单人汽车

2011级宇航学院学科前沿与发展动态研究报告单兵飞行器的应用与发展

单人飞行器的应用

与发展

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2011级宇航学院学科前沿与发展动态研究报告单兵飞行器的应用与发展

中文摘要：天空，作为探险史上人类最后涉足的宏观领域——之前是陆地和海洋

——自1903年以来就被不断地探索着，至今已有一个世纪有余。少有留意周围

的话，任何人都不难发现在交通工具和战争工具的发展史上，多人使用的工具和

单人（或双人）操作的工具往往是同时发展的。我们有多人乘坐的汽车，同时也

有单人驾驭的摩托车；有多人使用的巨型油轮，也有单人驾驶的摩托艇；有多人

操作的自行火炮，也有单人操作的RPG火箭炮„„由此看来，单兵飞行器的开发

与应用也是不可避免的。

关键词：机动性，安全，单人飞行器，动力、高效率。

一、发展历史

15世纪，欧洲文艺复兴时期，意大利著名画家、科学家达·芬奇通过观察

鸟飞翔，设计了一种“单人扑翼机”，通过机械杠杆作用，用手和脚扑动翅膀在

空中飞翔。他的一个仆人首先用这种“单人扑翼机”作了试验，结果摔断了一条

腿。这可能是除中国万户火箭以外人类对单人飞行器的第一次大胆的尝试。

这种不断地尝试终在20世纪最后的十几年里开花结果。1988年在韩国举行

的第24届奥运会开幕式上，一种单人飞行器曾作了垂直升空表演。该飞行器上

面装有3个玻璃钢储瓶，分别装着压缩空气和过氧化氢燃料。上面还装有固体催

化剂的一个不锈钢催化罐，罐底有两根喷管。当人要起飞时，打开压缩空气瓶下

的开关，压缩空气进入过氧化氢储瓶，经化学反应放出高热，使得水和氧变成高

温蒸气，从喷管里喷出，从而产生推力，使人徐徐垂直上升。

1996年，美国人迈克尔·莫希尔在加利福尼亚州桑尼维尔市创办了TREK航

空有限公司，他声称自己已经让单人飞行器这一人类的梦想变成了现实。他研制

的一种小型双叶片直升机，命名为“SOLOTREK-XFV”。这种单人飞行器，驾驶者

不用坐进去，只需站在搁脚板上，把自己固定在飞行器上，然后启动发动机，两

扇叶片开始高速旋转，产生巨大动力，足以使飞行器起飞并前进。飞行器上有两

个手动控制把手，飞行员靠它起降并控制飞行方向。据称经过改进，该飞行器的

时速就可以达到120多公里，一箱普通燃料便可以供它持续飞行200公里，可载

单人连续飞行一个半小时。

然而，尽管人类在对单人飞行器的开发上一直做着不懈的努力，“伊卡路斯

之翼”似乎并没有在人们面前完全展开，且不说如果应用到军事领域它所能发挥

的作战能力，仅是最基本的航速和续航能力就迟迟得不到解决。

二、优劣分析与主要问题

在讨论单人飞行器的优势与劣势这一问题之前，我们不妨按照最常见的形

式将现阶段较为可行的单人飞行器分为两类：一种是类似于现代飞机（例如美国

空军的V-22“鱼鹰”）的缩小版，驾驶员乘坐在仅容一人的驾驶舱内，我把它称

为舱体式；另一种则是将一形似背包的带有电脑的喷射器安置在驾驶员身上的

（尽管这看起来与“飞行器”一名并不十分相符），我把它称为外挂式。

单人飞行器的优势似乎是不言自明的：人类对速度的追求将在继流线型跑

车和磁悬浮列车的问世的之后再一次得到体现，人与人、地与地之间的距离将再

次大幅度缩短；堵车将不再是城市一景，相对的，漫天飞翔的“鸟人”将使都市

面貌焕然一新；甚至，微小的体积带来的是未来战场上的高机动性和对战局的绝

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佳掌控。

然而事实似乎并不如科幻作品那样尽如人意，在众多优势的表象之下，单

人飞行器这一构想的劣势也被明显的表露出来：

首先，作为一种高速的飞行器，它对驾驶员的身体素质和驾驶水平的要求

自然也不会如同考汽车驾驶执照一样简单。拿我们熟悉的F1赛车来说——它可

能是陆地上速度最接近飞行器的机械，众所周知，F1赛车手需要一套头颈支持

系统，或者说是头颈保护系统——HANS来确保每一场高速度的比赛不会是自己

人生中最后一场。这一套保护系统对单人飞行器来说同样也是必要的，原因如下：

单人飞行器必然将在更高的行驶速度下拥有更小的转弯半径，根据向心力的计算

公式不难得出这一特点将使驾驶员的脖颈承受前所未有的压力①，即使如F1驾驶

员这样一些经过脖颈力量强化的人也不能在缺乏这样一套保护系统的情况下确

保自己的大动脉血流畅通，就更不用说那些所有交通工具共有的隐患——驾驶事

故。

其次，参考如今的地面交通发展态势，我们不难发现，即使将行动空间拓

展到广袤的天空，我们所面临的交通状态仍然会是不容乐观的——没有人能保证

在未来的某一天头顶上空不会有遮天蔽日的“堵车”大潮。②

再次，相对于“舱体式”来说，“外挂式”是一种局限性更大的单人飞行器

方式，由于没有机体外壳的保护，驾驶员直接暴露在大气中，气流、温度、雷电、

固体漂浮物等等许多因素对驾驶的影响就会有显著增加；而相对于“外挂式”来

说，进入“舱体式”的驾驶员不但需要像汽车驾驶员一样进行各种操纵，而且还

要穿戴一副保护自己的装备（比如前面提到的诸如HANS的设备），更加重要的是，

他们的活动空间将是非常有限的（而不是像大多数汽车驾驶员一样看着周围的几

个空座怡然自得）

讨论了这些表象上的优势与劣势之后，我们还是应当把话题带回到单人飞

行器的发展所遇到的技术问题上。

目前一个最大的问题是，单人飞行器究竟能在怎样的一个速度上保持怎样

的一个续航能力。美国NASA公布的电力驱动单人隐形飞机——海雀（Puffin）③，

作为一款目前为止公认性能最出众的概念单人飞行器，其满电续航能力仅为大约

50英里（合约80公里），此情况下的巡航速度仅为240公里/小时，该机型目前

能达到的极限速度约为480公里/小时。这样的一个速度以及续航能力显然与人

们的预期值还有很大的差距。另外，海雀带电池的重量约为180kg，机身长3.7

米，翼幅达到4.1米，旋翼直径2.3米，作为一款军用飞机这样的体型似乎合情

合理，但是要想达到民用的要求，科学家们还需要将它“减肥”一番才可。

我们可以把目前单人飞行器发展上一些值得关注的问题概括如下：

1.对储电量更大、重量更轻的蓄电池的需求；

2.电力发动机的改进，在减轻重量的基础上增大推力；

①据《F1中的HANS系统》一文中计算，一名65kg的车手，其头重约为5kg（约为体重的7.7%），

比赛时，车手所承受的加速度最高可达5g以上，他的头会像钟摆一样前后左右晃动，也就是说

他的颈部要承受超过25kg的重量（在不算头盔的情况下），而且力的方向和转变速度又极快，对

于未经训练和没有保护措施的人来说，这将是致命的。（2007年加拿大大奖赛上宝马车队的车手

库比卡在发生车祸的一瞬间承受的减速度为75g！）

②详见《ScientificAmerican》2011年10月号

③海雀采用重达45kg的可充电磷酸锂电池作为能源，拥有两台电动发动机，效率可达到95%。（详

见《单人飞行器》一文）

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3.需要新型材料，以期通过减轻飞行器的重量来降低能耗和惯性对驾驶的

影响；

4.研发更加可靠的安全保护措施，以保证在高空高速的情况下驾驶员的人

身安全；

5.外形的压缩，可以允许飞行器执行更多的任务。

„„

三、发展前沿与展望

今天，全球许多科学家、工程师、甚至普通民众都在致力于单人飞行器的

开发与研制。他们各式各样的创意和饱满的热情在各个方面激励着我们的探索。

前面提到的由NASA的工程师们主持开发的“海雀”就是一款极为出色的军

用单兵飞行器。工程师马克·摩尔称，由于使用电动机代替了传统的内燃机，“海

雀”比普通飞机具有更有的静音效果——当它飞行到150米的高空时，其噪音为

50分贝，相当于一般人说话的音量。超静音的特性使得“海雀”具备了潜在的

特殊军事功能，可以作为特种部队和其他部队执行秘密军事任务的理想选择；由

于电动机的效率非常之高，但它们产生的热量却很低，这就意味着它们在执行军

事任务时的热信号非常低，从而达到很高的红外隐形效果；同时，电动机也不想

内燃机那样在引擎附近需要大量冷空气来降低热量，从而有效地减少了空气阻力

带来的影响。更加安静意味着它具有更加大众化的应用前景，比如在个人旅行和

快递服务领域。起降“海雀”的机场可以位于人口中心附近，甚至建在住宅区里

面，而不用担心会造成扰民，这样可以显著减少城市中的通勤时间①。

美国加州的SamsonMotorworks公司一直致力于开发一种陆空两用的摩托

车，这相当于放在私人车库里的一架飞机——其采用的是鸭嘴式造型，后部装有

大的飞机机翼，前部还有水平翼。目前，该公司提出了两种设计款式，其中一个

型号名为Skybike，采用缩叠式机翼的设计，另一个名为Switchblade的型号则

采用可折叠的剪刀式机翼。这两款机型均配置有前后碟式制动、玻璃驾驶舱、雷

电保护系统、副点火电池系统、导航无线电、航道校正等设备。Switchblade在

陆地上的速度可超过155公里/小时，在空中飞行时达到215公里/小时；而

Skybike在陆地上的速度可达到128公里/小时，飞行时则为209公里/小时。

Terrafugia公司则开发了“变形者”，其创新之处在于拥有可折叠的机

翼。驾驶者只需按一个按钮，机翼便会自动展开，３０秒内即可从汽车变形为飞

机。除变形速度快外，它还耗油少，十分经济，每升汽油空中行驶距离约为12.75

公里，巡航时速可达185公里，陆上最高时速可达128公里。由于使用无铅汽油，

“变形者”只需去普通加油站加油即可。Terrafugia公司介绍说，收起机翼后，

“变形者”和普通汽车大小相近，可存放在车库中。

此外，荷兰人约翰·巴克也开发了一种“飞行汽车”，使用汽油引擎，

供一人乘坐。在陆地上，它形似概念三轮机动车，路面最高时速可达200公里。

它飞行的秘密藏在顶部和尾端，那里有可折叠的叶轮、推进器和机尾。这样一套

简单飞行装备可保证飞行汽车在5秒内从静止状态加速到时速90公里，飞行时

速最高达190公里。飞行汽车可到达空中1200米高度，加满油后一次最远可飞

行近550公里。飞行汽车起飞滑行只需50米，着陆滑行甚至不到5米。在空中，

其顶部叶轮可调整转速以控制飞行高度，尾部的推进器负责提供前行动力，获专

利的自动平衡装置可保证飞行汽车转弯时自动倾斜。

经过科学家与工程师们的不懈努力，单人飞行器经历了一个从完全没有，到

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形成概念，再到产出样机的过程。伴随着能源动力科学、材料科学、飞行器设计

学等的发展，单人飞行器的种类必将向多元化发展。仅从动力来源上就可以做如

下分类：1.旋翼式2采用多种航空发动机3.核脉冲推进式4.光帆飞行器5.磁帆飞

行器6.采用反重力发动机„„

参考文献：

《单人飞行器》（作者：Leipei）

《F1中的HANS系统》

《ScientificAmerican》杂志

《环球》杂志

《科技日报》（作者：毛黎）

《民航概论》（刘得一编著）