张扬军1，钱煜平1，诸葛伟林1，张 磊2，彭 杰2，徐 彬3，王泽兴4（1. 清华大学车辆与运载学院，北京 100084，中国；2. 清华大学航天航空学院，北京 100084，中国；3. 北京理工大学特种车辆研究所，北京 100081，中国；4. 国家新能源汽车技术创新中心，北京 100176，中国）
摘要：飞行汽车作为面向城市空中交通和未来出行的新型交通工具，正日益受到汽车和航空领域的
重视，成为汽车和航空技术与产业跨界融合的重要发展趋势。该文介绍了飞行汽车的内涵及城市空中
交通（UAM）概念的兴起，阐述了飞行汽车早期梦想的探索历程、面向城市空中交通的研究现状，以
及未来将在全新智慧出行交通体系下实现大众化汽车“飞”起来的发展趋势；论述了飞行汽车发展的高
功率密度电动推进、高升阻比轻质车体和低空飞行智能驾驶等主要性能瓶颈和关键技术；提出了中国
飞行汽车的阶段性发展目标和构建汽车与航空跨界融合技术创新体系，以及重点推动城市空中交通和
应急救援等领域示范应用的发展建议。
关键词：飞行汽车；电动汽车；电动航空；城市空中交通（UAM）；未来智慧出行
中图分类号： V 211.5 文献标志码： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2020.01.001
Progress and key technologies of flying cars
ZHANG Yangjun1, QIAN Yuping1, ZHUGE Weilin1, ZHANG Lei2, PENG Jie2, XU Bin3, WANG Zexing4（1. School of Vehicle and Mobility, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2.School of Aerospace Engineering ,
Tsinghua University, Beijing 100084, China; 3. Vehicle Research Center, Beijing Institute of Technology, 4. National New
Energy Vehicle Technology Innovation Center, Beijing 100176, China）
Abstract: Flying cars as a new type of vehicle for urban air transportation and future travel, are getting more
and more attention in the automotive and aeronautical fields, it has become an important development trend
for the transborder integration of automotive and aeronautical technology and industry. This article introduces
the connotation of flying cars and the rise of the urban air mobility (UAM) concept. It describes more than
one hundred years of a practical exploration process of flying cars and then represents the current research
status for UAM of airbuses and air-taxis along with the future development trend of intelligent transportation
of air-land amphibious vehicles. Moreover, it discusses the major bottlenecks and impediments confronting
the development of flying cars. In addition to the high power density electric propulsion, high lift-drag ratio
and lightweight body structure, and low-attitude flight intelligent driving, as the main approaches and key
technologies break through the bottleneck performance of flying cars. Furthermore, it proposes the three-stage
收稿日期/received ：2020-02-29。
基金项目 / Supported by ：国家自然科学基金(U1864212)。
第一作者 / First author ：张扬军（1967—），男（汉），北京，教授。E-mail：yjzhang@tsinghua.edu。
第二作者 / Second author ：钱煜平（1984—），男（汉），北京，助理研究员。E-mail：qianyuping@tsinghua.edu。
goals and vision for the development of flying cars in China, and suggests to build a flying vehicle technology innovation system that integrates automotive and aviation transboundary, and to promote the demonstration application of flying cars in urban air transportation and emergency rescue as the key breakthrough for the near future development of the flying car.
Keywords: flying car; electric vehicle; electric aircraft; urban air mobility (UAM); future smart mobility.
美国优步（Uber ）公司于2016年10月发布了《快速飞入城市空中交通白皮书》，指出正如摩天大楼可以更有效利用有限的城市土地一样，城市空中交通将利用三维空域缓解地面的交通拥堵；基于飞行汽车（空中巴士、空中出租车、电动垂直起降飞行器）构成的网络，将能够在郊区和城市之间，并最终在市内实现迅速而可靠的交通。该白皮书具体介绍了城市空中交通应用的前景预测、应用模式和技术规划等。优步以互联网企业思维和作风，加上强大的号召力和资本能力，迅速掀起
1 飞行汽车与城市空中交通
传统飞行汽车的概念，是指地面行驶的汽车同时具备空中飞行的功能，即汽车“飞”起来的陆空两栖交通工具。近年来随着城市空中交通[1](urban air mobility ，UAM ）概念的兴起（图1），用于解决城市交通拥堵问题、仅具有空中飞行功能的电动垂直起降飞行器（electric vertical takeoff and landing, eVTOL ）亦称为飞行汽车[2-3]，飞行汽车概念的内涵拓展为具有陆空两栖功能或用于城市空中交通的运载工具。飞行汽车具有空中飞行功能，有别于传统具有地面行驶功能的汽车；作为城市空中交通工具必须满足城市噪声和排放控制要求，且具有垂直起降功能，因此飞行汽车也有别于普通的航空飞行器。如图2所示，飞行汽车按照起降方式可分为滑跑飞行起降飞行汽车和垂直起降飞行汽车2大类，按照动力型式又可分为燃动飞行汽车和电动飞行汽车。
图1 城市空中交通系统[1]
(a) 按起降方式分类
(b) 按照动力型式分类
图2 飞行汽车分类
了全球范围内面向城市空中交通的飞行汽车投资和研发热潮[4-5]。
美国航空航天局（NASA ）于2018年11月发布了由
多家研究机构合作撰写的城市空中交通发展报告，城市空中交通这一概念被定义为“城市内适用于载人飞行器和无人飞行器系统的安全高效交通运作方式”，提出了末端配送、空中巴士和空中出租车等3种典型且最具挑战性的城市空中交通应用场景，以2030年作为一个时间点，详细分析了这3种城市空中交通应用场景的盈利性、消费者接受度，并同时关注技术、监管和基础设施方面可能的挑战[6-7]。
韩国产业通商资源部等多个部委于2019年10月联合发布了《2030未来汽车产业发展战略》，将新能源汽车、自动驾驶汽车和飞行汽车作为韩国未来交通出
3
张扬军，等：飞行汽车的研究发展与关键技术行领域的重点布局[8]。韩国成为世界上第1个将飞行汽车和城市空中交通列为国家产业发展战略的国家，按照产业发展战略，韩国计划在2023年之前建立飞行汽车路线系统并制定安全规则，从2025年开始提供个人飞行汽车业务，到了2030年自动驾驶的飞行出租车和救护车将投入使用。
中国亿航公司于2020年1月发布了《未来交通—城市空中交通系统白皮书》，提出安全、智能和集管理是现代城市空中交通3个最基本的理念，城市空中交通将非常流畅、智能、高效和环保，即将到来的5G 时代将进一步强化城市空中交通平台[9]。指出城市空中交通飞行汽车进一步可在地面基础设施比较薄弱的乡郊和农村地区拓展应用。除交通运输外，城市空中交通飞行汽车在旅游、行业应用、医疗救护、消防灭火、应急救援及公共安全等特定场景也将发挥积极作用。
飞行汽车作为面向城市空中交通和未来出行的新型交通工具，正日益受到航空和汽车领域的重视，成为航空与汽车技术与产业跨界融合的重要发展趋势。罗兰贝格（Roland Berger ）公司在2018年11月发布的 《城市空中交通——一种新型交通方式的兴起》 研究报告中，预测到2025年将有3 000架飞行汽车投入使用，随后呈指数增长；预测到2050年全球范围内将有近10万架飞行汽车用作空中出租车、机场班车和城际航班服务[10]。摩根士丹利
（Morgan Stanley ）公司在2018年12月发布的公司蓝皮书估算，2040年全球城市空中交通的产业规模将达到1.5万亿美元[11]（图3）。
“奇肱国制飞车，游行半空，日可万里”。1 600多年前晋朝葛洪在其编著的《抱朴子》中，详细记载了他研制用于山间交通的飞车工具：“用枣心木为飞车，以牛革结环剑以引其机，或存念作五蛇六龙，三牛交罡而乘之，上升四十里，名为太清。太清之中，其气甚罡，能胜人也”，目前在北京中国国家博物馆里展有葛洪的飞车复制模型。清朝乾隆年间李汝珍小说《镜花缘》 第66回合94回中都有关于飞车的生动描述：“长不满四尺，宽约二尺有余，系用柳木如窗棂式做成，极其轻巧，周围用蛟销为缦，车内四面安着指南针。车后拖一小木，如船舵一般。…… 将钥匙开了，运动机关。…… 转眼间，离地数尺，直朝上升，约有十余丈高”；“此车可容二人，每日能行二三千里。若遇顺风，亦可行万里”。18世纪早期李汝珍笔下的飞车，可算得上最早描写飞车的科幻小说，比19世纪初西方最早描写飞车的Jules Verne 所著科幻小说《世界之王》 早了近一个世纪。
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飞行汽车实践探索。1906 年罗马尼亚人Tarian Vuia 在法国巴黎进行了他的飞机汽车airplane-car 首次飞行，该飞机汽车是在简单的汽车结构上添加了两个翅翼[13]；
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1款飞行汽车，Curtis 亦被称为飞行汽车之父。1946年美国人Robert Edison Fulton Jr. 探索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；1949年美国人Moulton Taylor 研制出第1款可正常行驶及飞行的飞行汽车Aerocar ，可快速完成陆空状态转换，为第2款获得适航认证的飞行汽车。1970年美国福特汽车公司曾计划量产Aerocar 系列，但项目因长时间的石油危机而搁浅；1958年美国Piasecki Aircraft 公司为美国军方设计了飞行汽车VZ-8 Airgeep ，为首款垂直起降飞行汽车，涵道风
扇推进动力来自于2台300 kW 涡轴发动机，空载质量1.17 t ，可承载3人，飞行速度137 km/h [14]；2009年美国Terrafugia 公司设计出机翼折叠式飞行汽车Transition ，成为第1款具有商业前景的飞行汽车，该款飞行汽车可乘坐2人，最大飞行速度约160 km/h ，最大飞行高度可达3 000 m [15]；2017年中国吉利公司收购Terrafugia 公司，宣布将实现Transition 飞行汽车量产。近年来随着科技水平的迅猛发展，世界各地涌现出一些具有代表性的飞行汽车设计，如以列Urban
0.0
0.4
0.8
1.2
1.62020
2025
2030
2035
2040
产业规模/ （万亿美元）
年份
图3 城市空中交通全球市场预测[11]
2 发展历程、研究现状与发展趋势
2.1 飞行汽车早期梦想与百年探索
人类最早对飞行汽车的梦想，可追溯到距今4 000多年前中国先秦《山海经》 里关于“奇肱飞车”的传说[12]:
汽车安全与节能学报4第11卷 第1期 2020年
Aeronautics 公司的Airmule 和X-Hawk ，荷兰PAL-V 公司的PAL-V Liberty ，斯洛伐克AeroMobil 公司的AeroMobil ，中国亿航公司的Ehang 216，以及酷黑科技公司的FulMars 等。
20世纪以来的百年多飞行汽车实践探索，通过汽车与飞机的结合，设计同时具备地面行驶和空中飞行功能的汽车，这个阶段让汽车“飞”起来主要是基于人类飞行梦想的激励。这种采用内燃机或涡轮机作为动力，具有陆空两栖功能的燃动飞行汽车，虽然当前还难以融入地面交通运输体系，但随着技术和产品的发展，应可在应急救援和国防军事等领域做出重要贡献。
2.2 面向城市空中交通的飞行汽车研究
进入21世纪，交通拥堵成为各大城市普遍面临的难题。传统的修高架路和地下隧道等举措，已难以有效解决城市拥堵的交通流网络化效应问题，迫切需要利用城市三维空域来缓解地面交通拥堵问题，而电动推进、智能驾驶和通信网络技术的发展，为发展城市空中交通奠定了较好的技术基础。飞行汽车作为面向城市空中交通的新型交通工具，也由最初的个人梦想家的小范围实践，发展到受到航空和汽车两大领域的重视，并成为资本市场和新兴科技公司关注的热点。
突出飞行模式优势且具有垂直起降功能的电动飞行汽车，成为当今世界飞行汽车研发的主流。波音、空客、贝尔、巴西航空、中航工业等传统航空企业巨头均已布局电动飞行汽车的研发[16-17]。航空企业面向城市空中交通研发的典型电动飞行汽车产品如表1所示，其中首飞时间指全尺寸样机首飞时间。
表1
航空企业电动飞行汽车研发
电动汽车的发展，不仅为电动航空奠定了较好的技术与产业基础，飞行汽车亦被认为是汽车技术电动化、智能化之后的必然发展，吉利、奥迪、现代、丰田、特斯拉等汽车企业也都纷纷加入飞行汽车研发的行列（见表2）。
表2
汽车企业电动飞行汽车研发
亿航等新兴科技公司，更是面向城市空中交通的电动飞行汽车研发主力军，表3给出了获得过亿美元融资的代表性新兴科技公司研发的电动飞行汽车情况。据不完全统计，目前全球共有200多家科技创新公司正在研发电动飞行汽车。
美国航空航天局2018年11月发布的城市空中交通发展报告中，空中巴士应用场景为类似地铁和巴士的固
5汽车技术
张扬军，等：飞行汽车的研究发展与关键技术
定路线，每次搭载3名乘客，平均飞行20 min ，航程15~110 km ；空中出租车应用场景为按需即时的门到门飞行服务，每次搭载1名乘客，平均飞行10 min ，航程15~110 km 。目前国内外电动飞行汽车的研发，主要以城市空中交通的空中出租车和空中巴士为应用场景，重点集中在飞行汽车的技术路线探索、原理样机研发与飞行测试验证等几个方面。图4给出了典型电动飞行汽车的最大起飞重量与航程分布。
突出飞行模式优势，但随着汽车和航空电动化、智能化技术的跨界渗透与融合发展，智能交通设施的不断发展和完善，未来飞行汽车的地面行驶属性必将得到实现和强化，人类将在全新的智慧出行交通体系下重新回归和实现关于汽车“飞”起来的梦想。
飞行汽车的发展可分为3个阶段，如图5所示。从早期梦想探索的以燃动滑跑起降为基本特征的燃动飞行汽车，到如今面向城市空中交通的以电动垂直起降为基本特征的电动飞行汽车，将逐渐发展为面向未来智慧出行的以陆空两栖智能驾驶为基本特征的智能飞行汽车。
城市空中交通将逐渐进入示范与商业运行，这个
阶段以空中巴士和空中出租车等公共交通为特征。因为技术、成本、安全和监管等多方面的因素，2030年前的城市空中交通将主要发展固定线路的空中巴士。2030年左右，随着飞行汽车的性能提高、制造和使用成本有效降低、城市空中交通智能管理技术和体系的完善和发展，门对门按需出行的空中出租车将
得到推广应用。
地面汽车交通在2030年左右跨入智能汽车时代后，将开启与城市智能空中交通的融合过程。预计到2050年左右，飞行汽车的发展将从公共交通领域进入私人交通领域，陆空两栖的智能飞行汽车将开启大众化应用，人类将迎来地面智能交通与城市空中交通融为一体的未来智慧出行时代。
3 飞行汽车的主要瓶颈与关键技术
飞行汽车应用于城市空中交通和未来出行，将面临飞行汽车性能、适航认证、空中交通管理和市场运
表3
新兴科技公司典型电动飞行汽车研发
1
2
3
最大起飞质量 / t
最大航程/ km
图4 典型电动飞行汽车的最大起飞重量与航程分布
2.3 飞行汽车与未来智慧出行
电动飞行汽车的发展，即将开启城市空中交通时代。空中巴士、空中出租车等垂直起降型电动飞行汽车的示范与商业化应用，也将为地面交通的汽车“飞”起来奠定技术、法规、监管等基础。虽然目前的技术和应用场景更优先支持飞行汽车的空中飞行功能属性、
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