一種風箏式接觸網供電飛行客車設計

付皓天 王新月 何永明

（東北林業大學交通學院 黑龍江哈爾濱 150040）

隨著現代交通的發展，地面交通擁擠現象日益嚴重，人們出行十分不便。以哈爾濱市為例，截至2017年，哈爾濱機動車保有量有162萬輛，并且還在以每年15%的速度增長，導致哈爾濱市交通壓力巨大［1］。為了解決地面交通擁堵的現狀，大部分研究成果提出優化路網結構、改善交通政策等措施，但這些方法只能緩解地面交通擁堵，無法從根本上徹底解決交通擁堵的問題。比亞迪提出“云軌”設計方案，即將軌道運輸放在低空運行，并且速度快、清潔環保、噪音小［2］，但此設計方案成本巨大，且與城市軌道交通線路會有一定的交叉和沖突點，在實際運行時可能會很不方便。

針對地面交擁堵的現狀，結合新型交通模式，本文提出了一種風箏式接觸網供電飛行客車，它是結合了火車和飛機兩種交通工具的優勢，可以在中低空高效工作。目前，飛行汽車領域關鍵瓶頸在于如何向飛行汽車提供電能［3］。而本文提出的風箏式接觸網供電飛行客車采用接觸網供電，從源頭上解決電能供應問題。該飛行客車由機身、螺旋槳、發動機、接觸網供電系統和控制系統組成，共同協助配合運行，為人們提供了一種快速、高效的出行方式。飛行客車包括封閉隔離、降噪及應急設施，保證飛行客車的正常運行及乘客的財產及人身安全。綜上所述，飛行客車擁有速度較快、運輸效率高、清潔環保等優勢，能更好地適應未來的交通發展模式。

1 飛行客車設計研究現狀分析

目前，全世界范圍內對于飛行汽車領域的研究很多，如旋翼飛行汽車、機翼可收縮式飛行汽車、機翼可折疊式飛行汽車等［4］。劉佳銘提出了一種飛行汽車，該飛行汽車采用三級可收縮式機翼，車身周圍安裝了4個涵道風扇，減小對槳葉尖部的沖擊，減小噪聲［5］。

在國內，飛行客車僅有吉利、蔚來等新能源汽車公司及航空、節能領域的學者在研究，在飛行客車方面，理論尚不成熟且研究進度緩慢。馬鐵林［6］提出了一種飛行客車，該飛行客車采用前后折疊機翼，在車身尾部安裝發動機作為動力裝置，機身中部安裝有小型助推火箭。這種設計方式可以提高起飛速度，但其對于地形的要求較高，且無法高速、高載客量地運行，投入成本較大。在國外，雖然有飛行客車相關概念的提出，但付諸實踐的科研機構很少。俄羅斯研發的“飛行火車”最高時速可達600km/h［7］，但僅提出概念模型。國外飛行客車的概念模型如圖1所示。

圖1 國外飛行客車概念模型

從圖1 可以看到，飛行客車需要有完整且廣闊的場地才能保證其安全、快速地運行，但同時，飛行客車載客量較大，運輸效率較高。上述國內外對飛行客車領域都有一些研究，但其僅處于概念階段，并且針對飛行客車方面的研究十分稀少，因此，飛行客車的實現及推廣距未來還有一段距離。

2 風箏式接觸網供電飛行客車研究設計路線

結合國內外飛行客車研究的成果及可行性分析，本文設計的風箏式接觸網供電飛行客車研究設計路線包括收集資料、建立模型、分析評估、結論評價4 個步驟。風箏式接觸網供電飛行客車如圖2所示。

圖2 風箏式接觸網供電飛行客車研究設計路線

3 風箏式接觸網供電飛行客車結構模型設計

經過對風箏式接觸網供電飛行客車模型的螺旋槳設計、接觸網類型的選用，以及控制系統的協調等問題的研究、改進、評價，最終形成了風箏式接觸網供電飛行客車的結構模型。

3.1 總體結構模型設計

風箏式接觸網供電飛行客車由機身、螺旋槳、發動機、接觸網供電系統和控制系統組成，共同協作運行。風箏式接觸網供電飛行客車結構圖如圖3所示。接觸網供電系統主要負責給飛行客車輸送電能；發動機主要負責將接觸網供電系統輸送的電能一部分轉化為動能，給飛行客車提供動力支持；螺旋槳主要負責將發動機提供的動能轉化為螺旋槳的升力、推力；控制系統主要負責監控飛行客車實時情況、接收總控制中心指令、播報預計到達時間及站點信息等。

圖3 風箏式接觸網供電飛行客車結構圖

3.2 各項結構參數值估計

本文設計的風箏式接觸網供電飛行客車的各項結構及參數如表1所示。

表1 飛行客車參數估計值

3.3 具體結構設計

3.3.1 機身

機身主要采用重量較輕、強度很高、韌性很好、耐腐蝕性強的鈦合金作為其材料，增加了飛行客車的安全性和耐用性。

3.3.2 螺旋槳

螺旋槳有4種類型，包括上升式螺旋槳、前進式螺旋槳、輔助式螺旋槳、方向式螺旋槳。飛行客車俯視圖如圖4所示。

圖4 飛行客車俯視圖

上升式螺旋槳平行地安裝在機身兩側，用來提供上升的動力。其中，上升式螺旋槳共有4個，可按實際情況增加，且螺旋槳外有一層保護裝置，避免飛行客車空中作業時由于鳥類、樹枝等障礙物的干擾而造成螺旋槳的損壞，影響飛行客車的正常運行，如圖4中1（上升式螺旋槳）所示。

前進式螺旋槳安裝在尾翼，用來提供前進的動力，如圖4中4（前進式螺旋槳）所示。

輔助式螺旋槳安裝在機身中部，該螺旋槳方向可發生改變，用來輔助飛行客車平穩飛行。其內部安裝了溫度、濕度傳感器及風力檢測器，可根據所測得的溫度、濕度來判斷天氣狀況，以及根據風力自動調整旋轉角度。參考曹沐凡等［8］提出的一種可折疊的物流配送飛行汽車，結合本文所提出的飛行客車，將螺旋槳設計為可折疊的形式，一方面，可以有效地適應各種地形；另一方面，在天氣狀況良好的情況下，該螺旋槳可以折疊至平行于機身的角度，減小飛行客車的實際凈寬。如圖4中2（輔助式螺旋槳）所示。

方向式螺旋槳安裝在機身尾部，用來協助其他螺旋槳控制方向，該螺旋槳可以旋轉，根據飛行客車自身重力、飛行速度的狀況調整自身旋轉角度，如圖4 中3（方向式螺旋槳）所示。

這4 種類型的螺旋槳相互配合協調工作，使飛行客車適應大多數復雜地形，提高飛行客車的適用性。同時，螺旋槳作為推進器，也可以提高飛行客車的行駛速度和服務效率，增加乘客的旅行體驗。

3.3.3 發動機

發動機位于機身內部，采用牽引電機作為動力裝置，其能夠將電能轉化為動能，驅動飛行客車運行。發動機從接觸網供電系統中獲得電能，將電能轉化為動能，驅動飛行客車正常運行。

3.3.4 接觸網供電系統

接觸網供電系統由高架橋、牽引變電所、接觸網、接觸線和回流電路組成。高架橋等距連續鋪設在運行路線上。接觸網的電壓等級比較高，一般在27kV 左右，而牽引變電所負責將電網傳輸過來的電能轉換為適合風箏式接觸網供電飛行客車所需的電壓，使飛行客車可以通過接觸線獲得電能。接觸網為連接高架橋與變電所的牽引供電線，接觸網由接觸懸掛、支持裝置、定位裝置、支柱與基礎構成，其中，接觸懸掛包括接觸線、吊弦、承力索及連接零件構成。接觸線負責保證飛行客車能持續不斷地從牽引供電系統中獲得能量。

同時，接觸網的類型也十分重要，接觸網類型一般分為架空式、三軌接觸網兩種類型。三軌接觸網成本較高且維護麻煩。而架空式又分為剛體懸掛、鏈型懸掛及簡單懸掛。根據鄧迪禹［9］提出的城市軌道交通供電接觸網類型的比較，結合飛行客車自身考慮，接觸網選用簡單鏈型懸掛。

3.3.5 控制系統

控制系統主要保證實時得知飛行客車的情況及旅客的安全。飛行客車的控制系統主要由監控安防子系統、無線通信子系統、時間測距子系統、廣播子系統組成。飛行客車控制系統的流程圖如圖5所示。

圖5 飛行客車控制系統流程圖

監控安防子系統用于對機內乘客的實時狀況進行監控，將飛行客車上的各種情況發送至無線電通信子系統。無線電通信系統用于實現機地之間實時的信息交換，一方面，及時獲取站點位置信息且發送至時間測距子系統，另一方面，將飛行客車上情況發送到總控制中心。時間測距子系統內置有測距傳感器，用于測量飛行客車與最近站點之間的距離，從而測算預計到站時間，將信息發送至廣播子系統。廣播子系統用于實時播報到站出站信息，以及對飛行客車上的緊急情況進行實時播報。各個子系統協助共同工作，構成了飛行客車的控制系統。

3.4 結構細節設計

3.4.1 伸縮桿

為了使飛行客車能夠自由改變高度，提高飛行客車對周圍環境的適應性，伸縮桿可以在軌道上實現自由伸縮。伸縮桿采用鈦合金作為其主材料，鈦合金韌性好，強度高，可以使飛行客車順利起飛與降落。伸縮桿上端與飛行客車相連，下端通過軌道與高架橋相連。飛行客車后視圖、飛行客車后視圖局部視圖如圖6 和圖7所示。

圖6 飛行客車后視圖

圖7 飛行客車后視圖局部視圖

3.4.2 太陽能光伏板

飛行客車機身頂部鋪設有太陽能光伏板，白天吸收太陽能，通過太陽能光伏板儲存在飛行客車內，用于飛行客車的操作臺、衛生間、控制系統等用電設施，使飛行客車更加經濟，降低運輸成本。

4 飛行客車工作機制

起飛前，發動機通過接觸網供電系統獲得電能后，輔助式螺旋槳根據天氣等狀況，以及風力，來選擇適當的旋轉角度，以輔助其他螺旋槳提供升力或前進力。上升式螺旋槳、輔助式螺旋槳、前進式螺旋槳、方向式螺旋槳共同工作，使風箏式接觸網供電飛行客車起飛，同時，無線電通信子系統確定飛行客車具體位置及最近站點位置信息。

飛行時，方向式螺旋槳開始工作，同時輔助式螺旋槳根據飛行時機身所受阻力、重力及自身速度的狀況來選擇合適的旋轉角度，以來向飛行客車提供升力，前進力和減小阻力的功能。上升式螺旋槳、輔助式螺旋槳、方向式螺旋槳與前進式螺旋槳共同工作，使風箏式接觸網高架飛行客車平穩、高速地運行。時間測距子系統根據飛行客車實際速度估算到達各個站點的預計時間，并通過廣播子系統實時向乘客播報。

降落時，前進式螺旋槳提前停止工作，同時輔助式螺旋槳根據前進的動力及風力等情況實時調整旋轉角度以抵消前進的動力，待前進的動力消失時，方向式螺旋槳與上升式螺旋槳及伸縮桿共同工作，使風箏式接觸網飛行客車平穩、安全地降落至高架橋。廣播子系統實時播報所在站點、下一站到達時間、等待時間等信息。

5 交通設施設計

飛行客車的正常運行離不開完善的交通工程設施，飛行客車整體的交通設施包括隔離封閉設施、降噪設施及應急設施。

5.1 隔離封閉設施

飛行客車由于采用螺旋槳作為其動力設施，因此只能保證飛行客車在中低空工作。為保障飛行客車的正常工作及旅客安全，在飛行客車工作區域設置隔離封閉設施。隔離封閉設施采用金屬網和刺鐵絲網作為隔離柵，其中。金屬網采用電焊網，對電焊網及刺鐵絲網的規格參數如表2和表3所示。

表2 電焊網規格

表3 刺鐵絲規格

5.2 降噪設施

飛行客車運行時工作時，由于螺旋槳額旋轉而造成巨大噪音，這是先行采用螺旋槳的交通工具都普遍存在的問題。劉遠強［10］提出的不同葉尖螺旋槳噪聲特性中提到，由于不同葉尖的螺旋槳的噪音特性不同，螺旋槳的葉尖可分為平直槳尖、尖型槳尖、后掠漿尖3種類型，經過試驗得出，平直槳尖的最大噪聲聲壓低于尖型槳尖及后掠漿尖。另外，飛行客車的拉力主要由螺旋槳提供，拉力過小可能導致飛行客車無法正常工作，因此，在降噪的同時，也要考慮螺旋槳拉力因素。根據劉遠強提出的不同葉尖螺旋槳噪聲特性，當風速在30m/s、螺旋槳轉速為3900r/min時，在3種螺旋槳中，平直葉尖螺旋槳的拉力最大，且結合葉尖的降噪特性，綜合考慮采用平直槳尖作為飛行客車螺旋槳槳尖的主要形式。

在飛行客車旁設立隔音板等降噪設施，其中，隔音板采用JMG-L16復合阻尼隔音板，其擁有E1級環保及A1級防火，且沒有污染與放射性物質，方便耐用，易于安裝拆卸。

5.3 應急設施

除了上述設施外，飛行客車還配備了應急裝置，包括滅火瓶、防煙面罩、煙霧檢測器、煙霧報警器、自動滅火器等防火防煙設備，以及防疫包、醫療箱、氧氣瓶等醫療設備，保障飛行客車在出現緊急情況時可以最大限度地保證乘客的財產及人身安全。

6 結語

本文所研究的風箏式接觸網飛行客車將飛機和火車的優勢結合起來，構想出一種類似能飛行的“火車”。從研究設計、結構組成及工作機制等方面，風箏式接觸網供電飛行客車都是一種前所未有的新型交通運輸工具，它能提高運輸效率促進經濟發展。風箏式接觸網供電飛行客車是未來交通科技發展的一種趨勢，符合未來交通發展的需求。