付皓天 王新月 何永明

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)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(yán)重，人們出行十分不便。以哈爾濱市為例，截至2017年，哈爾濱機(jī)動(dòng)車保有量有162萬(wàn)輛，并且還在以每年15%的速度增長(zhǎng)，導(dǎo)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(jié)構(gòu)、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(wú)法從根本上徹底解決交通擁堵的問(wèn)題。比亞迪提出“云軌”設(shè)計(jì)方案，即將軌道運(yùn)輸放在低空運(yùn)行，并且速度快、清潔環(huán)保、噪音?。?］，但此設(shè)計(jì)方案成本巨大，且與城市軌道交通線路會(huì)有一定的交叉和沖突點(diǎn)，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)可能會(huì)很不方便。

針對(duì)地面交擁堵的現(xiàn)狀，結(jié)合新型交通模式，本文提出了一種風(fēng)箏式接觸網(wǎng)供電飛行客車，它是結(jié)合了火車和飛機(jī)兩種交通工具的優(yōu)勢(shì)，可以在中低空高效工作。目前，飛行汽車領(lǐng)域關(guān)鍵瓶頸在于如何向飛行汽車提供電能［3］。而本文提出的風(fēng)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(yīng)問(wèn)題。該飛行客車由機(jī)身、螺旋槳、發(fā)動(dòng)機(jī)、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(yùn)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(yīng)急設(shè)施，保證飛行客車的正常運(yùn)行及乘客的財(cái)產(chǎn)及人身安全。綜上所述，飛行客車擁有速度較快、運(yùn)輸效率高、清潔環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，能更好地適應(yīng)未來(lái)的交通發(fā)展模式。

1 飛行客車設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀分析

目前，全世界范圍內(nèi)對(duì)于飛行汽車領(lǐng)域的研究很多，如旋翼飛行汽車、機(jī)翼可收縮式飛行汽車、機(jī)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(jí)可收縮式機(jī)翼，車身周圍安裝了4個(gè)涵道風(fēng)扇，減小對(duì)槳葉尖部的沖擊，減小噪聲［5］。

在國(guó)內(nèi)，飛行客車僅有吉利、蔚來(lái)等新能源汽車公司及航空、節(jié)能領(lǐng)域的學(xué)者在研究，在飛行客車方面，理論尚不成熟且研究進(jìn)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(jī)翼，在車身尾部安裝發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置，機(jī)身中部安裝有小型助推火箭。這種設(shè)計(jì)方式可以提高起飛速度，但其對(duì)于地形的要求較高，且無(wú)法高速、高載客量地運(yùn)行，投入成本較大。在國(guó)外，雖然有飛行客車相關(guān)概念的提出，但付諸實(shí)踐的科研機(jī)構(gòu)很少。俄羅斯研發(fā)的“飛行火車”最高時(shí)速可達(dá)600km/h［7］，但僅提出概念模型。國(guó)外飛行客車的概念模型如圖1所示。

圖1 國(guó)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(chǎng)地才能保證其安全、快速地運(yùn)行，但同時(shí)，飛行客車載客量較大，運(yùn)輸效率較高。上述國(guó)內(nèi)外對(duì)飛行客車領(lǐng)域都有一些研究，但其僅處于概念階段，并且針對(duì)飛行客車方面的研究十分稀少，因此，飛行客車的實(shí)現(xiàn)及推廣距未來(lái)還有一段距離。

2 風(fēng)箏式接觸網(wǎng)供電飛行客車研究設(shè)計(jì)路線

結(jié)合國(guó)內(nèi)外飛行客車研究的成果及可行性分析，本文設(shè)計(jì)的風(fēng)箏式接觸網(wǎng)供電飛行客車研究設(shè)計(jì)路線包括收集資料、建立模型、分析評(píng)估、結(jié)論評(píng)價(jià)4 個(gè)步驟。風(fēng)箏式接觸網(wǎng)供電飛行客車如圖2所示。

圖2 風(fēng)箏式接觸網(wǎng)供電飛行客車研究設(shè)計(jì)路線

3 風(fēng)箏式接觸網(wǎng)供電飛行客車結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)對(duì)風(fēng)箏式接觸網(wǎng)供電飛行客車模型的螺旋槳設(shè)計(jì)、接觸網(wǎng)類型的選用，以及控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)等問(wèn)題的研究、改進(jìn)、評(píng)價(jià)，最終形成了風(fēng)箏式接觸網(wǎng)供電飛行客車的結(jié)構(gòu)模型。

3.1 總體結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

風(fēng)箏式接觸網(wǎng)供電飛行客車由機(jī)身、螺旋槳、發(fā)動(dòng)機(jī)、接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，共同協(xié)作運(yùn)行。風(fēng)箏式接觸網(wǎng)供電飛行客車結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)給飛行客車輸送電能；發(fā)動(dòng)機(jī)主要負(fù)責(zé)將接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)輸送的電能一部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，給飛行客車提供動(dòng)力支持；螺旋槳主要負(fù)責(zé)將發(fā)動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為螺旋槳的升力、推力；控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控飛行客車實(shí)時(shí)情況、接收總控制中心指令、播報(bào)預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間及站點(diǎn)信息等。

圖3 風(fēng)箏式接觸網(wǎng)供電飛行客車結(jié)構(gòu)圖

3.2 各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)值估計(jì)

本文設(shè)計(jì)的風(fēng)箏式接觸網(wǎng)供電飛行客車的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)如表1所示。

表1 飛行客車參數(shù)估計(jì)值

3.3 具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 機(jī)身

機(jī)身主要采用重量較輕、強(qiáng)度很高、韌性很好、耐腐蝕性強(qiáng)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(jìn)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(jī)身兩側(cè)，用來(lái)提供上升的動(dòng)力。其中，上升式螺旋槳共有4個(gè)，可按實(shí)際情況增加，且螺旋槳外有一層保護(hù)裝置，避免飛行客車空中作業(yè)時(shí)由于鳥(niǎo)類、樹(shù)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(yùn)行，如圖4中1（上升式螺旋槳）所示。

前進(jìn)式螺旋槳安裝在尾翼，用來(lái)提供前進(jìn)的動(dòng)力，如圖4中4（前進(jìn)式螺旋槳）所示。

輔助式螺旋槳安裝在機(jī)身中部，該螺旋槳方向可發(fā)生改變，用來(lái)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(fēng)力檢測(cè)器，可根據(jù)所測(cè)得的溫度、濕度來(lái)判斷天氣狀況，以及根據(jù)風(fēng)力自動(dòng)調(diào)整旋轉(zhuǎn)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(jié)合本文所提出的飛行客車，將螺旋槳設(shè)計(jì)為可折疊的形式，一方面，可以有效地適應(yīng)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(jī)身的角度，減小飛行客車的實(shí)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(jī)身尾部，用來(lái)協(xié)助其他螺旋槳控制方向，該螺旋槳可以旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)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(yīng)大多數(shù)復(fù)雜地形，提高飛行客車的適用性。同時(shí)，螺旋槳作為推進(jìn)器，也可以提高飛行客車的行駛速度和服務(wù)效率，增加乘客的旅行體驗(yàn)。

3.3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)位于機(jī)身內(nèi)部，采用牽引電機(jī)作為動(dòng)力裝置，其能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)飛行客車運(yùn)行。發(fā)動(dòng)機(jī)從接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)中獲得電能，將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)飛行客車正常運(yùn)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(shè)在運(yùn)行路線上。接觸網(wǎng)的電壓等級(jí)比較高，一般在27kV 左右，而牽引變電所負(fù)責(zé)將電網(wǎng)傳輸過(guò)來(lái)的電能轉(zhuǎn)換為適合風(fēng)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(guò)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(chǔ)構(gòu)成，其中，接觸懸掛包括接觸線、吊弦、承力索及連接零件構(gòu)成。接觸線負(fù)責(zé)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(shí)，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(hù)麻煩。而架空式又分為剛體懸掛、鏈型懸掛及簡(jiǎn)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(jié)合飛行客車自身考慮，接觸網(wǎng)選用簡(jiǎn)單鏈型懸掛。

3.3.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要保證實(shí)時(shí)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(wú)線通信子系統(tǒng)、時(shí)間測(cè)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(duì)機(jī)內(nèi)乘客的實(shí)時(shí)狀況進(jìn)行監(jiān)控，將飛行客車上的各種情況發(fā)送至無(wú)線電通信子系統(tǒng)。無(wú)線電通信系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)機(jī)地之間實(shí)時(shí)的信息交換，一方面，及時(shí)獲取站點(diǎn)位置信息且發(fā)送至?xí)r間測(cè)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(shí)間測(cè)距子系統(tǒng)內(nèi)置有測(cè)距傳感器，用于測(cè)量飛行客車與最近站點(diǎn)之間的距離，從而測(cè)算預(yù)計(jì)到站時(shí)間，將信息發(fā)送至廣播子系統(tǒng)。廣播子系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)播報(bào)到站出站信息，以及對(duì)飛行客車上的緊急情況進(jìn)行實(shí)時(shí)播報(bào)。各個(gè)子系統(tǒng)協(xié)助共同工作，構(gòu)成了飛行客車的控制系統(tǒng)。

3.4 結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

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(duì)周圍環(huán)境的適應(yīng)性，伸縮桿可以在軌道上實(shí)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(qiáng)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(guò)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(yáng)能光伏板

飛行客車機(jī)身頂部鋪設(shè)有太陽(yáng)能光伏板，白天吸收太陽(yáng)能，通過(guò)太陽(yáng)能光伏板儲(chǔ)存在飛行客車內(nèi)，用于飛行客車的操作臺(tái)、衛(wèi)生間、控制系統(tǒng)等用電設(shè)施，使飛行客車更加經(jīng)濟(jì)，降低運(yùn)輸成本。

4 飛行客車工作機(jī)制

起飛前，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)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(fēng)力，來(lái)選擇適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)角度，以輔助其他螺旋槳提供升力或前進(jìn)力。上升式螺旋槳、輔助式螺旋槳、前進(jìn)式螺旋槳、方向式螺旋槳共同工作，使風(fēng)箏式接觸網(wǎng)供電飛行客車起飛，同時(shí)，無(wú)線電通信子系統(tǒng)確定飛行客車具體位置及最近站點(diǎn)位置信息。

飛行時(shí)，方向式螺旋槳開(kāi)始工作，同時(shí)輔助式螺旋槳根據(jù)飛行時(shí)機(jī)身所受阻力、重力及自身速度的狀況來(lái)選擇合適的旋轉(zhuǎn)角度，以來(lái)向飛行客車提供升力，前進(jìn)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(jìn)式螺旋槳共同工作，使風(fēng)箏式接觸網(wǎng)高架飛行客車平穩(wěn)、高速地運(yùn)行。時(shí)間測(cè)距子系統(tǒng)根據(jù)飛行客車實(shí)際速度估算到達(dá)各個(gè)站點(diǎn)的預(yù)計(jì)時(shí)間，并通過(guò)廣播子系統(tǒng)實(shí)時(shí)向乘客播報(bào)。

降落時(shí)，前進(jìn)式螺旋槳提前停止工作，同時(shí)輔助式螺旋槳根據(jù)前進(jìn)的動(dòng)力及風(fēng)力等情況實(shí)時(shí)調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度以抵消前進(jìn)的動(dòng)力，待前進(jìn)的動(dòng)力消失時(shí)，方向式螺旋槳與上升式螺旋槳及伸縮桿共同工作，使風(fēng)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(shí)時(shí)播報(bào)所在站點(diǎn)、下一站到達(dá)時(shí)間、等待時(shí)間等信息。

5 交通設(shè)施設(shè)計(jì)

飛行客車的正常運(yùn)行離不開(kāi)完善的交通工程設(shè)施，飛行客車整體的交通設(shè)施包括隔離封閉設(shè)施、降噪設(shè)施及應(yīng)急設(shè)施。

5.1 隔離封閉設(shè)施

飛行客車由于采用螺旋槳作為其動(dòng)力設(shè)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(shè)置隔離封閉設(shè)施。隔離封閉設(shè)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(duì)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(shè)施

飛行客車運(yùn)行時(shí)工作時(shí)，由于螺旋槳額旋轉(zhuǎn)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(wèn)題。劉遠(yuǎn)強(qiáng)［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(guò)試驗(yàn)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(guò)小可能導(dǎo)致飛行客車無(wú)法正常工作，因此，在降噪的同時(shí)，也要考慮螺旋槳拉力因素。根據(jù)劉遠(yuǎn)強(qiáng)提出的不同葉尖螺旋槳噪聲特性，當(dāng)風(fēng)速在30m/s、螺旋槳轉(zhuǎn)速為3900r/min時(shí)，在3種螺旋槳中，平直葉尖螺旋槳的拉力最大，且結(jié)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(shè)立隔音板等降噪設(shè)施，其中，隔音板采用JMG-L16復(fù)合阻尼隔音板，其擁有E1級(jí)環(huán)保及A1級(jí)防火，且沒(méi)有污染與放射性物質(zhì)，方便耐用，易于安裝拆卸。

5.3 應(yīng)急設(shè)施

除了上述設(shè)施外，飛行客車還配備了應(yīng)急裝置，包括滅火瓶、防煙面罩、煙霧檢測(cè)器、煙霧報(bào)警器、自動(dòng)滅火器等防火防煙設(shè)備，以及防疫包、醫(yī)療箱、氧氣瓶等醫(yī)療設(shè)備，保障飛行客車在出現(xiàn)緊急情況時(shí)可以最大限度地保證乘客的財(cái)產(chǎn)及人身安全。

6 結(jié)語(yǔ)

本文所研究的風(fēng)箏式接觸網(wǎng)飛行客車將飛機(jī)和火車的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)想出一種類似能飛行的“火車”。從研究設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)組成及工作機(jī)制等方面，風(fēng)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(yùn)輸工具，它能提高運(yùn)輸效率促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。風(fēng)箏式接觸網(wǎng)供電飛行客車是未來(lái)交通科技發(fā)展的一種趨勢(shì)，符合未來(lái)交通發(fā)展的需求。