10月15日,特斯拉在美国得克萨斯州麦格雷戈的SpaceX试验场,发布了推迟多年的新款Roadster跑车。
演示中,一辆车内无人的样车先吸附在倒悬的弯道上,随后脱离弯道,在空中翻转180度,最后稳稳用轮子落地。
它还从一排特斯拉轿车和一辆Semi卡车上方一跃而过。
现场画面迅速刷屏,“飞车来了”的说法随之而起。
但如果用物理学的尺子量一量,这辆车更准确的身份是一辆“会跳的超跑”,而不是能在天上通勤的飞行汽车。
一枚不点火的“空气火箭”
这辆车靠两套系统完成特技。
第一套是10个冷气推进器,由约600升高压空气供气,负责推车前进和短暂托起车身。
第二套是车底风扇,把车底空气抽走形成负压,像吸盘一样把车“吸”在路面或倒悬的弯道上。
所谓冷气推进器,就是不燃烧任何东西,只让高压气体从喷管高速喷出,靠反作用力推动车身。
航天器常用它调整姿态,优点是简单可靠、开关只需毫秒级。
缺点同样明显,就是效率很低。
按基本物理估算,常温空气膨胀后的喷气速度理论上限约为每秒770米,实际工况下大约每秒450至600米。而燃烧火箭的喷气速度在每秒3000米以上,两者差了好几倍。
特斯拉公布了加速和推进器的数据,却始终没有公布滞空时间和飞行高度。现有报道都只用“短暂”“很短的跳跃”来形容这次飞行。
屏幕上还显示过4700公斤下压力的数字,有汽车媒体认为,对一辆不到2吨的车来说这个数值偏高,存疑。
满罐空气,只够悬停几秒
能在空中待多久,关键看那罐空气。特斯拉只说气罐约600升,由碳纤维缠绕压力容器组成,并没有公布压力。
若按高压气瓶常见的300至700巴估算,罐内可用空气大约150至300公斤。
一辆约2吨的车要悬停,推进器每秒需要喷掉相当于半个人体重的空气。
照此计算,满罐气只够全力悬停约3至10秒,即便按最乐观的假设,也只有约13秒。这与演示中几秒钟的腾空正好吻合,也解释了特斯拉为何只展示跳跃和翻转。
至于翻转,靠的是差动推力。车身四周的推进器推力不同,就会产生绕质心的力矩,让车像体操运动员一样在空中转身。
最高配的Rocket版号称0至60英里时速不到0.59秒,平均加速度至少约4.6倍重力加速度。
轮胎靠摩擦最多提供约1至1.5倍重力加速度,剩下的只能靠推进器硬推。
有报道称尾部推进器推力达80千牛,对一辆2吨的车恰好约等于4倍重力加速度。
代价是耗气惊人,一罐气只够1至2秒全力加速。
车底风扇的原理则更朴素。只要车底与车顶之间形成约5.6千帕的压差,不到一个大气压的6%,吸力就能抵消整车重量。
这套技术并不新鲜,1970年的Chaparral 2J和1978年的Brabham BT46B都是“风扇车”,后者只比赛一场就被F1禁用。
特斯拉的新意在于,用人形机器人Optimus的执行器来调节车底侧裙,让吸附效果适应不同路面。
为什么说它离“飞车”还很远
从效率看,冷气射流天生不适合长时间飞行。动量理论告诉我们,推力相同时,推动的空气越少、喷得越快,耗费的功率就越大。
悬停一辆2吨的车,冷气射流约需4.4至5.9兆瓦功率,而桨盘面积约40平方米的旋翼只需约280千瓦,差了15到20倍。
问题在于,40平方米的桨盘比一辆跑车的车底大十倍以上,根本塞不进车身。这正是Joby、Archer等电动垂直起降飞行器和小鹏汇天等陆空两用车选择旋翼的原因。
安全是另一道坎。约600升高压气体储存着数十兆焦的能量,同类压力容器曾与多次火箭事故有关,碰撞和反复充放气都是汽车从未遇到过的工况。
车一离地,轮子和方向盘全部失效,姿态只能靠十个推进器的开关组合控制。气罐放气时压力和质心不断变化,控制系统必须实时补偿。
推进器的噪声足以损伤听力,演示时观众要站在数百码之外。马斯克本人也说过,安全不是主要目标,特斯拉会努力不让人在车里出事。
4至5倍重力加速度的冲刺加上空中翻转,对普通人的身体是真正的考验。
补气同样是个隐形难题。把200公斤空气压到300巴,理想情况下就要消耗约27千瓦时电能,车载压缩机充满一罐很可能需要数十分钟甚至更久。
监管同样一片空白。美国联邦航空局表示这辆车不符合航空器定义,公路安全管理局未作回应,特斯拉官网也写明飞行版本未获批在公共道路使用。
发布会公布了三个版本,极速都号称超过每小时370公里。只有吸附风扇、不带推进器的Performance版,被普遍认为最可能合法上路。
售价尚未公布,Performance版预订金为5万美元,Thrust版预订金高达25万美元,Rocket版则仅限邀请购买。
带尾部推进器的Thrust版大概率只能在赛道驰骋,绕车一周装满推进器的Rocket版则更像封闭场地里的表演品和收藏品。
从2018年马斯克提出“SpaceX套件”,到如今正式亮相,这款车用了八年多,其间经历多次延期,目标也从“接近飞机”缩小为“短时腾空”。
分析人士评价这是一次工程能力的炫耀,而非近期产品的证据。马斯克称其将于2028年投产,届时能否兑现,仍有待观察。
要把它变成真正的飞行汽车,必须换用旋翼等高效升力方式,并走完航空认证。那时,恐怕就是另一辆车了。