主题：【原创】茗谈199：羽人-280B -- 本嘉明

这一楼，主要围绕“Flying　Car”展开，有不少枯燥的技术细节，行文的“气”也不够通顺，不过我也难得能回到少年时光，享受一次工科男干巴巴的“文字美学”，虽然风骨还赶不上北大的韦神，面目可憎是一定的了，大家担待。

值此高考季，向冲刺的同学们致敬；向勤勤恳恳做学问，率先垂范我等河友的桥上兄致敬。

总之，本篇里最后一句废话：挽起袖子干起来。

(一)

美国通用航空私人飞机的年销售额，２０２０年为１９９亿美元，此后预计会以３％的增长率逐步上升到２０２６年的２４０亿。在２０２０年由于疫情，销售额短暂下调，但随着医疗物资和病人紧急空运等需求急增，以及大富豪们要避开民航客机、高净值人数随政府大放水迅速增大等等因素，商务用途或休闲小型飞机的需求量反而在放大。

这些飞机，分四大类：直升机；固定翼活塞发动机小飞机；固定翼涡桨动力小飞机；固定翼喷气商务机。其中占了３／４的，是喷气商务机。

在亚洲，主要市场分为５个：中国、日本、印度、韩国、其他国家。

固定翼活塞发动机小飞机，最大的买家是各种初级航校，只有极少数的狂热玩家或者竞速赛发烧友会自费购入。讲真，中国的初级教练机用昂贵的涡桨－９，不是很明智的选择。活塞动力的小飞机，其制造端，被三巨头垄断：Cirrus Design Corporation, Piper Aircraft Inc., 和 Diamond Aircraft Industries。

全球小飞机使用量中，美国占了压倒性多数。

在美国，每架飞机要办“空中行驶证”，每个飞行员要办“空中驾驶证”。美国９０％的民用“空中行驶证”，对应的是通航小飞机；“空中驾驶证”方面呢，共有４８.７２万名有美国飞行执照的飞行员（其实还有相当多的人会开飞机但还没有花钱办驾照或没有美国颁发的驾照，所以另一种统计口径说实际有６６万飞行员）。通用航空工业，每年为美国经济贡献１５００亿美元的ＧＤＰ。美国农业部的数据，２０１２――２０１９，农用小飞机（空中拖拉机）增长了１５％。

假如不仅仅看活塞小飞机，综合上述全部四大类飞机，供应商中的大玩家有：Bombardier Inc.,（加拿大）、 Textron Inc., Gulfstream Aerospace Corporation, Embraer SA（巴西）, 和 Dassault Aviation SA（法国）。

但是，通航小飞机事业在美国也经历过大低潮(１９８０――２０００)。那之前一个高峰在１９７８年，小飞机制造商们交付了１.８万架。但到了１９９４年，只交付了954架，比起巅峰，失去了２万个飞机厂就业和８万个辅助工作岗位。内卷的最大原因，是大量事故赔偿的诉讼案。美国国会不得不修改了Federal　Aviation Act of 1993，给飞机制造商们松绑，到１９９８年，年交付量回升到２２００架。

１９９３年的统计，在美国共有１３２２８个机场，其中４７１２个有夜间降落所需的跑道灯，４６９０个为１０００米以上的水泥跑道。在２０１４年，美国还有５１４５个对公众开放经营的机场，到２０１９年减少到５０８０个。

不对外开放的私人小机场，２０１４年有１３８６３个，２０１９年增加到１４５５６个。

２０１９年，全美保有的私人通航小飞机数量略超21万架； 供民航客运服务的，６０座以上大型客机（for-hire carrier fleet ）有7,628 架。

在１９７０年前，美国的私人小飞机没有年检和年费制度，大量已经毁弃的小飞机还在国家报表上“幽灵存在”，所以现在还能查到的１９７０年前的数据是不太真实的。

以上数据说明什么呢？

第一，当今私人小飞机在美国的年销售额是200亿美元，但通航工业对经济的拉动作用是1500亿美元。这是因为今天卖出去的，3/4是喷气商务机，市场已经趋于高端/狭窄；而保有在民间的其他20万架，是相当简陋（甚至一部分是很老旧）的低端小飞机，对这些“存量”的服务，是1500亿里不可忽视的一大块。

第二，由于大批农用飞机是老飞机，开飞机的是老农民，因此美国民间涵养的，紧急时能培训为军用机（不一定是战斗机，运输机、加油机、直升机都算）飞行员的青壮年，数量也没那么吓人。

通常而言，一个大国的空军，战斗机飞行员与现役战斗机的比例，略小于2：1，因为培养一个合格的三代以上喷气战斗机飞行员，太烧钱了。而假设中国各军种配置有五千到七千架“羽人-280”，多数给陆军（100万人）和武警（150万人）；人头只按一线野战部队算的话，估计不到200人能摊到一架。因为部队里到处都是，大家也不太当回事，管得比较宽松；这飞机功能简单，不难学会。那么，每架飞机对应有4-5名能开上天的小兵蛋子，其中很多人还没驾照，也就是央求着营长，拜师偷开偷学(你看看任何仓储货运公司，有几个员工会开铲车，其中又有几个是有证的），是做得到的。当然，这其中会摔掉不少架，但这飞机有滑翔能力，有双发，其实摔不死几个泼天大胆的。比起最后有4万多名初级飞行员的实打实储备，那还是值得的。这些飞行员不但是年富力强的军人，而且不少人凭着“羽人-280”出过实战见过血，真打举国之战时从中选拔尖子紧急培训，开上“快消品（歼-10F，枭龙block5）”跟入侵者拼消耗，多数选手是给力的。

按我的计算，一架民用“羽人-280”，飞行/公路两用版，基本款在美国的卖价不会超过65万美元（根据申请适航证难易程度、销售架数多寡，售价会有上下波动），在中国国内的军方/警方购置费不到400万人民币（如果改用军标制造会稍贵，基础版价格估计600万元），7000架也就280--400亿人民币，任何一个3线城市上马一条地铁的预算都不止这个数。

(二)

在美国，一架小飞机的平均寿命是２７年，极端的有４０年长寿的。这造成的缺点是，在役民用小飞机的技术升级相当迟缓，老梆子们对玻璃座舱极不适应(你试试教你爷爷用智能手机）。所以美国国内事关民航的大量法规，不是强调安全，就是推动技术革新，又当爹又当妈。

以下讲的，是假设我们把“羽人－２８０”民用版，销售到美国民用飞机市场这么一个虚拟故事（案例），以了解在美国市场上将会面对的各种细节，文字中 不另强调“美国”二字。由于“羽人－２８０”的整体布局，太“借鉴”ＯＶ－１０Ｄ，拿不出手，我在这里使用“羽人－２８０Ｂ”替代。“羽人－２８０Ｂ”是在Cessna-337D（更准确说，军用版的O-2，多国军方订购了500多架）基础上，改每排双座为每排单座，修窄座舱迎风面面积的版本，其80%以上零部件与“羽人－２８０”可以互换。

上图：O-2

上图：羽人-280的重量分配，羽人-280B与其类似。

“羽人－２８０”系列这两个款，都需要一个“多适应性变速箱continuously variable transmission，CVT”，以便既满足空中飞行，也满足公路行驶(以及路面行驶中的刹车和倒车)。

德国奥迪有类似的产品（Audi Multitronic CVT，用一根钢质plate link chain在两种尺寸的pulley之间传递动力）。 这个CVT变速箱有0.4米长，0.25米宽，100公斤重（包括冷却油）。奥迪这个变速箱，变态的地方是地面行驶要满足近乎跑车的起步性能，“0到100公里/时”加速所用的时间，比Audi A6 2.8的五档自动变速箱，他妈的居然还要快了0.1秒，我们这里根本用不着好不?能摹个“菜鸟版”出来就足够了。

空中飞行时，多数情况下要求发动机以一个恒定的转速（RPM）长时间地工作（顺便说一句，开民用飞机其实是很单调很闷的工作，开大飞机还高大上一点，钻在苦逼小飞机里的基本就是土匪+农民工）；而地面驾驶汽车时干扰多，需要转速不停变换（加速、减速、遇红灯怠速、倒车），对机械而言，真的是两种不同的玩法。

我在前面讲过，美军越来越希望装备这类“飞车”，就是看中一，不把它当飞机，只当它是车，大大降低驾驶员的资质标准，从而省钱（培训费、阵亡抚恤）；二，这货能在路上跑；三，起降不依赖专门的跑道，适用性强。陆军的小飞机，跟着大队转移，有时候路上行驶个5--30公里，比特意飞一个起落要方便/隐蔽多了。所以，就算增加一个“路面行驶”的功能很烦人，我们给“羽人-280B”还是备上，当然只是作为辅助功能。假如CVT的国产化一时搞不定的话，还有一种办法，就是两台发动机中，一台单用于飞行，第二台自带发电机，飞机落地后发电，用电力驱动车轮行驶。假定路面行驶时车重2吨，最大行驶速度100KM/H，需要功率25KW，大致是其中一台活塞发动机输出功率的1/4。

美国著名的飞行汽车初创公司Terrafugia（吉利汽车已经收购其部分股权，这已经是中美合资企业）的Transition款样车，就用了“路面电力驱动模式”，该车空重440公斤，使用一台奥地利活塞发动机Rotax 912ULS (100HP)和一台Hybrid-electric motors（用于路面行驶）。油箱容量87升（64公斤），巡航时耗油19升/小时（飞172公里），经济速度路面行驶时油耗6.7升/100公里。座舱最宽处1.2米，并排坐2人。

那么，CVT和“混合动力”这两条技术路径，选哪条为好呢？研发赶时间就选“混合动力”，不赶时间的话，把CVT啃下来，将来其他地方也用得着。

一款民用“飞行汽车”，能飞能跑，就必须满足两方面法规的监管:一个是民航领域，Federal Aviation Regulations (FAR，今天演变为FAA) 的Part 23，界定了8.6吨以下/除飞行员以外19乘客座以下的小飞机的一系列应用法规，这类小飞机就此称为“Part 23 飞机”；一个是公路交通领域，the National Highway Transportation Safety Advisory (NHTSA，后演变为National Highway Traffic Safety Administration，简称不变)。同时把这个行业从1980年代大滑坡中拯救出来的还有包括NASA和大批大学在内的泛行业组织 Advanced General Aviation Transport Experiments (AGATE，推动发明安全、创新、可负担、易操作的通航飞机)、Small Airplane Transportation System (后改名为Small Aircraft Transportation System)。美国走过的路告诉你:发展通航，不是一个行业的事，是一个国家的事。

设计之初，我们先选发动机。航空活塞发动机的特点就是大约（输出功率）1KW，对应发动机自重1公斤，功率越大机器越重。“羽人－２８０”系列这二款飞机，都是双发，先用145匹马力的，未来各自的“动力加强版”可以换用300匹马力的，机身空间和结构承受能力现在都预留了冗余度。但更大只的（比如500KW的金鹰航发，自重515Kgs）就不欢迎了。

巡航时的经济航速（油耗比较小的工况），一般是在高度3000米，功率是最大功率的80%。C145是四冲程四缸水平对置发动机（一些高级跑车用这种水平对置设计），最大起飞功率105KW（5800RPM），最大连续功率90KW(5500RPM)；自备废气涡轮增压器，可以在海拔3000米的高原机场起飞，临界增压飞行高度5000米，最大飞行高度7200米。这些都满足我们的要求，就是RPM偏高，落地后跑公路不太方便。

C145另一个优点是自重轻，“功率/自重（功重）比”达到1.31KW/公斤。所用的燃油是95+号车用汽油或航空汽油，对于陆军的后勤体系也适配。发动机尺寸是0.67米X0.58米X0.54米。高原型C145HT，已经装配于无人直升机AR500C，完成首飞，这种高原专用无人直升机对于中印边境上的解放军部队意义重大。C145再配上宗申自研的“变距螺旋桨”，2019年就用于翼龙-1D无人机。

当然，我们不是替宗申打广告，“芜湖钻石航空发动机”的AE300（123.5KW）也可以考虑，但那个发动机的功重比数据查不到，可能偏重，所以放在备选。

螺旋桨的选择上呢，我选三叶桨（这种小功率发动机，顶天也就用到三叶）。一，宗申给C145配套自研的变距螺旋桨，就是三叶桨，直接拿来，省钱了。二，三叶桨的转速可以调得低一些，从而降噪。这个三叶桨的直径，大约是1.7—1.8米。

机舱尾部安装第二台活塞发动机，会带来一个困扰，就是不易冷却(机头的发动机无此问题)。解决方案是设置一条冷空气引流管，气冷尾部发动机。这条引流管的横截面面积约0.1平方米，需要一台200W左右的电扇送风。

所以设计图就完成了：

(三)

280B不仅仅是O-2的瘦身，还要兼顾路面行驶，这确实带来很多烦恼。

第一就是机翼咋整?

这机翼呢，第一，要足够大，飞起来后，单位翼面上的载荷低，飞机轻巧，人喂过来一个火箭弹，你得腾挪。第二，要足够小，小了，地面行驶前稍微折叠掉一块，就能上路不刮不擦，残留的无法折叠部分也不会太作妖，不然京东的苦逼小哥远远看见红灯一个踩刹，直接拉弧圈过了新街口，然后南京特斯拉客服就打电话进来了:“亲，撞哪座天桥了？” “那倒没有，扎在五楼的窗户眼里呢，送个梯子过来。”

FAA 23.201条款规定，小飞机如果太简陋以至于未配备明显有效的襟翼的话，失速速度（stall speed）不能高于113公里/时。Transition的失速速度是100公里/时。

113KM

假如“羽人-280B”的失速速度是110公里/时，那么起飞滑跑速度就是1.2倍（132公里/时），降落速度是1.3倍（143公里/时）。

按这个推算，飞机的升力面（所有能产生升力的，水平状态的机翼）面积不能小于16.5平方米。于是引发了第二场车祸：折叠后的最小翼展？

我们本打算让“羽人-280”开上国道参与“长假大堵局”来着，幻想着折叠后，残留机翼宽度小于2.25米。就像每个年度减肥计划一样，1月9号前，我就断然决定放弃了：拿“羽人-280B”来说，折叠后剩下的宽度是3.15米（这个折叠是机翼上翘，折叠后还会增大净高）。有很多现在在试验中的Flying Car样车做到了”瘦身到一个车道以内“，但我认为对于“羽人-280”介孩子，不减肥的人生也挺好的，躺平也是一种美德。

我们也可以选择另一种折叠机翼方式：

但这样就必须经常”拆/装支撑杆“，这对于飞机的结构强度不利，但折叠后不必增加净高。作为一架必须参加作战的飞机，这不是好的选择。

虽然绕过了第二车祸现场，我们还是要直面惨淡的人生：机翼翼型（Airfoil）？

这个问题，我交给SKYMASTER(Cessna-337D)大神同学回答: 机翼翼根是NACA 2412 , 翼尖是NACA 2409 。

但是照抄SKYMASTER的话，有可能会导致起飞时划手机，不是，划跑道的距离偏长。一个可能的解决办法是：在机头两侧装鸭翼，起飞时展开铺平，形成升力，把机头抬起来，完成起飞动作后收起鸭翼，贴在机头两侧。

那个巨大的，令人联想到足球场上的门框的水平尾翼，是什么翼型呢？

我考虑打赏自己一个嘴巴：谁叫你多嘴？？

SKYMASTER同学的水平尾翼是个什么鸟翼型，我真的查不到。我自己发梦，觉得可以用NACA 0012。

说到两片垂尾，除了空气舵面外，其余固定不能动的部分，也要起到小翼（winglets）的作用哦（小翼一般是指有些主翼末端上翘的那个小尾巴，鹰扬-2000就有小翼），所以也是有翼型的。

上图：鹰扬-2000

280B的垂尾翼型可以用NACA 0008。当然，因为这两片垂尾的面积比通常主翼尖上的小小翻翘，要大很多，所以如果觉得懒政为好，多一事不如少一事，那也是可以的。

第二个毛病就是起落架。 O-2的起落架相当简陋，

但我们280B是要在公路上跑长途的。O-2用的引擎是210马力/台，我们用的是145马力/台，但280B瘦身成功，迎风阻力减少，自重也减轻，因此在空中的飞行性能不会输给O-2。“中国制造”也能省一块成本，但省下来的这些成本、性能，都扔在了“公路行驶”这个该死的新增功能里了。

想走就走，在路上跑个30来公里，如果继续用三点式起落架，司机大爷恐怕有点累，所以前起落架（鼻轮）最好改为左右双轮，这就没法完全收纳在“羽人-280B”那窄窄的机鼻里，不过这倒还好，不就是霸气侧漏吗？走光好了。

但主起落架也有麻烦了好不？在滑跑起降时，主起落架（你硬要把羽人-280B看作是一辆车的话，我们就是在聊那对后轮）的正确位置，必须在飞机重心的稍微后面一点点，而且起落架支柱不是与地面垂直的，最好有15°倾角，因为飞机是昂着机头起降的。拿这个点位和姿势趴在高速上跑，看在交警总队眼里，那都是祸害:车本儿拿过来，非法改装是吧？！

(四)

Cessna 182的起飞重量1410公斤，起飞时功率170KW（227Hp），起飞滑跑距离230米。“羽人-280B”标准起飞重量2080公斤，起飞时功率输出290马力，滑跑距离加上飞机飞到净高度15米以上，水平位移距离共470米-----比较下来，这个表现还算争气。

拼完起飞拼降落。如前文所说，降落过程中，280B在离地面15米高度，以4米/秒的垂直速度下降，降低高度的同时保持平飞速度为143公里/时，4秒内高度降为0，此时向前飞出160米。第一个脚轮触地后，滑跑距离控制在340米以内。此时飞机的总重不超过1.7吨，普通高速公路可以承受。

在民用小飞机市场上，这个降落性能，并不输给同行。

而这样的起降表现，就需要四条好汉，不是，四条好胎。

“羽人-280B”用什么胎，取决于一件事：它到底是“披着羊皮的狼”，还是“披着狼皮的羊”？就是说，飞的时候多，还是滚的时候多？

我的看法，还是老老实实，前后起落架都仿F-16主起落架的结构；民用版可以考虑改用汽车轮胎（只换轮胎，其他还是要遵照军品标准），那么前轮可以用P165/75 R14 (Load Index 81)，rim diameter是14英寸，胎宽16.5厘米，轮胎总直径60.5厘米；后轮可以用P175/75 R13 (Load Index 85)，rim diameter为13英寸，胎宽17.5厘米，轮胎总直径59.3厘米。四条胎的胎压都是24psi。

飞行时，起落架完全收起，但轮胎仍然外露；路面行驶时，起落架伸出一半后锁住，机腹离地0.35--0.4米，前螺旋桨拆除（否则桨叶会磕到路面）；跑道滑跑时，起落架机构充分展开，把机身抬高，以便前后螺旋桨旋转，两排轮胎前后间距4.2米。左右前轮之间距离车身中线2.9米；后轮之间距离4米。

这样，下个课题就是悬挂系统（suspension system）了。

悬挂系统要有四个功能：

一，起飞时，后轮悬挂能自动收缩，使得后车身伏低一点，造成的结果，车底盘不再与地面平行，而是有-1°的倾斜，前高后低，于是主翼与地面也有1°的夹角，帮助起飞。

二，转入平飞后，前后起落架收拢，减少风阻。但并不完全收入机身。这跟A-10的主起落架设计思路是一样的，前后4条轮胎都是半露，万一战斗中受损，紧急降落时液压系统故障，导致轮胎放不下来了，靠外露的轮胎，一样可以在跑道上滚动，但此时车身低趴，机腹离地面极近，前螺旋桨会触地折断。

三，降落时，机构完全展开，以便充分吸收触地时的冲击力，同时确保车身有足够高度，前螺旋桨不会刮地。

四，路面行驶时，同一排里的左右两轮要尽可能趴开（拉开距离），以求抓地更稳。

我们以“底盘离地面高度”数据来模拟上述四种情况：

这个底盘离地高度，如果场景是越野行驶，那还不大够。但这个“车”，经不起越野的颠簸，离不开固化路面，所以不用考虑。当然打仗打急眼了也可以硬闯碎石滩，不过开回家后地勤兵就惨了。

假设1.9吨的降落时车重，4米/秒的下降垂直速度，143公里/时的降落平飞速度，车体触地的刹那，重力加速度基本会超过0.5G，轮胎触地部分的压强不小于800N/平方毫米（对应的起落架主承力支杆必须要3厘米直径以上那么粗），悬挂系统里的液压筒，会被压回0.15到0.25米------这是任何汽车悬挂系统都无法应付的恶劣工况。

以“羽人-280B”为例，它的标准起飞重量2080公斤（燃油未装满。油箱最多可装640升，此时只装了350升）；最大起飞重量视乎跑道条件（长度和硬度）大致在2500公斤上下。对前轮的悬挂系统而言，最大起飞重量时滑跑起飞，液压筒至少会被压回12—17厘米；0.5G加速度冲击下降落，前轮液压筒会被压回18—22厘米；震动频率大约1.5Hz。

同样的，对后轮的悬挂系统而言，最大起飞重量时滑跑起飞，液压筒会被压回14—18厘米；0.5G加速度时降落，后轮液压筒会被压回20—25厘米；震动频率大约1.4Hz。

不管怎么说，不考虑空战桥段，降落仍然是这架飞机最危险的飞行时刻，我们这里纸面上推算了一下，但很多关键数据只能靠实测来摸索。

起落架+悬挂系统，是除了CVT之外，这个项目里研发难度最大的子系统。

（五）

我们设想，“羽人-280B”路面行驶的最高速度为150公里/小时，“零到百公里速度”的加速耗时25秒以内。因为战场上任何危险都会存在，有时候为了躲轰炸而暴走，连滚带爬吃相难看，是必须提倡的。

我们前面说过，用“两头翘”方式折叠主翼后，280B的剩余翼展（受支撑杆位置的限制）仍然长达3.15米，搁民用是无法跑公路的，你一个就占俩车道，下个高速，倆岗亭都被你撸残，还不如不收你的小钱钱。但这是小事，军队到时候征用公路，两头一封，大螃蟹们还不是随便横着走？

问题是，真跑到150码的时候，这厮会不会飘起来？

有一腚的可能。到这个速度，剩余升力体（部分主翼+水平尾翼）仍能产生升力，最大升力值可达到标准起飞重的20%左右，而且不均匀；此时再来阵切变风，弄不好要耍个托马斯回旋。解决的唯一办法，就是非得跑得这么喘的时候，就往车里塞铁，5箱高机子弹落肚，恭喜，你的人品稳了。

那么，你跑到150码后，需要急刹，多远能停下？

“羽人-280B”有个巨大的水平尾翼，这是个隐患。刹车或拐弯太急的话，尾翼翘起，机头啃泥，车身会向前纵翻。按一般的公路行驶法规，150码速度下急刹，允许大约160米的停止距离；“羽人-280B”可能需要200米，因为能跑到150，它已经肚子塞满，惯性很大了。

由于机鼻要装一台发动机，前座飞行员的视野是有所局限的，俯视视角大约只有19°，仰视视角可以有80°。作为民用飞机在空中无害飞行，这个视野勉强还OK；对于在战场上空，向下观察以及路面驾驶，这个视界有点不足。

下一节，说说”飞行汽车“另一个非常淡疼的地方：车手操控装备，也就是”飞/驾转换“的设计思路。