付皓天 王新月 何永明

（東北林業(yè)大學交通學院 黑龍江哈爾濱 150040）

隨著現(xiàn)代交通的發(fā)展，地面交通擁擠現(xiàn)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(xiàn)狀，大部分研究成果提出優(yōu)化路網(wǎng)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(huán)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(xiàn)狀，結合新型交通模式，本文提出了一種風箏式接觸網(wǎng)供電飛行客車，它是結合了火車和飛機兩種交通工具的優(yōu)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(wǎng)供電飛行客車采用接觸網(wǎng)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(fā)動機、接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，共同協(xié)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(chǎn)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(huán)保等優(yōu)勢，能更好地適應未來的交通發(fā)展模式。

1 飛行客車設計研究現(xiàn)狀分析

目前，全世界范圍內(nèi)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(nèi)，飛行客車僅有吉利、蔚來等新能源汽車公司及航空、節(jié)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(fā)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(fā)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(nèi)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(xiàn)及推廣距未來還有一段距離。

2 風箏式接觸網(wǎng)供電飛行客車研究設計路線

結合國內(nèi)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(wǎng)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(wǎng)供電飛行客車如圖2所示。

圖2 風箏式接觸網(wǎng)供電飛行客車研究設計路線

3 風箏式接觸網(wǎng)供電飛行客車結構模型設計

經(jīng)過對風箏式接觸網(wǎng)供電飛行客車模型的螺旋槳設計、接觸網(wǎng)類型的選用，以及控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)等問題的研究、改進、評價，最終形成了風箏式接觸網(wǎng)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(wǎng)供電飛行客車由機身、螺旋槳、發(fā)動機、接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，共同協(xié)作運行。風箏式接觸網(wǎng)供電飛行客車結構圖如圖3所示。接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)主要負責給飛行客車輸送電能；發(fā)動機主要負責將接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)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(fā)動機提供的動能轉化為螺旋槳的升力、推力；控制系統(tǒng)主要負責監(jiān)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(wǎng)供電飛行客車結構圖

3.2 各項結構參數(shù)值估計

本文設計的風箏式接觸網(wǎng)供電飛行客車的各項結構及參數(shù)如表1所示。

表1 飛行客車參數(shù)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(yè)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(fā)生改變，用來輔助飛行客車平穩(wěn)飛行。其內(nèi)部安裝了溫度、濕度傳感器及風力檢測器，可根據(jù)所測得的溫度、濕度來判斷天氣狀況，以及根據(jù)風力自動調(diào)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(xié)助其他螺旋槳控制方向，該螺旋槳可以旋轉，根據(jù)飛行客車自身重力、飛行速度的狀況調(diào)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(xié)調(diào)工作，使飛行客車適應大多數(shù)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(fā)動機

發(fā)動機位于機身內(nèi)部，采用牽引電機作為動力裝置，其能夠?qū)㈦娔苻D化為動能，驅(qū)動飛行客車運行。發(fā)動機從接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)中獲得電能，將電能轉化為動能，驅(qū)動飛行客車正常運行。

3.3.4 接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)

接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)由高架橋、牽引變電所、接觸網(wǎng)、接觸線和回流電路組成。高架橋等距連續(xù)鋪設在運行路線上。接觸網(wǎng)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(wǎng)傳輸過來的電能轉換為適合風箏式接觸網(wǎng)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(wǎng)為連接高架橋與變電所的牽引供電線，接觸網(wǎng)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(xù)不斷地從牽引供電系統(tǒng)中獲得能量。

同時，接觸網(wǎng)的類型也十分重要，接觸網(wǎng)類型一般分為架空式、三軌接觸網(wǎng)兩種類型。三軌接觸網(wǎng)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(jù)鄧迪禹［9］提出的城市軌道交通供電接觸網(wǎng)類型的比較，結合飛行客車自身考慮，接觸網(wǎng)選用簡單鏈型懸掛。

3.3.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)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(tǒng)主要由監(jiān)控安防子系統(tǒng)、無線通信子系統(tǒng)、時間測距子系統(tǒng)、廣播子系統(tǒng)組成。飛行客車控制系統(tǒng)的流程圖如圖5所示。

圖5 飛行客車控制系統(tǒng)流程圖

監(jiān)控安防子系統(tǒng)用于對機內(nèi)乘客的實時狀況進行監(jiān)控，將飛行客車上的各種情況發(fā)送至無線電通信子系統(tǒng)。無線電通信系統(tǒng)用于實現(xiàn)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(fā)送至時間測距子系統(tǒng)，另一方面，將飛行客車上情況發(fā)送到總控制中心。時間測距子系統(tǒng)內(nèi)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(fā)送至廣播子系統(tǒng)。廣播子系統(tǒng)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(tǒng)協(xié)助共同工作，構成了飛行客車的控制系統(tǒng)。

3.4 結構細節(jié)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(huán)境的適應性，伸縮桿可以在軌道上實現(xiàn)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(nèi)，用于飛行客車的操作臺、衛(wèi)生間、控制系統(tǒng)等用電設施，使飛行客車更加經(jīng)濟，降低運輸成本。

4 飛行客車工作機制

起飛前，發(fā)動機通過接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)獲得電能后，輔助式螺旋槳根據(jù)天氣等狀況，以及風力，來選擇適當?shù)男D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(wǎng)供電飛行客車起飛，同時，無線電通信子系統(tǒng)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(jù)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(wǎng)高架飛行客車平穩(wěn)、高速地運行。時間測距子系統(tǒng)根據(jù)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(tǒng)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(jù)前進的動力及風力等情況實時調(diào)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(wǎng)飛行客車平穩(wěn)、安全地降落至高架橋。廣播子系統(tǒng)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(qū)域設置隔離封閉設施。隔離封閉設施采用金屬網(wǎng)和刺鐵絲網(wǎng)作為隔離柵，其中。金屬網(wǎng)采用電焊網(wǎng)，對電焊網(wǎng)及刺鐵絲網(wǎng)的規(guī)格參數(shù)如表2和表3所示。

表2 電焊網(wǎng)規(guī)格

表3 刺鐵絲規(guī)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(jīng)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(jù)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(huán)保及A1級防火，且沒有污染與放射性物質(zhì)，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(yī)療箱、氧氣瓶等醫(yī)療設備，保障飛行客車在出現(xiàn)緊急情況時可以最大限度地保證乘客的財產(chǎn)及人身安全。

6 結語

本文所研究的風箏式接觸網(wǎng)飛行客車將飛機和火車的優(yōu)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(wǎng)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(jīng)濟發(fā)展。風箏式接觸網(wǎng)供電飛行客車是未來交通科技發(fā)展的一種趨勢，符合未來交通發(fā)展的需求。