，飞行仅为5 km。

德国无人机制造商Volocopter开发的双座多旋翼电动飞行出租车在迪拜进行试飞。该飞行出租车最长可飞行30 min，最大飞行速度为每小时100 km。飞行器试飞时在空中200 m的高度停留了大约5 min。Volocopter旋翼支架采用了白色蛛网设计，并且搭载了18个旋翼装置。机身采用轻质的纤维复合结构，高约2.15 m，机翼可以进行折叠，可以乘坐2个成年人，目前需要飞行员进行驾驶。

（3）采用固定翼方案的项目。

吉利汽车全资收购的美国飞行汽车公司Terrafugia，生产了首款飞行汽车Transition，并将在2023年发布全球首台垂直起降飞行汽车计划。最新一代Transition飞行汽车提供两座，其最高时速161 km/h，最大飞行高度3 048 m，续航应超过640 km。Transition的机翼可折叠，飞行模式时，机翼会在40 s内完全伸展，但是需要30 m长的跑道才能够起飞。

飞行跑车Aeromobil由斯洛伐克Aeromobil公司设计，2013年试飞成功，并于2014年在奥地利举行的“先锋节”（Pioneers Festival）上推出。Aeromobil适合标准停车位，能在世界上任何机场起飞和降落。

2017年4月，AeroMobil对外展示泪珠型飞行汽车AeroMobil Flying Car。该公司表示已做好接受预订的准备，并预计在2020年交付使用。不到3 min时间，其能从地面模式转换为飞行模式。折翼使汽车能飞能跑。AeroMobil配备Rotax 912 4缸自然吸气式冷凝汽油发动机，地面最大行驶速度161 km/h，飞行最大速度200 km/h。飞行距离达700 km。

Switchblade是一款三轮汽车，由美国Samson公司2017年设计亮相。这辆车有两个座位，长度达5.1 m，它也有可伸缩的机翼和尾部，展开后的长度可达6.2 m，这意味着它既可以在路上行驶又可以在天空中行驶。与其他垂直起降（VTOL）的飞行汽车不同的是，Switchblade不能从公路上起飞，需要从正规的机场起飞。

Switchblade装有能伸缩自如的机翼，机翼安装在腹部，能像弹簧小折刀的刀片一样闭合。该飞行汽车空中飞行时速可达320 km/h，地面行驶时速约160 km/h。该车采用190 hp液冷V4发动机，113 L燃料箱，行驶距离约700 km。目前使用无铅汽油，Samson公司已经完成混合动力以及电动系统的设计。

2）国外陆空两栖机动平台的军用技术现状

由于战场环境复杂，路况恶劣，车辆不易通行，给执行医疗处置、伤员护送以及货物补给等任务带来很大困难，目前的地面平台不能完全满足需求，而空中平台成本又太高，为此，国外提出发展陆空两栖平台，充分利用其地面和空中机动能力，大幅提高地面部队的战术机动能力，满足当前及未来战争需求。

2010年，美国先进战术公司根据美国国会“多任务医疗与伤员后送无人机/无人车”项目开始研制军用陆空两栖机动。2012年4月，美国海军陆战队勇士实验室“增强海军陆战队空地任务部队作战空运”项目也对军用陆空两栖机动进行了投资。这些项目开启了陆空两栖机动在特种领域的应用研究。

（1）开放旋翼式构型。复杂的地形和未知的威胁，如伏击和简易爆炸装置，会使去往前线的地面车辆蒙受各种挑战。虽然直升机可以轻松绕过这些问题，但它们经常会出现自身的后勤挑战，并且可能使飞行机组受到不同类型的威胁。此外，它们的运行成本很高，并且直升机不能总是满足各种特种运营的需求。

为了克服这些挑战，美国国防高级研究计划局（DARPA）于2009年推出了变形者（飞行悍马）项目，计划将地面车辆和直升机的优势结合到一辆灵活运动的车辆中，其概念是提供避免传统和不对称威胁的选项，同时避免道路障碍。变形者（飞行悍马）项目旨在开发和演示原型系统，该系统可为小型地面作战单元提供灵活的、不受限于地形的运输，用于物资、人员运输和战术支持任务。

变形者（飞行悍马）项目要求实现的功能为既能像吉普车一样驾驶，也可以起飞以避开路边炸弹，有效载荷要求4名作战人员及其装备。设想的飞行控制系统将允许半自动飞行，允许非飞行员执行垂直起降飞行，并过渡到前飞，并更新飞行路径以响应不断变化的任务要求或威胁。

2013年12月，美国“黑骑士”军用陆空两栖平台完成陆上行驶试验。2014年3月，“黑骑士”军用陆空两栖平台完成飞行试验。这一系列试验验证了“黑骑士”军用陆空两栖平台的技术性能，标志着陆空两栖平台技术研究取得重要进展，为正式应用奠定基础。

“黑骑士”军用陆空两栖平台最大起飞重量1 996 kg，长9.4 m（空中飞行）/7.6 m（陆上行驶），宽5.8 m（空中飞行）/2.4 m（陆上行驶），高2.4 m，空中巡航速度241 km/h，最大公路速度113 km/h，可搭载5名乘员，有效载荷454 kg，最大战斗行程463 km，在拆除陆上行驶的动力传动系统时可搭载726 kg有效载荷或8名乘员，拥有与“黑鹰”直升机相当的超大内部空间，可用C-130空运，适于伤员后送和物资补给任务。

“黑骑士”军用陆空两栖平台在四轮底盘上安装9台发动机、8个旋翼，采用两套推进系统，满足陆上行驶与空中飞行动力需求。“黑骑士”军用陆空两栖平台陆上行驶时由1台位于车体内的发动机驱动自动变速箱，空中飞行时由8台位于车体两侧的航空发动机分别驱动8个旋翼。“黑骑士”军用陆空两栖平台可以采用伸缩机翼、折叠机翼和旋转机翼等自适应机翼技术，有效改变平台的启动性能，适应不同飞行状态。在陆上行驶时机翼折叠，在空中飞行时伸展机翼，从而提高了陆空两种模式机动性能。

“黑骑士”军用陆空两栖平台可以通过精确控制，实现陆上行驶与空中飞行模式转换。陆空两栖平台驾驶员通过控制机翼变换和动力传动系统切换按钮，使机翼自动展开/收起，发动机经螺旋桨/变速箱驱动平台，实现陆上行驶与空中飞行模式平稳转换。

“黑骑士”军用陆空两栖平台兼具地面和空中机动能力，可垂直起降以及无人驾驶。相比于传统地面车辆和飞机，机动领域显著扩展，可大幅提高地面部队的战术机动能力，可执行打击、搜捕、侦察、封锁、防暴、医疗救援和后勤补给等任务，尤其适用于复杂的作战环境，具有独特的作战优势。其坚固结构还可以将货物运送到偏远地区，即使在传统汽车和卡车难以到达的地方。如果受伤的士兵需要乘坐运输工具到医院，“黑骑士”军用陆空两栖平台可以自动完成。其设计用于降落在战区附近（但远离激烈的战斗），然后驶向受伤士兵，再让其他人将他装入车内。

“黑骑士”军用陆空两栖平台的经济性明显高于直升机，根据美国国防高级研究计划局的估算，“黑骑士”军用陆空两栖平台的目标价格约100万美元，虽高于高机动多用途轮式车的40万美元，但却远低于轻型直升机的400万美元，经济可承受性优势明显。

（2）涵道式构型。“垂直起降试验飞机”（VTOL X-Plane）计划是由美国国防高级研究计划局赞助的研究项目。该计划的目标是演示垂直和高效悬停的垂直起降飞机设计，期望比传统旋翼飞机飞得更快。以前有很多尝试，其中大多数都不成功。

具有传统旋翼布局的直升机理论最高速度为200节（370 km/h），之后它会受到升力不对称的影响。一些设计成功创造了悬停和高速飞机，包括可以以275节（509 km/h）飞行的贝尔波音V-22鱼鹰倾转旋翼机和以260节（480 km/h）飞行的西科斯基X2复合直升机，但两者都对悬停效率或范围有显著的空气动力学折中。DARPA的目标是展示一种能够达到300～400节（555～740 km/h）的持续最高速度的垂直起降飞机。

经过几年的发展，美国国防高级研究计划局的小比例“垂直起降试验飞机”原型已经成功完成了飞行测试。美国国防高级研究计划局于2016年初将VTOL X-Plane的第二阶段合同授予极光飞行科学公司（Aurora Flight Sciences）。Aurora的VTOL X-Plane设计包括24个涵道式风扇，其中18个风扇则对称分布在两个主机翼上，而剩余6个安装在两个偏转鸭翼上。

小比例VTOL X-Plane原型成功测试了几项新的创新，包括侧向飞行控制，机翼和鸭翼倾斜机制以及持续悬停等。该原型机也被用于测试DARPA开发的其他一些技术，如用于飞行结构和空气动力学表面的3D打印部件。

随着这些飞行试验的成功，美国国防高级研究计划局正在开发一款全尺寸飞机XV-24A。一些改进计划将被纳入全尺寸模型，最显著的是将装配涡轮轴发动机来驱动所有涵道式风扇，而不是演示模型中使用的电池。一台AE1107C涡轮轴发动机能同时为霍尼韦尔公司的三台发电机和安装在机翼和鸭翼上的24台涵道风扇提供3MW的功率，大概相当于民用风力涡轮机的平均水平。这台发动机驱动的24台涵道风扇，每个尾翼上分配9台，每个鸭翼上分配3台。所有的机翼都能按推力方向的需求进行旋转：喷口朝后用于向前飞行，朝下用于悬停，介于两者之间只需调整角度即可。飞机的分布式电推进系统（EDP）将分布的涵道风扇以及同步的电传动系统进行了高度整合，给了飞机设计者们更大的空间去提升飞机的悬停效率和飞行速度。

这项设计的成功将意味着飞机能飞得更快更远，还能在需要的时候进行悬停，并且能完成很多种的任务，也不需要大的起降空间。虽然验证机是无人驾驶的，但VTOL X-Plane的表现也会和有人驾驶旗鼓相当。最终完成的XV-24A最高飞行速度为556公里/小时，机身重量约为12 000磅（5 443 kg），有效载荷约为机身重量的40%。

美国国防高级研究计划局认为最大的难题是追求好的悬停性能的飞机的整体特征一定与追求速度的飞机有很大的不同。这些难点攻关都将随后应用到验证机上。发电和配电系统，使飞行器装有多个风扇和传动系统的设计成为可能，模块化、单元化的气动机翼并整合了推进系统的设计使飞机在向前飞、悬停以及期间任何一个过渡时间点都能变现出很高的效率，极其精准的飞机控制系统可以按要求改变每一个风扇的推力，使可操作性和效率大大提高。(www.xing528.com)

美国国防高级项目研究计划局于2013年推出空中可重构嵌入式系统（ARES）这个无人驾驶的垂直起降飞行模块概念，旨在运输各种有效载荷。该概念始于2009年的变形者（飞行悍马）项目，一个独立于地形的运输系统，该系统以地面车辆为中心，可配置为垂直起降飞行器并携带4名士兵。ARES的主要功能仍然与变形者（飞行悍马）项目相同，使用飞行模式避免地面运输受到威胁，如伏击和爆炸装置，用于没有直升机执行任务的特特种单位。

“空中可重构嵌入式系统”项目的飞行模块配备双倾斜涵道风扇，可以根据不同的任务有效地搭载各种载荷，预计携带高达3 000磅（1 400 kg）的有效载荷，无论是货物配送、人员运输、伤员护送还是侦察，均可提供高达200节（370 cm/h）的速度。

ARES计划是目前为止最为系统的一个研究计划。2013年新的飞行系统初步设计定型后，美国国防高级项目研究计划局正式授予洛克希德·马丁公司和派塞克航空两个公司制造验证机型的合同。2014年1月，该型飞行系统进入生产阶段，具体的分工为：洛克希德·马丁公司负责飞行控制软件的开发，派塞克航空负责飞机主体及各分系统设计和制造。随着原型机生产的稳步进行，其相关的设计要点也逐渐进入公众的视野。

空中可重构嵌入式系统作为一种独立的飞行器，飞行模块有自己的动力系统、燃料、数字飞行控制、远程指挥和控制界面。它仅需直升机一半的着陆空间就可以着陆，通过智能手机或平板电脑进行控制，尽管它也可以在没有人类飞行员监督的情况下执行任务。洛克希德·马丁公司的理念是，该模块可以单独飞行或搭载其他模块在基地和目的地之间飞行，能够根据需要换装特定用途的模块。

ARES采用两个涡轴发动机分别驱动两个旋转涵道螺旋桨为动力源，涵道桨的直径约为2.3 m，两个常速螺旋桨通过调整螺距和涵道下方的尾翼控制飞行系统的姿态。设计方期望两个可旋转的涵道桨可以实现类似于鱼鹰飞机那样的垂直起降和高速飞行，因此涵道桨外侧增加了两个随着涵道桨一起转动的机翼。同时双涵道的设计能够将起降场地的尺寸减小到相同载荷直升机的一半从而提高飞行系统的环境适应能力。总的来看，该系统就像一块带着两个涵道桨的平直机翼。飞行系统包含动力和控制系统的机身舱的长宽在3 m左右，完全展开后飞行系统的总宽约为13 m。

ARES电传操纵系统可实现其短距离起飞和垂直着陆，其采用了F-35B联合攻击战斗机上使用的“动态倒置”控制律技术来垂直和前飞的混合控制。其研究的挑战在于开发控制系统，其中相同的效应器在垂直、过渡和向前飞行中产生不同的结果，在悬停中，涵道叶片提供偏航控制；在向前飞行中，它们提供俯仰和滚转。其应用设想为ARES垂直起飞，连接有效载荷吊舱，飞到另一个位置，垂直降落，断开有效载荷并飞回飞行模块。与K-Max等无人直升机相比，涵道风扇配置的优势包括其紧凑性、性能和模块化。ARES可以使用较小的着陆区域，而涵道可以保护车辆和人员。预期的巡航速度在240～280 km/h，而最大速度预期在370 km/h，比带有吊索负载的传统直升机更快。

ARES最大的亮点在于它的任务模块化设计，可实现不同任务的飞行模式，如实现前线支援的货运吊舱模式，帮助军车通过难以通行的障碍的辅助飞行模式，以及携带侦察监视等信息获取任务吊舱进行相关飞行的模式，用户甚至可以自行设计任务吊舱以适应更多的环境和任务（例如海军舰载反潜吊舱）。ARES的操控接口也可以方便地整合到单兵智能设备中，洛克希德·马丁公司甚至打算将飞行的操作黑盒化，呈现在士兵面前的是一个纯任务型的控制界面，士兵只需提交相应的任务给飞行系统，飞行系统会自动规划起飞、航行和降落。如果3架原型机试飞结果能够验证这种布局的机动能力以及飞控系统的可靠性，那么这种飞行系统必将带来短途航空运输的一个革新。

2.国内陆空两栖机动平台的技术现状

1）采用开放式多旋翼方案的项目

亿航184可载客无人驾驶飞机，由总部位于中国广州的亿航智能技术有限公司独立自主研发制造，是一款主打安全、环保、智能的自动驾驶低空飞行器，目标为人类提供中短途日常交通运输解决方案。

“亿航184”的寓意是这种无人机能运载1位乘客，它有8个螺旋桨和4支向四外伸出的机臂。这款飞行器在设定飞行计划后，只需乘客在机载应用中指定目的地，一键下达“起飞”指令，即可完成由低空服务指挥调度中心调度的自动驾驶运行，到达指定目的地。

中航工业602所针对旋翼式飞行汽车开展了前期探索研究，推出了100 kg级无人电动原理概念样机，采用可收放六旋翼布局，动力驱动车轮地面行走，飞行部分与地面行驶部分为一体。

2）采用多涵道式方案的项目

北京理工大学特种车辆研究所针对陆军装备升级需求，在某部装备预先研究项目支持下，近年来研制了多种气动构型的涵道式陆空飞行平台样机，实现了类似城市的复杂环境中飞行平台的起飞、降落、可控飞行的能力，并在整体设计、轻量化结构、新型材料使用与生产工艺、飞行控制等方面进行了大量技术积累和专利布局工作。

酷黑科技（北京）有限公司打造分体模块化智能飞行汽车。深耕涵道式气动构型飞行器设计、制造，为复杂环境下陆地与空中协同运行提供完善的系统解决方案。

陆空车辆飞行方案梳理如图8-5所示。

3.陆空两栖机动平台的关键技术

下面将可行的陆空两栖机动平台分为固定翼式、多旋翼式和涵道式三类机动平台分别讨论其关键技术。陆空平台技术列表如表8-1所示。

1）固定翼式陆空两栖机动平台的关键技术

（1）兼顾地面行驶与空中飞行的总体设计技术。

（2）兼顾起降高升力与巡航高效率的气动设计技术。

（3）轻质、高强度、低成本、高可靠性结构设计技术。

（4）地面驱动与空中推进动力匹配、转换技术。

（5）地面行驶及起降兼容性悬架系统设计技术。

2）多旋翼式陆空两栖机动平台的关键技术

（1）多旋翼式陆空两栖机动平台总体方案设计技术。

（2）多旋翼式陆空两栖机动平台总体气动技术。

（3）多旋翼式陆空两栖机动平台升力系统技术。

（4）多旋翼式陆空两栖机动平台行走与飞行混合控制技术。

（5）多旋翼式陆空两栖机动平台混合动力系统技术。

表8-1　陆空平台技术列表

3）涵道式陆空两栖机动平台的关键技术

（1）涵道式陆空两栖机动平台构型总体综合设计技术。

（2）涵道式陆空两栖机动平台高效轻质动力系统设计技术。

（3）涵道式陆空两栖机动平台飞行系统设计技术。

（4）涵道式陆空两栖机动平台地面行驶系统设计技术。

（5）涵道式陆空两栖机动平台智能感知技术。