特斯拉为什么要把汽车送上天?
特斯拉新Roadster最让人不适应的画面,不是它飞起来。
而是它飞起来之前,居然还在慢慢开。
第一次看演示,我甚至以为视频被放慢了。
一辆号称百公里加速不到1秒的超级跑车,在弧形跑道上缓缓前进,随后车辆停止,推进器开始工作,车身离开地面,在空中完成翻转,再落回地面。
这时候你才意识到:
它不是在表演汽车的速度。
它是在表演一件汽车过去根本不需要做的事情——
摆脱地面。
这就有意思了。
因为汽车工业过去一百多年,几乎所有的性能进步,都是围绕着同一个前提展开的:
车必须在地面上。
而特斯拉这次,偏偏开始研究怎么让它离开地面。
它究竟是怎么飞起来的?
先把“飞行汽车”这个容易产生误解的词放一边。
Roadster并没有变成一架飞机。
没有机翼,也不是依靠螺旋桨产生升力。
它采用的是更直接、也更粗暴的办法:
向下喷气,利用反作用力把自己顶起来。
这就是牛顿第三定律。
你把空气高速向下喷,空气获得向下的动量,汽车获得向上的反作用力。
听起来简单,但真正困难的是:
一辆汽车有多重?
假设车辆质量在2吨上下,那么仅仅抵消重力,就需要大约20千牛的向上推力。
如果还想继续上升,推力就必须超过这个数。
特斯拉公布的信息显示,Roadster的Rocket版本使用10个冷气推进喷口,储气系统总容积约600升、储存约250公斤压缩空气;后部4个主推进器的总推力超过80千牛。
80千牛是什么概念?
它相当于能够提供大约8吨重量的重力抵消能力。
所以从纯粹的力学关系看,让一辆两吨多的汽车离地,当然是做得到的。
问题从来不是“能不能飞起来”。
问题是:
能飞多久?
这时候,浪漫就开始碰到物理学了
Roadster用的不是燃料火箭。
它没有在车里烧煤油,也没有液氧甲烷发动机。
它使用的是冷气推进器。
高压空气提前储存在压力容器里,打开阀门以后,通过喷口高速释放。
空气本身就是“工质”。
这套东西在航天器上并不陌生。
卫星需要调整姿态的时候,可以通过类似原理控制旋转。
SpaceX的火箭也使用相关的冷气系统进行某些控制。
现在特斯拉做的,是把这套航天工程思路搬到汽车上。
但汽车和卫星最大的区别在于:
卫星不需要考虑自己跑500公里以后还剩多少续航。
汽车需要。
所以一旦开始计算储气量,事情马上变得现实。
600升储气容积听起来很大。
250公斤空气听起来也很多。
可是推进器真正工作的时候,消耗速度同样惊人。
按照冷气推进的基本关系,推力约等于质量流量乘以喷气速度。
如果需要维持几十千牛甚至更高的推力,每秒钟消耗的空气就可能达到几十公斤乃至更高的数量级。
因此,Roadster所谓的“飞”,从工程意义上更接近:
一次高能量、短持续时间的跳跃和姿态机动。
而不是飞机那种持续飞行。
这也是为什么,看到“Roadster会飞”以后,最应该问的不是:
“它能飞多高?”
而是:
“它把多少储存的能量,在多短的时间里释放出来?”
这才是工程问题。
更奇怪的是,它一边想飞,一边还在拼命往地面吸
这可能是整个Roadster最有意思的地方。
它不仅研究怎么离开地面。
还研究怎么更牢地贴住地面。
车辆底部的风扇系统,可以主动降低车底压力,从而产生额外的下压力。
这里也要把概念说准确。
所谓“4.7吨下压力”,并不是说车里凭空多了一块4.7吨的铁。
它指的是:
车辆获得了一个相当于4.7吨物体重量的向下作用力。
如果一辆2.35吨左右的车能够获得4.7吨级下压力,那么这个下压力大约相当于车辆自身重力的两倍。
这就是为什么演示中它能够在特殊结构上保持倒置状态。
特斯拉展示的风扇吸附能力,本质上是通过改变车底压力,让大气压力把车辆压向表面。
所以网上那个“大号吸尘器”的比喻,虽然很形象,但其实还不够准确。
真正关键的不是“吸力有多大”。
而是:
它能不能持续维持一个低压区域。
而这里马上又出现了一个工程难题:
漏气。
车底不可能是实验室里的完美密封腔。
路面不平。
车身在运动。
裙边会变形。
空气会不断从缝隙进入。
风扇必须不停地把这些漏进来的空气抽走。
所以这种系统最麻烦的地方,未必是风扇本身。
而是:
你能不能让车底保持足够稳定的密封。
这也是为什么类似技术过去就在赛车领域出现过。
Chaparral 2J、Brabham BT46B,以及后来的McMurtry Spéirling,都证明了一个事实:
主动吸附可以在很低车速甚至静止状态下制造巨大的下压力。
所以Roadster并没有凭空发明“吸地”。
它真正特殊的地方,是把这种赛车技术和航天推进技术放进了同一个汽车平台。
于是,一辆车出现了两个方向完全相反的工程目标向下。
风扇把它压在地面上。
向上。
推进器把它推离地面。
这看起来像是一种矛盾。
实际上恰恰相反。
因为车辆在不同状态下需要不同的控制方式。
高速过弯的时候,你希望轮胎拥有尽可能大的法向力。
因为轮胎能够提供多大的横向力,很大程度取决于它被压在地面上的程度。
而在离地状态下,轮胎突然失去作用。
这时候车辆的控制方式就从:
轮胎—地面
变成了:
喷流—空气—车身姿态。
这才是Roadster技术上最值得看的地方。
它实际上在尝试让一辆车拥有两套完全不同的“运动学逻辑”。
但这仍然没有回答最重要的问题为什么?
为什么要花这么大的工程成本,把一辆汽车搞得这么复杂?
如果只是为了制造一个发布会上的“飞天瞬间”,那么这项技术的价值其实非常有限。
所以真正的问题不是:
Roadster有没有用?
而是:
有没有一些今天看起来没用的技术,最终会改变我们对一个行业的理解?
这时候,才轮到SpaceX登场。
火箭回收最重要的,也不是那一秒钟的“降落”SpaceX第一次把火箭一级成功送回来时,最容易被记住的画面就是:
火箭自己落回来了。
但真正重要的东西,其实发生在画面之外。
过去的火箭是一种典型的一次性产品。
制造。
发射。
消耗。
报废。
如果一级能够重复使用,那么真正被改变的不是“火箭能不能落地”。
而是:
每次发射究竟需要消耗多少固定资产?
于是问题从工程问题变成了经济问题。
这才是技术真正产生产业影响的地方。
Roadster现在还没有走到这一步而且差得很远。
它现在证明的是:
汽车可以使用冷气推进获得短时间离地能力。
它没有证明:
飞行汽车具有大规模商业价值。
这是两个完全不同的命题。
甚至我认为,Roadster最终很可能不会成为一种普遍的交通方式。
因为如果它真的想进入普通人的日常生活,它还必须解决大量问题:
安全。
法规。
噪声。
能耗。
可靠性。
维护。
使用场景。
这些问题没有任何一个可以靠“技术很酷”解决。
所以,我不会把Roadster直接称作“未来汽车”。
但我也不愿意用“没用”把它一句话盖棺定论因为“没用”有时候是对产品的评价。
而技术的价值,可能完全在另外一个维度。
假设未来证明:
汽车根本不应该飞。
那Roadster的飞行能力可能确实没有留下多少商业意义。
但是为了实现它,人们必须解决的问题仍然存在:
如何在有限空间储存高压气体?
如何高速、精确地控制多个喷口?
如何让车辆在空中保持姿态?
如何在毫秒级时间尺度内调整推力?
如何把航天器的控制逻辑和汽车控制系统结合?
这些能力有没有别的用途?
现在没有人能够完全回答。
而这恰恰是技术研发最真实的地方。
技术的终点,往往不是发明者最初设想的那个产品。
这也是我看Roadster时真正觉得有意思的地方不是:
“特斯拉终于造出了飞行汽车。”
这句话太容易了。
而是:
“特斯拉为什么愿意花这么大的力气,去挑战一个看起来根本没有必要挑战的东西?”
答案可能很简单:
因为它想知道。
汽车的边界究竟在哪里。
过去一百多年,我们把汽车设计成四个轮子,是因为地面交通最有效。
我们使用轮胎,是因为轮胎与地面的摩擦可以提供驱动力和转向力。
我们使用悬挂,是为了让车轮始终尽可能接触路面。
所有这些技术都不是自然法则。
它们只是人类在特定技术条件下找到的最优解。
而Roadster做了一件很有意思的事情:
它没有接受这个“最优解”就是终点。
它把问题继续往前推了一步。
如果轮胎不够怎么办?
增加主动下压力。
如果地面不再是唯一运动平面怎么办?
增加推进系统。
如果车辆离开地面以后没有轮胎提供控制怎么办?
用分布式推力控制姿态。
这时候你会发现:
Roadster真正挑战的不是某一辆法拉利或者保时捷。
它挑战的是汽车工程师脑子里那个已经存在了一百多年的模型。
所以,我不认为今天应该给Roadster一个“成功”或者“失败”的结论它现在还没有资格得到这样的结论。
如果未来它只能成为几百个富豪手里的昂贵玩具,那么从交通工具的角度,它的价值非常有限。
如果它最终能够量产,并把其中一些技术变成真正有用的能力,那么我们今天看到的这些“疯狂设计”,才可能获得第二层意义。
但无论最终是哪一种结果,我认为Roadster已经完成了一件事情:
它让一个原本不会被认真提出的问题,重新出现在我们面前。
汽车一定要永远留在地面上吗?
过去的答案是:
当然。
现在的答案变成了:
至少从物理上看,不一定。
至于这个“不一定”最终值不值得成为现实世界的一部分,那是另外一场考试。
而科技真正有意思的地方,往往就在这两个答案之间。
不是把一个荒唐的想法直接宣布成未来。
也不是因为它今天没有用途,就把它嘲笑成玩具。
而是先承认:
我们已经做到了。
然后再问:
接下来,它究竟能不能证明自己值得被做到?
这或许才是看待Roadster最理性的方式。
因为SpaceX当年真正改变的,也不是“火箭会降落”这件事。
而是它让我们重新计算了火箭。
而Roadster现在做的,至少在这个意义上,提出了一个类似的问题:
当汽车第一次开始尝试摆脱地面,我们是不是也该重新计算一下——汽车究竟是什么。