马斯克要为跑车装备火箭动力技术,百公里加速只要1.9秒的“地面怪兽”真的能进化成功?

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马斯克要为跑车装备火箭动力技术,百公里加速只要1.9秒的“地面怪兽”真的能进化成功?
麻省理工科技评论 2018-06-20

2018-06-20

“经过改装之后的 Roadster 跑车将会快到飞起!”
马斯克 特斯拉
“经过改装之后的 Roadster 跑车将会快到飞起!”

前不久,马斯克在推特上发文,他将合特斯拉与 SpaceX 两家企业之力,打造最新款特斯拉 Roadster 跑车——为其配备喷气推进器。马斯克表示,该推进器不会真的像在火箭上那样工作,不过,它们会喷出高压空气,帮助 Roadster 加速。

马斯克还煞有其事的声称,“经过改装之后的 Roadster 跑车将会快到飞起!”

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图丨马斯克推文

不过,就像每次马斯克发布一个重大消息都会迎来一阵嘲讽一样,诸多业界专家认为,马斯克的这个计划在技术上也许行得通,但是效率值得怀疑,同时这种助推器是否合法也是个问题。具体来讲,马斯克计划将猎鹰 9 号火箭的一个碳纤维复合材料缠绕制成的氦气加压储罐(composite overwrapped pressure vessel,COPV)装上汽车。COPV 用金属薄板制成,外面裹着碳纤维,能存储大量高压气体。得益于 COPV 体积小、重量轻的优点,因此是航天工业中为火箭燃料加压的标配工具。

碳纤维 COPV 已经在航天工业中运用了超过几十年之久,因为碳纤维的性质更趋向于织物而不是金属,所以其具有优秀的力学性能和极轻的结构重量。猎鹰 9 号的 COPV 的作用更是十分突出,其不仅要在火箭上升段给燃料箱加压以维持燃料输出;在进入太空,火箭燃料耗尽后,COPV 还要继续向燃料箱输出氦气,以维持火箭燃料箱整体不变形。总之,COPV 不会直接通过喷气来推动火箭,而是为其提供了重要的辅助功能。

可 COPV 和汽车怎么又会产生联系呢?原来,例如大巴或卡车会使用 COPV 来存储压缩天然气,小汽车用其存储氢气来驱动燃料电池。也就是说,在汽车中这些 COPV 反而变成了燃料储箱。然而,马斯克的点子则更进一步:新款 Roadster 将使用高压气体作为推进手段,COPV 中的气体从车前或者车后喷出,帮助汽车减速或者加速,还能在汽车高速转弯和小半径转弯时提供帮助。

但商用汽车从来没有实现过这个点子,且行业专家质疑这个点子的安全性和有效性。其中一个问题在于:Roadster 的加速和刹车速度已经很高,而最新 Roadster 预期会成为世界上加速最快的汽车——百公里加速 1.9 秒。如此高的加速度已经引发了“汽车轮胎能承受的加速上限到底是多少”的广泛争议。因此,再加上 COPV,用高压空气进一步提高汽车的加速度,需要很大的喷气功率和很大的气瓶容量,才有可能达到一个比较显著的效果。

而 COPV 上车的代价是:喷气时的巨大噪声、气瓶面对大幅度温度变化时的稳定性、路上其他汽车蒙受的潜在风险。一家汽车行业咨询公司 Navigant 的高级研究员 Sam Abuelsamid 表示,“技术上这个选项应该可行。但是这个选项明智吗?绝对不。这是我听过的最奇葩的点子。”当然,很多汽车企业也考虑过使用压缩气体来驱动汽车。2013 年,法国标致-雪铁龙发布计划,将制造一款使用压缩空气的混合动力汽车,可最终该项目还是胎死腹中。该方案计划用压缩空气来驱动汽车引擎——就像汽油点燃之后的高温气体推动活塞的方式一样。压缩空气确实是对环境无污染的,但是问题在于效率无法令人满意。

首先,把空气压缩到气瓶里本身就需要很多能量。马斯克声称,特斯拉电动车的电池可以驱动空气压缩机给气瓶充气。专家质疑,这会严重降低特斯拉电动车的行驶里程。汽车咨询公司 AutoPacific 的经理和产品分析师 Dave Sullivan 表示,“电动车的电量要被空气压缩机分去一大部分,因此特斯拉电动车装了气瓶,就很难达到标称的充电后行驶距离。”

当然,这个问题的核心是:特斯拉 COPV 的效率到底有多高。物理规律决定,只有喷出很多的空气,才能获得比较满意的推力。这在太空中问题不大,因为航天器几乎不受阻力,因此喷出少量的空气就足以使其运动。然而,对于路上的汽车,空气阻力和道路摩擦力非常显著,因此喷出空气的效果大打折扣。特斯拉电动车的 COPV 必须足够大,才能提供足够的推动力。Abuelsamid 表示,“如果 COPV 真的能像马斯克宣称的那样给汽车提供值得一提的推力,这个气瓶也会把车内空间占得所剩无几。”

特斯拉应该会研发能承受更高气压的 COPV 来减小体积,但是这必须增加气瓶强度来确保安全性。当然,马斯克认为这不是问题,因为他计划使用的 COPV 已经在猎鹰 9 号火箭上长期使用,NASA 的载人飞行任务也认可其安全性。马斯克曾在 5 月的一次发射前会议上表示,“这是目前人类研发的最先进 COPV。”

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图丨马斯克强调其 COPV 可靠性,同时也承认,“如果要给跑车加装 COPV 的话,其不小的体积将会占用车上位置,原本的 4 座恐怕将会变为两座。”

当然,很多专家仍然质疑 COPV 的安全性。即使是猎鹰 9 号的 COPV 也有过事故教训。2016 年 9 月 1 日,准备为 Facebook 发射卫星的猎鹰 9 号火箭在佛罗里达进行测试时爆炸,其元凶就是 COPV 的破裂。SpaceX 宣称,事故原因是燃料箱中的超低温液氧和 COPV 的摩擦破坏了 COPV——COPV 外侧的碳纤维层没有能经受住考验。SpaceX 在此事故之后,对 COPV 进行了重大升级,同时暂时放弃了原有的极限加注方案,并在箭体储箱内部追加了一个氦气储罐以确保安全。

而除了 SpaceX 之外,NASA 也在积极探索新的 COPV 制成材料。例如一向对纳米材料非常重视的 NASA 太空技术任务理事会(STMD)就在去年基于碳纳米管纤维制成了新的 COPV。相较于碳纤维复合材料,碳纳米管纤维具有更强的结构特性,是当前最先进的结构材料,根据 NASA 计算机模拟分析显示,使用碳纳米管增强体的复合材料可使运载火箭总重量减轻 30%,这是其他任何技术都无法比拟的。

但这并不意味着 COPV 版特斯拉汽车就十分有前景。虽然车载 COPV 不会被超低温液氧包围,然而,高压气瓶的放气过程本身就会导致气瓶温度的急剧变化。放气越快,COPV 温度越低。如果为达成高加速度而快速放气,气瓶仍然有可能会进入到强度不可靠的低温范围;而如果把放气速度控制在安全范围之内,高压空气能提供多少推力就很值得怀疑。

此外,喷出的高速气体也可能对路上的其他车辆造成潜在威胁。具体来讲,气体从 COPV 中喷出的速度可以高达每小时 2400 公里,这种速度足以吹起路上的细小垃圾,对正在高速行驶的其他汽车构成致命威胁。退一万步来讲,即使特斯拉真的解决了以上的问题,还有一个拦路虎:释放高压空气的噪音很大。现有法律对汽车的噪声做出了严格规定,而 COPV 版特斯拉能否满足现有法律的噪声规定值得怀疑。Sullivan 表示,“内燃机汽车的噪音不大,但是气瓶放气的声音很可能大到触犯法律。”连马斯克也承认,喷气功能不适用于城市环境。

总之,COPV 版跑车是一个技术上可行的点子,但是一方面,很可能该车无法在城市中使用喷气功能;另一方面,由于边际收益递减的约束,让一辆加速度已经很高的车进一步提高加速度,或许只会在某些特定场景下才能发挥其价值。

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