14 Zhang lei Flying Car development and its key

2019 国 际 电 动 航 空 论 坛 ( 石 家 庄 )
e-flight Forum 2019 (shijiazhuang)
飞 行 汽 车 发 展 及 其 关 键 技 术
Flying Car development and its key technologies
张 磊 / ZHANG Lei
清 华 大 学 车 辆 与 运 载 学 院
School of Vehicle and Mobility,Tsinghua University
2019 年 10 月 / October 2019

目 录 / Contents
一 飞 行 汽 车 发 展 背 景 / Background
二 飞 行 汽 车 发 展 现 状 / Status
三 飞 行 汽 车 主 要 瓶 颈 / Bottleneck
四 飞 行 汽 车 关 键 技 术 / Technologies

为 什 么 要 发 展 飞 行 汽 车 ?
Why ?
01 02 03
技 术 推 动
Technology possibility
需 求 牵 引
Market Demand
梦 想 激 励
Dream inspiration
汽 车 与 航 空 的 技 术 发 展
Automobile and aviation
technology development
解 决 城 市 交 通 拥 堵 的 需 求
Solving urban mobility congestion
人 类 像 鸟 一 样 飞 行 的 梦 想
Dream of human beings
flying like a bird

汽 车 技 术 发 展
Automobile Development
近 期 电 动 交 通
电 动 汽 车
中 期 智 能 交 通
智 能 汽 车
未 来 立 体 交 通
飞 行 汽 车
2020 年 代 2030 年 代 2050 年 代
汽 车 发 展 正 在 跨 入 电 动 汽 车 时 代 , 即 将 迎 来 智 能 汽 车 时 代 ; 陆 空 一 体 化 的
飞 行 汽 车 时 代 , 将 是 汽 车 技 术 电 动 化 、 智 能 化 之 后 的 必 然 发 展 。
Automobile development is entering the era of electric vehicles,
and will soon usher in the era of smart vehicles; the era of vehicles
integrated land and air will be the inevitable development trend
after vehicle electrification and intelligence.

航 空 技 术 发 展
Aviation Development
近 期 电 动 通 航
通 航 飞 行 器
中 期 空 中 交 通
空 中 出 租 车
未 来 立 体 交 通
飞 行 汽 车
2020 年 代 2030 年 代 2050 年 代
航 空 发 展 正 在 跨 入 电 动 通 用 航 空 时 代 , 即 将 迎 来 智 能 城 市 空 中 交 通 时 代 ; 陆
空 一 体 化 的 飞 行 汽 车 时 代 , 将 是 航 空 技 术 电 动 化 、 智 能 化 之 后 的 必 然 发 展 。
Aviation development is entering the era of electric general aviation,
and will soon usher in the era of urban air mobility; the era of air and
land integration will be the inevitable development of aviation
technology after electrification and intelligence.

汽 车 与 航 空 技 术 融 合 发 展
Technology Integration
汽 车 与 航 空 技 术 的 跨 界 渗 透 与 融 合 发
展 , 成 为 新 一 轮 科 技 革 命 和 产 业 革 命
的 大 趋 势 。
The cross-border penetration and
integration of automobile and aviation
technology has become a major trend in
the new round of technological and
industrial revolution.
飞 行 汽 车 发 展 背 景 1: 汽 车 与 航 空 技 术 的 跨 界
融 合 , 交 通 技 术 电 动 化 、 智 能 化 之 后 的 必 然
发 展 。
Flying car development background 1: The
cross-border integration of automobile and
aviation, the inevitable development after the
electrification & intelligence of transportation
technology.

城 市 交 通 拥 堵
Urban Traffic Congestion
北 京 平 均 每 天 拥 堵 时 间 约
1 小 时 40 分 钟 , 车 主 每 人
每 年 浪 费 在 交 通 拥 堵 近
420 小 时 。
The average daily
congestion time in
Beijing is about 1 hour
and 40 minutes. The
owner of the car is
wasted nearly 420
hours of traffic
congestion every year.

交 通 拥 堵 成 本
Traffic Congestion Cost
经 济 成 本
Economic
cost
北 京 车 主 平 均 每 月 要 为 交 通 拥 堵 买 单 375 元 。 北 京 因 为 堵 车 造 成 的 经 济 成 本 一
天 就 是 8000 多 万 , 相 当 于 每 年 近 300 亿 元 。
Car owners in Beijing pay an average of 375 Yuan per month for traffic
congestion. The economic cost of Beijing due to traffic jams is more
than 80 million a day, equivalent to nearly 30 billion Yuan per year.
环 境 成 本
Environm
ent cost
汽 车 缓 慢 行 驶 状 态 下 的 尾 气 排 放 量 是 快 速 行 驶 的 5 倍 。 北 京 “ 世 界 水 平 “ 的 交 通 拥 堵 造 就
了 ” 世 界 水 平 ” 的 空 气 污 染 , 严 重 威 胁 人 体 健 康 。
The exhaust emissions of the car in the slow driving state are five times faster
than the fast driving. Beijing’s “world-class” traffic congestion has created
“world-class” air pollution, which is a serious threat to human health.
社 会 成 本
Social
cost
交 通 拥 堵 增 加 通 勤 时 间 , 造 成 生 活 品 质 降 低 , 并 难 以 应 变 紧 急 状 态 。 交 通 拥 堵 还 会 导 致
严 重 的 心 理 焦 虑 , 增 加 事 故 率 和 犯 罪 率 。
Traffic congestion increases commuting time, resulting in lower quality of life
and difficulty in responding to emergencies. Traffic congestion can also lead to
serious psychological anxiety, increasing accident rates and crime rates.

飞 行 汽 车 解 决 交 通 拥 堵
Flying car is a solution
飞 行 汽 车 发 展 背 景 2: 飞 行 汽 车 将 道 路 从 地 面 拓 展 到
低 空 成 为 立 体 交 通 , 可 有 效 解 决 城 市 交 通 拥 堵 问 题 。
Flying cars will maximize the utilization of three-dimensional space in the existing urban
spatial pattern, and once urban traffic upgrades from the current two-dimensional space to
three-dimensional space, its resources will be multiplied and magnified, which can
effectively solve the current congestion problems in large cities.

人 类 飞 行 梦 想
Human Flight Dream
人 类 自 从 100 多 年 前 发 明 汽 车 和 飞 机 以 来 , 就 一 直 探 索 将 两 者 结 合 起 来 。
Since the invention of cars and airplanes more than 100 years ago,
humans have been exploring the combination of the two.
Flying cars
from
Science Fiction
to
Science Fact
飞 行 汽 车 发 展 背 景 3: 人 类 的 飞 行 梦 想 , 一 直 产 生 着 巨 大 的 激 励 作 用 , 将
促 使 飞 行 汽 车 从 科 幻 走 向 现 实 。
Flying car development background 3: The dream of human flight has
always produced a huge incentive, which will promote the flying car from
science fiction to reality.

目 录 / Contents
一 飞 行 汽 车 发 展 背 景 / Background
二 飞 行 汽 车 发 展 现 状 / Status
三 飞 行 汽 车 主 要 瓶 颈 / Bottleneck
四 飞 行 汽 车 关 键 技 术 / Technologies

飞 行 汽 车 研 究 发 展 现 状
Development Status of Flying Car
01 02 03
面 向 城 市 空 中 交 通
Urban Air mobility
电 动 垂 直 起 降 飞 行 器 ,
广 义 飞 行 汽 车
eVTOL vehicles,
General flying cars
面 向 未 来 立 体 交 通
Land-air integration mobility
汽 车 真 正 飞 起 来 ,
狭 义 飞 行 汽 车
Cars which can fly,
Special flying cars
面 向 特 种 装 备 发 展
Special platform development
陆 空 机 动 平 台 ,
特 种 飞 行 汽 车
Land-air integration
platform

面 向 城 市 空 中 交 通
Urban Air Mobility
基 于 汽 车 电 动 化 基 础 , 面 向 城 市 空 中 交 通 研 发 电 动 垂 直 起 降 飞 行 器
( 简 易 版 直 升 机 或 放 大 版 多 旋 翼 无 人 机 )。
Based on the basis of automotive electrification, the company
develops electric vertical take-off and landing aircraft for
urban air traffic (simple version helicopter or magnified
multi-rotor UAV).
美 国 波 音
欧 洲 空 客
日 本 NEC
中 国 亿 航

面 向 未 来 立 体 交 通
Future Land-air Integration Mobility
真 正 意 义 上 “ 汽 车 飞 起 来 ” 的 飞 行 汽 车 , 面 向 未 来 立 体 交 通 , 近 年 来 也 愈
来 愈 成 为 全 球 科 技 的 新 热 点 。
The cars which can fly up, facing the future of urban land-air
integration mobility, has become a new hotspot of global
technology in recent years.
中 国 吉 利 (Terrafugia)
斯 洛 伐 克 Aeromobil
Italdesign
荷 兰 PAL-V

面 向 特 种 装 备 发 展
Special platform
美 国 / 以 色 列 : 空 中 骡 子 , 在 美 国 DARPA 支 持 下 研 发 ,2015 年 试 飞
成 功 , 计 划 2021 年 开 始 列 装 部 队 。
US/Israel: Airborne scorpion, researched and developed
under the support of DARPA in the United States, successfully
tested in 2015, and plans to start assembling troops in 2021.

飞 行 汽 车 发 展 三 阶 段
Three Development Stages of Flying Cars
近 期 2020 年 代 中 期 2030 年 代 远 期 2050 年 代
电 动 通 用 航 空
Electric general
aviation
• 电 动 化 的 垂 直 起
降 飞 行 器 /eVTOL
vehicles
智 能 城 市 空 中 交 通
Intelligent urban
air mobility
• 智 能 化 的 电 动 垂 直
起 降 飞 行 /Intelligent
eVTOL vehicles
陆 空 一 体 立 体 交 通
Land-air integration
mobility
• 陆 空 一 体 的 智 能 飞
行 汽 车 / Land-air
integrated intelligent
flying vehicles
飞 行 汽 车 发 展 , 将 从 面 向 城 市 空 中 交 通 的 空 中 出 租 车 , 逐 渐
发 展 为 面 向 立 体 交 通 的 飞 行 汽 车 。
The development of flying vehicles will gradually
evolve from an air taxi for urban air mobility to a
flying car for future land- air integration mobility.

目 录 / Contents
一 飞 行 汽 车 发 展 背 景 / Background
二 飞 行 汽 车 发 展 现 状 / Status
三 飞 行 汽 车 主 要 瓶 颈 / Bottleneck
四 飞 行 汽 车 关 键 技 术 / Technologies

四 大 性 能 基 本 要 求
Four Major Performance Requirements
1 垂 直 起 降 / Vertical take-off
and landing
城 市 空 间 的 限 制 , 必 须
具 备 垂 直 起 降 功 能 ; 未
来 还 应 可 即 时 垂 直 起 降 ,
才 能 融 入 地 面 交 通 体 系 。
2 高 效 能 低 噪 声 空 中 飞 行 / High
efficiency and low noise flight
直 升 机 能 效 过 低 , 从 经 济
角 度 无 法 满 足 大 规 模 运 行
的 要 求 。 噪 声 是 限 制 城 市
空 中 交 通 发 展 的 重 要 因 素 。
3 良 好 地 面 行 驶 性 能 /
Good driving performance
作 为 未 来 陆 空 一 体 交 通
工 具 的 飞 行 汽 车 , 还 应
保 证 地 面 行 驶 时 的 良 好
制 动 性 、 平 顺 性 等 。
飞 行 汽 车
4 智 能 辅 助 驾 驶 /
Intelligent assisted driving
飞 行 驾 驶 培 训 , 将 严 重 约
束 城 市 空 中 交 通 的 发 展 。
智 能 辅 助 驾 驶 , 将 显 著 改
变 对 飞 行 驾 驶 的 技 能 要 求 。

1 动 力 推 进 技 术 瓶 颈
1 Power propulsion technology bottleneck
作 为 城 市 空 中 交 通 及 未 来 立 体 交 通 工 具 , 推 进 系 统 必 须 具 备 垂 直 起
降 功 能 , 且 功 重 比 高 、 效 能 高 、 噪 声 低 。
As urban air mobility vehicles, the propulsion system must
have the vertical take-off and landing ability, high powerto-weight
ratio, high efficiency, and low noise.

2 车 身 技 术 瓶 颈
2 Vehicle body technology bottleneck
垂 直 起 降 飞 行 器 产 生 升 力 的 能 耗 远 高 于 固 定 翼 飞 行 器 , 导 致 其 有 效 载 荷 小 、
能 耗 大 。 车 身 如 何 有 效 产 生 升 力 并 降 低 能 耗 ?
The energy consumption of the vertical take-off and landing
aircraft to generate lift is much higher than that of the fixedwing
aircraft, resulting in low payload and high energy
consumption. How can the vehicle body effectively generate lift
and reduce energy consumption?

3 底 盘 技 术 瓶 颈
3 Vehicle chassis technology bottleneck
未 来 立 体 交 通 的 飞 行 汽 车 应 有 车 辆 底 盘 , 才 能 保 证 地 面 行 驶 时 良 好 的 制 动
性 能 、 操 纵 稳 定 性 、 平 顺 性 。 底 盘 太 重 , 如 何 实 现 结 构 大 幅 度 轻 量 化 ?
Flying cars for future land-air integration mobility should have a
vehicle chassis to ensure good braking performance, steering
stability and smoothness when driving on the ground. The
traditional chassis is too heavy, how to design a lightweight
structure?

4 驾 驶 技 术 瓶 颈
4 Driving technology bottleneck
飞 行 汽 车 除 了 汽 车 地 面 智 能 驾 驶 外 , 还 面 临 着 起 飞 降 落 、 复 杂 气 象 环 境 及
近 地 空 间 感 知 的 飞 行 安 全 性 问 题 。 如 何 实 现 简 单 操 作 和 安 全 智 能 驾 驶 ?
In addition to car ground intelligent driving, flying cars also face
flight safety problems such as takeoff and landing, complex
meteorological environment and near-Earth space perception.
How to achieve simple operation and safe and intelligent
driving?

目 录 / Contents
一 飞 行 汽 车 发 展 背 景 / Background
二 飞 行 汽 车 发 展 历 程 / History
三 飞 行 汽 车 主 要 瓶 颈 / Bottleneck
四 飞 行 汽 车 关 键 技 术 / Technologies

飞 行 汽 车 关 键 技 术
Key Technologies of Flying Cars
柯 恩 达 效 应 升 力 门 : 在 地 面 行 驶 为 车 门 , 空 中 飞 行 时 则 展 开 为
机 翼 , 利 用 科 恩 达 效 应 有 效 产 生 低 速 飞 行 时 的 升 力 。
Coanda effect lift door: driving on the ground as a door, when
flying in the air, it is launched into a wing, using the Coanda effect
to effectively generate the lift at low speed.
高 比 推 力 涵 道 风 扇 : 高 比 推 力 、 低 噪 声 电 推 进 涵 道 风 扇 ; 涵 道 体 有 效
增 升 , 并 通 过 屏 蔽 桨 叶 提 高 系 统 及 人 员 的 安 全 性 。
High specific thrust ducted fan: high specific thrust, low noise electric
propulsion ducted fan; duct effectively provided lift force, and the safety of
the system and human is improved by shielding the blade.
多 功 能 电 动 轮 : 驱 动 、 制 动 、 转 向 和 减 震 多 功 能 集 成 体 , 从 而
可 取 消 底 盘 , 大 幅 减 轻 重 量 。
Multi-function electric wheel: multi-function integrated wheel for
driving, braking, steering and shock absorption, which eliminates
the chassis and greatly reduces weight.

1 柯 恩 达 效 应 升 力 门 技 术
1 Doors providing lift force based on Coanda effect
科 恩 达 效 应 : 附 壁 效 应 , 指 平 顺 流 动 流 体 经 过 具 有 一 定 弯 度 凸 表 面 的 时 候 ,
有 向 凸 表 面 吸 附 的 趋 向 。
Coanda effect: wall attachment effect, which refers to the tendency of a smooth
flowing fluid adsorbed to the convex surface of a body.
利 用 科 恩 达 效 应 , 可 增 加 低 速 的 附 壁 作 用 从 而 控 制 失 速 , 并 产 生 大 的 表 面
气 流 速 度 , 显 著 提 高 升 力 。
By Coanda effect, the low speed fluid will flow along the wall to control the stall,
and a large surface airflow velocity is generated, which significantly increases
the lift.

1 柯 恩 达 效 应 升 力 门 技 术
1 Doors providing lift force based on Coanda effect
若 单 个 车 门 1.2 平 方 米 , 在 10m/s 的 飞 行 速 度 下 , 按 升 力
系 数 7 算 , 两 个 车 门 可 产 生 约 100kgf 的 升 力 ; 在 20m/s 的
飞 行 速 度 下 , 按 升 力 系 数 6 计 算 , 两 个 车 门 可 产 生 约
350kgf 的 升 力 。
If a single door is 1.2 square meters, at the flight speed of 10
m/s, according to the lift coefficient of 7, the two doors can
generate a lift of about 100 kgf; at the flight speed of 20 m/s,
according to the lift coefficient of 6, two doors can generate
the lift force of about 350 kgf.
起 飞 重 量 1 吨 的 飞 行 汽 车 为 例 , 科 恩 达 效 应 升 力 门
在 80km/h 平 飞 速 度 时 产 生 的 升 力 可 达 350kgf, 降
低 平 飞 功 率 35%。
For example, a flying car of 1 ton can achieve the lift
force of 350 kgf at a speed of 80 km/h and the power
can be reduced by 35%.

2 高 比 推 力 涵 道 风 扇 技 术
2 High specific thrust ducted fan
提 出 并 发 展 考 虑 环 境 涡 量 效 应 的 涵 道 风 扇 设 计 理 论 与 技 术 , 设 计 涵 道 风 扇
系 统 的 比 推 力 综 合 指 标 达 12。
The theory and technology of ducted fan design considering the
environmental vortices influence are proposed and developed. The
specific thrust index of the ducted fan system is designed to be 12.

2 高 比 推 力 涵 道 风 扇 技 术
2 High specific thrust ducted fan
完 成 高 比 推 力 电 动 涵 道 风 扇 系 统 的 性 能 测 试 , 完 成 即 时 垂 直 起 降 功 能 的 原 理 验 证 。
The performance test of the high specific thrust electric ducted fan system
is completed, and the principle verification of the vertical take-off and
landing ability is completed.
桨 效 提 高
20% 以 上
噪 声 可 降 低
10 分 贝
实 验 表 明 , 高 比 推 力 涵 道 风 扇 技 术 效 率 提 高 20% 以 上 , 气 动 噪 声 可 降 低 10dB。
Experiments show that the technical efficiency of the high specific thrust
ducted fan is increased by more than 20%, and the aerodynamic noise can
be reduced by 10 dB.

3 多 功 能 电 动 轮 技 术
3 Multi-function electric wheel
电 动 化 可 减 轻 底 盘 重 量 50%。 多 功 能 电 动 轮 分 布 式 驱 动 技 术 取 消 集 中 电 驱
动 的 差 速 系 统 、 齿 轮 齿 条 传 动 机 构 和 空 气 悬 架 系 统 , 可 使 电 动 底 盘 进 一 步
减 重 >30%。
Usually electrification can reduce the weight of the chassis by 50%. The
distributed drive technology based on multi-function electric wheel
eliminates the differential system, the rack and pinion drive mechanism and
the air suspension system compared with the centralized electric drive
technology, which can further reduce the electric chassis by >30%.

3 多 功 能 电 动 轮 技 术
3 Multi-function electric wheel
研 发 出 多 功 能 电 动 轮 系 统 , 完 成 了 多 功 能 电 动 轮 系 统 的 稳 定 、 平 顺 地 地 面
行 驶 能 力 的 原 理 验 证 。 实 验 表 明 , 电 机 振 动 加 速 度 、 车 身 振 动 加 速 度 、 悬
架 动 挠 度 等 振 动 指 标 只 有 传 统 汽 车 五 分 之 一 的 水 平 。
A multi-functional electric wheel system was developed to complete the
principle verification of the stable and smooth ground driving. Experiments
show that the vibration index of motor vibration acceleration, body
vibration acceleration, suspension dynamic deflection and other vibrations
is only one-fifth of that of traditional cars.

结 束 语
谢
谢
THANK YOU