01 引言
碳纖維密度小，比鋼結(jié)構(gòu)減重50%，比鎂和鋁合金結(jié)構(gòu)減重30%；碳纖維的碰撞吸能效率是鋼的6至7倍、鋁的3至4倍。因此，碳纖維這種強(qiáng)度高而密度低的復(fù)合材料成為車(chē)企的不二選擇。
近年來(lái)，隨著我國(guó)汽車(chē)制造行業(yè)對(duì)環(huán)保節(jié)能要求的不斷提高，汽車(chē)輕量化逐漸成為發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于燃油車(chē)而言，輕量化有助于節(jié)能減排。汽車(chē)整車(chē)重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%。對(duì)于新能源汽車(chē)而言，輕量化可以提升續(xù)航里程。研究表明，若新能源汽車(chē)減重100kg，續(xù)航里程將提升10%-11%，同時(shí)降低20%的電池成本和日常損耗成本。
除了輕量化這一不言而喻的優(yōu)勢(shì)外，碳纖維汽車(chē)零部件還能提高汽車(chē)的各種性能，如安全性能、駕駛性能、減震性能、疲勞耐久性能、耐候性能；由于碳纖維材料可設(shè)計(jì)性好，可將汽車(chē)零部件集成設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化裝配；增加產(chǎn)品美感，提高產(chǎn)品的差異化競(jìng)爭(zhēng)力，提升產(chǎn)品附加值。
由于空中飛行汽車(chē)（eVTOLs）主要以電池為動(dòng)力系統(tǒng)，所以輕量化在多個(gè)方面都是必要的（即制造更輕的部件，并選擇更少部件的設(shè)計(jì)）。除此之外，空中汽車(chē)對(duì)結(jié)構(gòu)也有嚴(yán)格的要求。正因?yàn)槿绱耍瑥?fù)合材料是空中汽車(chē)制造商一個(gè)明顯的解決方案。
02 NEC公司的飛行汽車(chē)
圖1 NEC開(kāi)發(fā)的飛行汽車(chē)
日本電氣公司（NEC）在千葉縣新設(shè)立的試驗(yàn)場(chǎng)中，首次對(duì)記者公開(kāi)了其公司開(kāi)發(fā)的新一代移動(dòng)工具“飛行汽車(chē)”原型機(jī)。
報(bào)道稱(chēng)，在試驗(yàn)中，由碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)輕量化的無(wú)人原型機(jī)在幾分鐘內(nèi)上升到了約3米的高度，在空中穩(wěn)定停留了大約一分鐘。該公司表示，希望此技術(shù)在2023年實(shí)現(xiàn)物流運(yùn)輸?shù)膶?shí)用化。
試驗(yàn)機(jī)全長(zhǎng)約3.9米，寬約3.7米，高約1.3米，依靠電池和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，使用四個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)翼飛行。由于使用了碳纖維復(fù)合材料(CFRP)作為硬殼式車(chē)身，所以試驗(yàn)機(jī)的重量被控制在了150公斤左右，據(jù)稱(chēng)它還可以承載300公斤左右的行李。但是此次飛行試驗(yàn)中并沒(méi)有搭載人。
圖2 在千葉縣試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)的樣機(jī)
圖3 飛行汽車(chē)全長(zhǎng)3.9米，寬3.7米，高1.3米
四個(gè)轉(zhuǎn)子分別由輸出功率為30kW的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)子具有可變螺距的功能，用于姿勢(shì)控制的是基于模型的PID控制。
動(dòng)力采用聚合物鋰二次電池，將96個(gè)電池單元每6個(gè)匯總為一個(gè)“堆棧”，串聯(lián)連接16個(gè)堆棧，每個(gè)堆棧的容量為10Ah。
NEC公司國(guó)家安全解決方案事業(yè)部長(zhǎng)岡田浩二說(shuō)：“利用在航空航天和5G領(lǐng)域積累的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，將來(lái)提供自主飛行所需的管理基礎(chǔ)是本次試制機(jī)開(kāi)發(fā)的目標(biāo)。”
圖4 飛行器的轉(zhuǎn)子
圖5 鋰電池箱
03 日本SkyDrive公司的小型飛行汽車(chē)
日本愛(ài)知縣豐田市SkyDrive公司向媒體展示了一架載人（雙人）飛行汽車(chē)，車(chē)體采用由東麗公司提供的碳纖維復(fù)合材料（CRRP），這款產(chǎn)品長(zhǎng)度在4米左右，目前還處于測(cè)試階段。
面對(duì)日益擁堵的交通環(huán)境，由二維的地面交通升級(jí)為三維的空中交通確實(shí)是一個(gè)極佳的解決方案，而此次SkyDrive推出的飛行汽車(chē)就能很好的解決這個(gè)問(wèn)題。
圖6 SkyDrive公司SD-03型飛行汽車(chē)
SkyDrive的發(fā)展愿景是讓這款飛行汽車(chē)在2023前研發(fā)成功，不過(guò)目前這款產(chǎn)品的飛行時(shí)間僅為5-10分鐘，如果其飛行時(shí)間能夠突破30分鐘，那么將具有極大的市場(chǎng)潛力。SkyDrive的目標(biāo)是在2025年在大阪萬(wàn)博會(huì)上正式提供服務(wù)。在開(kāi)發(fā)中，機(jī)體的輕量化是最重要的，東麗公司擁有的碳纖維復(fù)合材料(CFRP)為其提供了強(qiáng)有力的支持。
圖7 SkyDrive公司SD-05型
SD-05的航行不需要道路和鐵路，也不用擔(dān)心堵車(chē)或事故造成的延誤。可以利用公園、車(chē)站廣場(chǎng)、便利店、購(gòu)物中心、大樓屋頂?shù)痊F(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行起降。像汽車(chē)一樣簡(jiǎn)單的操作，將來(lái)可通過(guò)智能手機(jī)操作和自主飛行，這樣掀起一個(gè)移動(dòng)性革命。
事實(shí)上，該公司的技術(shù)得到了全世界的高度評(píng)價(jià)。該本公司進(jìn)行的公開(kāi)載人飛行試驗(yàn)在世界112個(gè)國(guó)家被報(bào)道，在2022年9月于舊金山舉行的世界最大規(guī)模的創(chuàng)業(yè)世界杯比賽中，在70多個(gè)國(guó)家和地區(qū)參加的情況下，SkyDrive獲得了亞軍。
SkyDrive飛行汽車(chē)的特點(diǎn)是：
①由于采用電動(dòng)，成本低且低噪音；在150米上空飛行時(shí)的噪音，直升機(jī)為80分貝，而飛行汽車(chē)為65分貝，甚至比在地面相隔150米處行駛的轎車(chē)（69dB）都安靜。
② 容易駕駛，也可以自動(dòng)駕駛；
③因?yàn)榭梢源怪逼鸾担钥梢詫?shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的移動(dòng)，所需要的基礎(chǔ)設(shè)施簡(jiǎn)單緊湊。
圖8 SkyDrive飛行試驗(yàn)
除此之外，SD-05還有很多其他優(yōu)勢(shì)。例如，機(jī)體的零件數(shù)在1——2萬(wàn)件左右。與大型客機(jī)的300萬(wàn)個(gè)和直升飛機(jī)機(jī)的10萬(wàn)個(gè)相比，零件數(shù)量大幅度減少。重量也只有普通直升機(jī)的三分之一左右，非常輕。因此可以大幅降低制造成本和維護(hù)成本，所以運(yùn)營(yíng)商可以低成本提供相應(yīng)的服務(wù)。而且因?yàn)槭请妱?dòng)的，所以CO2排放也為零，環(huán)境友好。
圖9 SkyDrive將亮相2025大阪世博會(huì)
雖然SD-05是SkyDrive的第一款將接受型號(hào)認(rèn)證評(píng)估的車(chē)輛，但該公司表示，其生產(chǎn)型號(hào)將是新版本的SD-XX飛機(jī)。與SD-05一樣，SD-XX將是一種全電動(dòng)的兩座個(gè)人eVTOL，配有八個(gè)螺旋槳。SkyDrive表示，SD-XX的最大巡航速度為100公里/小時(shí) (62英里/小時(shí))，飛行時(shí)間為20到30分鐘，最大飛行高度為500米 (1640英尺)。
圖10 SkyDrive SD-XX型全碳纖維車(chē)身
04 結(jié)束語(yǔ)
城市空中出行是未來(lái)城市交通的重要組成部分，主要運(yùn)用電動(dòng)垂直起降飛行器進(jìn)行人員或物資在低空城市內(nèi)或短距城際間的運(yùn)送。城市空中出行將大幅緩解城市的交通壓力，讓人員與物資以更高效更安全的方式到達(dá)目的地。
據(jù)摩根士丹利預(yù)測(cè)，全球飛行汽車(chē)市場(chǎng)規(guī)模將在2030年達(dá)到3000億美元，2040年驟增至1.5萬(wàn)億美元。
