助力飞行汽车梦想成真！碳纤维复合材料（CFRP）功不可没

　　01  引言

 

　　碳纤维密度小，比钢结构减重50%，比镁和铝合金结构减重30%；碳纤维的碰撞吸能效率是钢的6至7倍、铝的3至4倍。因此，碳纤维这种强度高而密度低的复合材料成为车企的不二选择。

 

　　近年来，随着我国汽车制造行业对环保节能要求的不断提高，汽车轻量化逐渐成为发展趋势。对于燃油车而言，轻量化有助于节能减排。汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%。对于新能源汽车而言，轻量化可以提升续航里程。研究表明，若新能源汽车减重100kg，续航里程将提升10%-11%，同时降低20%的电池成本和日常损耗成本。

 

　　除了轻量化这一不言而喻的优势外，碳纤维汽车零部件还能提高汽车的各种性能，如安全性能、驾驶性能、减震性能、疲劳耐久性能、耐候性能；由于碳纤维材料可设计性好，可将汽车零部件集成设计，简化装配；增加产品美感，提高产品的差异化竞争力，提升产品附加值。

 

　　由于空中飞行汽车（eVTOLs）主要以电池为动力系统，所以轻量化在多个方面都是必要的（即制造更轻的部件，并选择更少部件的设计）。除此之外，空中汽车对结构也有严格的要求。正因为如此，复合材料是空中汽车制造商一个明显的解决方案。

 

　　02  NEC公司的飞行汽车

 

　　

 

　　图1 NEC开发的飞行汽车

 

　　日本电气公司（NEC）在千叶县新设立的试验场中，首次对记者公开了其公司开发的新一代移动工具“飞行汽车”原型机。

 

　　报道称，在试验中，由碳纤维增强塑料(CFRP)轻量化的无人原型机在几分钟内上升到了约3米的高度，在空中稳定停留了大约一分钟。该公司表示，希望此技术在2023年实现物流运输的实用化。

 

　　试验机全长约3.9米，宽约3.7米，高约1.3米，依靠电池和马达驱动，使用四个旋转机翼飞行。由于使用了碳纤维复合材料(CFRP)作为硬壳式车身，所以试验机的重量被控制在了150公斤左右，据称它还可以承载300公斤左右的行李。但是此次飞行试验中并没有搭载人。

 

　　

 

　　图2 在千叶县试验场试验的样机

 

　　

 

　　图3 飞行汽车全长3.9米，宽3.7米，高1.3米

 

　　四个转子分别由输出功率为30kW的电机驱动，转子具有可变螺距的功能，用于姿势控制的是基于模型的PID控制。

 

　　动力采用聚合物锂二次电池，将96个电池单元每6个汇总为一个“堆栈”，串联连接16个堆栈，每个堆栈的容量为10Ah。

 

　　NEC公司国家安全解决方案事业部长冈田浩二说：“利用在航空航天和5G领域积累的经验和技术，将来提供自主飞行所需的管理基础是本次试制机开发的目标。”

 

　　

 

　　图4 飞行器的转子

 

　

 

　　图5 锂电池箱

 

　　03  日本SkyDrive公司的小型飞行汽车

 

　　日本爱知县丰田市SkyDrive公司向媒体展示了一架载人（双人）飞行汽车，车体采用由东丽公司提供的碳纤维复合材料（CRRP），这款产品长度在4米左右，目前还处于测试阶段。

 

　　面对日益拥堵的交通环境，由二维的地面交通升级为三维的空中交通确实是一个极佳的解决方案，而此次SkyDrive推出的飞行汽车就能很好的解决这个问题。

 

　　

 

　　图6 SkyDrive公司SD-03型飞行汽车

 

　　SkyDrive的发展愿景是让这款飞行汽车在2023前研发成功，不过目前这款产品的飞行时间仅为5-10分钟，如果其飞行时间能够突破30分钟，那么将具有极大的市场潜力。SkyDrive的目标是在2025年在大阪万博会上正式提供服务。在开发中，机体的轻量化是最重要的，东丽公司拥有的碳纤维复合材料(CFRP)为其提供了强有力的支持。

 

　　

 

　　图7 SkyDrive公司SD-05型

 

　　SD-05的航行不需要道路和铁路，也不用担心堵车或事故造成的延误。可以利用公园、车站广场、便利店、购物中心、大楼屋顶等现有设施进行起降。像汽车一样简单的操作，将来可通过智能手机操作和自主飞行，这样掀起一个移动性革命。

 

　　事实上，该公司的技术得到了全世界的高度评价。该本公司进行的公开载人飞行试验在世界112个国家被报道，在2022年9月于旧金山举行的世界最大规模的创业世界杯比赛中，在70多个国家和地区参加的情况下，SkyDrive获得了亚军。

 

　　SkyDrive飞行汽车的特点是：

 

　　①由于采用电动，成本低且低噪音；在150米上空飞行时的噪音，直升机为80分贝，而飞行汽车为65分贝，甚至比在地面相隔150米处行驶的轿车（69dB）都安静。

 

　　② 容易驾驶，也可以自动驾驶；

 

　　③因为可以垂直起降，所以可以实现点对点的移动，所需要的基础设施简单紧凑。

 

　　

 

　　图8 SkyDrive飞行试验

 

　　除此之外，SD-05还有很多其他优势。例如，机体的零件数在1——2万件左右。与大型客机的300万个和直升飞机机的10万个相比，零件数量大幅度减少。重量也只有普通直升机的三分之一左右，非常轻。因此可以大幅降低制造成本和维护成本，所以运营商可以低成本提供相应的服务。而且因为是电动的，所以CO2排放也为零，环境友好。

 

　　

 

　　图9 SkyDrive将亮相2025大阪世博会

 

　　虽然SD-05是SkyDrive的第一款将接受型号认证评估的车辆，但该公司表示，其生产型号将是新版本的SD-XX飞机。与SD-05一样，SD-XX将是一种全电动的两座个人eVTOL，配有八个螺旋桨。SkyDrive表示，SD-XX的最大巡航速度为100公里/小时 (62英里/小时)，飞行时间为20到30分钟，最大飞行高度为500米 (1640英尺)。

 

　　

 

　　图10 SkyDrive SD-XX型全碳纤维车身

 

 

　　城市空中出行是未来城市交通的重要组成部分，主要运用电动垂直起降飞行器进行人员或物资在低空城市内或短距城际间的运送。城市空中出行将大幅缓解城市的交通压力，让人员与物资以更高效更安全的方式到达目的地。

 

　　据摩根士丹利预测，全球飞行汽车市场规模将在2030年达到3000亿美元，2040年骤增至1.5万亿美元。