Elon Musk幾年前提出制造超音速eVTOL飛行器的想法，并定期在Twitter分享這一看法，但縱然Elon Musk是全球汽車產(chǎn)業(yè)電氣化主要推動者，造的火箭更是以“尾巴著陸”，這一想法仍不免被嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮娇疹I(lǐng)域視為遙不可及，不過是笑話、噱頭而已。但畢竟Musk有著“鋼鐵俠”之稱，如果說有誰能夠造出超音速eVTOL，那個人肯定是Musk。 那到底超音速eVTOL飛行器可行性幾何?知名航空記者，同時也是直升機(jī)飛行員的Elan Head用第一性原理采訪研究了使超音速eVTOL成為現(xiàn)實到底需要什么。

　　超音速eVTOL概念圖

　　A. 超音速 + 電動 + VTOL = 一些非常困難的問題

　　從廣義上講，超音速eVTOL飛行存在三個難題：

　　1. 制造能夠以超音速有效運行的電動推進(jìn)器存在困難;

　　2. 制造能夠支持超音速巡航和垂直起降能量和功率密度的電池存在困難;

　　3. 將所有這些集成為一個可行進(jìn)行超音速巡航的飛行器設(shè)計存在困難;

　　我們先來看看推進(jìn)器的問題。到目前為止，只有一架能夠垂直著陸的超音速飛機(jī)投入使用：洛克希德·馬丁公司的 F-35B。它由Pratt & Whitney F135 加力渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)提供動力，可產(chǎn)生超過 40,000 磅的推力，它通過燃燒大量化石燃料來實現(xiàn)。

　　F35垂直起降

　　這種快速的推力產(chǎn)生方法不適用于電動飛機(jī)，而且合適的替代方案可能是什么樣子也并不明顯。它看起來不像Lilium Jet等當(dāng)前 eVTOL 飛機(jī)上的涵道風(fēng)扇，因為當(dāng)它們進(jìn)入接近 1.0 馬赫的可壓縮狀態(tài)時，它們的槳尖速度會超音速并失去效率。

　　渦輪噴氣發(fā)動機(jī)(以及更普遍的低旁通渦扇發(fā)動機(jī))一直是超音速領(lǐng)域的發(fā)展方向，依靠噴氣發(fā)動機(jī)核心中的壓縮和燃燒來產(chǎn)生超音速所需的出口速度。在電動推進(jìn)情況下，意味著必須使用電動機(jī)驅(qū)動的風(fēng)扇/壓縮機(jī)在不燃燒的情況下實現(xiàn)類似的壓縮和流動成形——類似于在超音速風(fēng)洞中所做的。

　　這樣的推進(jìn)系統(tǒng)尚不存在，但最終可能會存在。前 NASA工程師和 eVTOL布道者 Mark Moore 正在他位于田納西州的初創(chuàng)公司 Whisper Aero 朝這個方向前進(jìn)，該公司于今年7月開始進(jìn)入大眾視野。Moore 和 Whisper Aero 首席運營官Villa 仍未分享有關(guān)他們新型電動推進(jìn)器技術(shù)的任何細(xì)節(jié)，但他們聲稱該技術(shù)將能夠驅(qū)動全電動4到19座的“Whisper Jet”以高達(dá)每小時 300 英里(每小時 480 公里)速度巡航，并且具有“極低的噪音”和“令人難以置信的低運營成本”。

　　Moore表示W(wǎng)hisper正朝著Elon談?wù)摰姆较蚯斑M(jìn)，并比整個電動飛機(jī)行業(yè)的任何人都領(lǐng)先。其認(rèn)為當(dāng)我們擁有足夠好的電池時，飛行器上升到一定高度，由于空氣非常稀薄，將能以非常低的功率進(jìn)行高速巡航，而傳統(tǒng)渦輪風(fēng)扇因為需要依靠空氣中的氧氣進(jìn)行燃燒而無法發(fā)揮作用。并表示W(wǎng)hisper正在這段旅程上做當(dāng)前正能做的事情，只是電池現(xiàn)在只能做這么多。

　　B. 電池到底能做多少?

　　這將我們帶到了超音速eVTOL飛行中的下一個難題：電池。在這里，垂直起降的要求使問題變得比其他情況要困難得多，因為懸停飛行需要非常高的功率。

　　卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員 Venkat Viswanathan 和 Shashank Sripad于6月份發(fā)布了一份評估小型、絕對亞音速 eVTOL 飛行器的電池要求報告(可在中 eVTOL能源效率與所需電池性能概述 獲取)，報告中得出的結(jié)論之一是，當(dāng)前市場熱門的多款eVTOL設(shè)計正在接近使用當(dāng)前鋰離子電池技術(shù)可行性的邊界。

　　估算超音速eVTOL飛行器的能耗只需重點關(guān)注幾個關(guān)鍵參數(shù)，包括最大升阻比。要了解技術(shù)可行性，尤其是從電氣化的角度來看，只需要這種簡單的分析。

　　對于超音速飛行器來說，最大升阻比一般是一個比較低的值，部分原因是它們會受到激波阻力的影響，當(dāng)飛行器接近臨界馬赫數(shù)時，激波阻力會突然急劇增加。以洛克希德A-12(S-71的前身)和協(xié)和飛機(jī)最大升阻比(分別為6.6和7.4)作為參考，使用最大升阻比為6和8進(jìn)行分析。

　　Venkat Viswanathan 和 Shashank Sripad 的這項分析顯示了超音速 eVTOL 在不同的電池組能量密度和電池重量占最大起飛重量的比值的組合下可以實現(xiàn)多少巡航時間(除了垂直起飛和著陸)。超出紅線的任何事情都是不可能的，因為所需的電池將超過整個飛機(jī)的重量。當(dāng)今最先進(jìn)的電動汽車 (SOTA EV) 電池組的比能量約為 160-170 Wh/kg，約占車輛重量的 25-30%。

　　結(jié)果與馬斯克過去公開估計的結(jié)果基本一致。在 2014 年的 MIT AeroAstro 百年座談會上，他認(rèn)為能量密度為每公斤400Wh的電池，占飛機(jī)質(zhì)量的 70%，將制造出“引人注目”的飛機(jī)。

　　Viswanathan 和 Sripad 估計，能量密度為 400 Wh/kg電池組的飛機(jī)將能夠以 1.1 馬赫的速度在 40,000 英尺的高度巡航約 10 到 15 分鐘，包括垂直起飛和著陸。

　　這是否意味著超音速 eVTOL 飛行指日可待?并不是的。據(jù) Sripad表示，當(dāng)前這一代鋰離子電池正以每年 3-5% 的速度改進(jìn)，下一代鋰金屬電池有望在電池芯層面提供更高的能量密度。但“目前還不清楚鋰金屬電池將如何Pack。假設(shè)它與當(dāng)今鋰離子電池的Pack方式相似，那么在Pack后能量密度可能會在350 Wh/kg。

　　Sripad進(jìn)一步表示必須重新思考鋰電池的陰極材料，其不會是當(dāng)前任何一種陰極材料，雖然存在一些能量密度更高的電池化學(xué)物質(zhì)，但它們不一定是可充電的，而且“在技術(shù)準(zhǔn)備方面還差得遠(yuǎn)”。

　　然后是功率密度的問題。超音速eVTOL飛機(jī)不僅需要大量儲存能量，還需要能夠快速釋放能量以進(jìn)行大功率垂直起降。通常，電池研究人員首先關(guān)注新電池化學(xué)物質(zhì)的能量密度，然后才是功率密度。如果必須是eVTOL超音速飛行器，那么這自然意味著你必須努力同時解決電池功率密度和能量密度問題。

　　C. 把這一切集成在一起

　　任何面臨將單個電池單元組裝成電池組的電動汽車開發(fā)商都關(guān)心如何減輕重量，同時還要防止損壞和熱失控。超音速電動飛機(jī)開發(fā)商將有一些額外的擔(dān)憂。非常高海拔的稀薄空氣可能非常適合高效巡航，但它也會使高壓電池更容易受到電暈放電的影響，因此需要考慮在電氣系統(tǒng)設(shè)計中。

　　另外，那里很冷。無論為超音速eVTOL電池供電的電化學(xué)反應(yīng)是什么，它們在低溫下都可能要慢得多。Sripad 指出，以高速率對電池放電可能會產(chǎn)生足夠的熱量來抵消這個問題，但需要仔細(xì)評估熱管理。

　　還有一個問題是，在專為超音速飛行設(shè)計的飛機(jī)上，在哪里放置相當(dāng)于其質(zhì)量 70%的電池。對于超音速飛機(jī)，Whisper Aero 的 Villa 說，“你必須克服跨音速時的阻力上升，你必須有非常低的激波阻力。這意味著您的飛機(jī)的形狀必須量身定制，并在到達(dá)音障時保持低阻力?！?/p>

　　Skunk Works X-59 Quiet SuperSonic Technology 飛機(jī)的藝術(shù)插圖

　　從功能上講，這意味著大多數(shù)超音速飛機(jī)具有高細(xì)度比——這意味著它們的長度比寬度要大得多——并且它們的機(jī)身在與機(jī)翼相遇的地方變窄以減少激波阻力。東西更薄了，所以你不能像一些eVTOL那樣把電池塞進(jìn)機(jī)翼下的機(jī)艙里。

　　集成問題也適用于推進(jìn)系統(tǒng)，因為VTOL飛行可能需要單獨的推進(jìn)器。由于超音速設(shè)計的限制，這將傾向于采用非常精細(xì)、非常長的薄機(jī)身，而不能將推進(jìn)器隨意放在其他地方。

　　所有這些加起來意味著超音速eVTOL飛行器距離實用還有很長的路要走——這可能是馬斯克還沒有費心去追求它的原因。在2018 年與Rogan的臭名昭著的吸大麻播客中，馬斯克承認(rèn)“現(xiàn)在不需要電動飛機(jī)。電動汽車很重要，太陽能很重要，能量的固定儲存很重要。這些東西比創(chuàng)造超音速eVTOL 重要得多。”

　　“我們肯定會到達(dá)那里，但成功的一部分是在正確的時間采用正確的技術(shù)來實現(xiàn)現(xiàn)在重要的市場能力，”Moore說?！拔覀冞€沒有進(jìn)入超音速eVTOL 時代，但有很大的機(jī)會可以為此開發(fā)產(chǎn)品?！?/p>

　　D. 三分之二最好

　　如果此時超音速、電動和VTOL要求過高，那么在近期內(nèi)，這些特性的一些不那么雄心勃勃的組合可能是可行的。Harvest Zhang指出，以超音速飛行為目標(biāo)會招致極高阻力和傳統(tǒng)的涵道風(fēng)扇設(shè)計不適用于超音速飛行的“雙重打擊”。

　　與亞音速、0.8馬赫左右的 eVTOL(可以實現(xiàn)12-15范圍內(nèi)的升阻比)相比，制造超音速 eVTOL 的難度可能根本不在一個量級，因此高速亞音速選項更具現(xiàn)實意義。

　　buGi Aero負(fù)責(zé)人、先進(jìn)垂直飛行概念專家 Ashish Bagai 建議采用氫基設(shè)計，該設(shè)計使用先進(jìn)的燃料電池進(jìn)行垂直和低速飛行，輔以使用氫氣作為可燃燃料的推進(jìn)裝置，為高速/超音速飛行提供推力，可能是一個可行的選擇。但這有點作弊，因為并沒有在飛行全程都以電動模式運行，但也沒有使用多種燃料類型或通過多種能量轉(zhuǎn)換來工作。

　　Bagai的概念是一個優(yōu)雅的概念，盡管鑒于馬斯克在汽車領(lǐng)域廣為人知的對氫的蔑視，這可能需要一位不同的億萬富翁來實現(xiàn)這個構(gòu)想。雖然 Bagai在短期內(nèi)看不到通往超音速eVTOL 噴氣式飛機(jī)的可行路線，但他也不認(rèn)為這是一個笑話。

　　最后，從科學(xué)進(jìn)步的角度來看，從學(xué)習(xí)、做真正難以證明的事情、獲得知識以及證明這些可以做到的過程是非常有價值的，而且在這個過程中經(jīng)常會涌現(xiàn)出許多有用的衍生產(chǎn)品。