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2003年成立的特斯拉，经过十几年的努力，已经让大部分车企认同电动车是未来的方向，那么电动车之后的 Next Big Thing 是什么呢？先听一下伊隆·马斯克本人的预测吧。
如果你仔细看过2010年的电影《钢铁侠2》，你可能注意到马斯克本色客串时候，讨论的不是宇宙飞船，不是人工智能，而是电动喷气机。其实对于电动超音速垂直起降飞机，他唠叨过不止一遍，有人整理了他对于这个话题发言：
Elon Musk - VTOL Electric Jet_腾讯视频
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马斯克的唠叨是值得仔细分析的， 他之前唠叨过要挖隧道，于是业余时间造了台掘进机；唠叨过要做脑机接口，于是组建了最强的脑机接口工程团队。那么他为什么想造电动飞机呢？
与汽车类似，飞机的运行成本，很大一部分来自燃料。不过马斯克眼中，
电动汽车和电动飞机的合理性体现在效率，油价波动并不会改变这一点
。从第一性原理（First Principle）概括：
飞机飞得越高，阻力越小，能耗越小，但是高空氧气不够烧，所以我们把飞机装满电池吧
。（而且在没有氧气的其他星球也能用，比如火星无人机显然只能是电动的）
特斯拉和 SpaceX 如果联手打造电动飞机，最大的瓶颈毫无疑问是电池能量密度，而马斯克显然从不是屈尊于混合动力的人：“电池的能量密度每年进步10%-15%，如果达到400Wh/kg（他有时候说500Wh/kg），并且电池占飞机总质量70%~80%，接近化学燃料占火箭的重量，达到横跨美国东西海岸航程的电动飞机就足以让人信服”（作为参考，空客E-Fan的电池占总重30%，可以飞跃英吉利海峡）。
电动飞机的另外一个优点是方便姿态控制，可以缩小升降舵和方向舵，甚至砍掉尾翼，从而降低阻力（无尾翼飞机已经存在，只不过少见）。整个机身都可以作为升力面的翼身融合结构。在马斯克眼里，为了降低风阻系数砍掉汽车后视镜，和取消控制舵面，是一个逻辑。
这次，我们来探讨一下电动飞机怎么做到垂直起降和超音速。
垂直起降飞机/飞行汽车
上图是人类对于垂直起降机/高速直升机的一些早期探索。狭义的飞行汽车并不实用，因为作为汽车的碰撞安全性和作为飞机的轻量化很难兼顾，用于地面行驶的额外重量太浪费了，客户迫切需要的是更优秀的直升机，而不是可以跑的直升机，但是飞行汽车的比喻含义还是比较浪漫的。
Uber在2016年10月发布了Uber Elevate按需航空服务白皮书，瞄准中短程25-60英里市区航空，从第一性原理推出的结论是发展分布式电动推进飞机，作为Uber的“空中出租车”，提供日常通勤服务，对比直升机，有希望实现更低的噪音、运行成本、维护成本。
作为参照和靶子，世界销量第一的罗宾逊直升机公司，档次最低的罗宾逊 R22 标准配置报价29.2万美元，不包括飞机折旧和飞行员工资的每小时运行成本145.63美元，0.93美元/英里，其中维修保养占成本一半，燃料约占30%，这两点都是电动飞机的天生优势。
目前直升机价格贵的原因在于市场需求小，产量低，这两条互为因果。笔者参观罗宾逊直升机工厂的最大感受，就是自动化率低：铝管和铝皮的机身，没有流水线，而是在单独工位上人工打孔组装，看不到工业机器人或者AGV自动运输小车；每一架飞机都是用户自选配置，手工定制。
Uber所期望的垂直起降飞机，其产业链会更接近汽车，Uber认为对于飞机和汽车制造业，产量每增加一倍，成本降低15%。如果由特斯拉制造电动飞机，在生产效率方面对比传统直升机企业会有显著优势。不过值得一提的是，马斯克本人出于安全性顾虑，不看好“飞行汽车”。
产品成熟之后，普及市区飞行最主要的瓶颈是噪音和起降场地问题。Uber在2017年4月举办了 Uber Elevate 峰会，飞机制造、政府监管、房地产、风投等行业的嘉宾纷纷建言献策。但随着董事会内斗，创始人特拉维斯·卡兰尼克不再担任Uber CEO，Uber Elevate的未来也面临着阴影。
小型固定翼电动飞机
Uber的最终目标是运营自动驾驶的电动飞机，但在短时间内仍然可能产生大量的飞行员短缺，而电动飞机同样可以显著降低飞行员培训成本。
对于小型固定翼飞机，取消机头引擎，可以减小机头截面积，从而降低阻力。面向初级教练机市场的电动飞机，典型案例是Sun Flyer，总运行成本16美元/小时，而对标的赛斯纳172，成本88.31美元/小时。
氢动力飞机
查理·芒格曾经说过：对于一个手里拿着锤子的人，一切都像钉子。马斯克对于锂电池的偏好，显然不能说服所有人放弃燃料电池，氢气的能量密度优势对于飞机还是很诱人的，下面列举了一些机型。
另外，Facebook，Google，Luminati等公司，在研发用于边远地区通信等场景的太阳能高空超长航时无人机，因为并非交通工具，本文暂不讨论。
电动化客机
在有严格航程门槛的民航市场，纯电动飞机显然由于锂电池能量密度限制暂时难以实现，但是混合动力对于民航客机是有实际意义的。与汽车行业类似，民航客机的环保水平也由政府法规推动，民航占全球2%的二氧化碳排放，欧盟设定了相对于2000年减排75% CO2，90% NOx，降低噪音65%的目标（主要指机场附近噪音）。
在目前民航机主流的大涵道比涡轮风扇发动机中，为飞机提供大部分推力的风扇的最佳推进转速较低，而作为动力源驱动风扇的核心机，包括压气机和涡轮在内，在高转速下具有较高的热效率。因此，采用电传动，给风扇和核心机解耦，可以减少压气级数量，提高热效率和推进效率，降低噪音和氮氧化物排放。这种电传动的全电飞机，虽然经过了“化学能—机械能—电能—机械能”的复杂能量转换，但是仍然有希望通过优化每一环节的运行效率，最终在燃料经济性方面超过现行的大涵道比涡扇发动机，从而适用于对于成本要求苛刻的民航产业。
电动化除了省油费，在客机领域还有附带的好处：因为电动机相对传统发动机需要吸收的振动较小，所以机身结构可以更轻；因为振动会导致机身疲劳，所以电动飞机可以减少检修需求。
E Thrust Electric Aircraft propulsion syst_腾讯视频
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欧洲宇航防务集团（EADS）和航空发动机制造商罗尔斯.罗伊斯，在2013年联合提出了混动客机概念E-Thrust， 电动分布式推进系统以实现低油耗，低排放和低噪音，这个概念的涵道比可以达到20，当飞机需要减速的时候甚至可以风力发电，类似于电动车的制动能量回收。随后空中客车集团与西门子合作开发混动推进系统，希望在2030年实现100座、航程1000公里的电动飞机。
SUGAR Volt_ Boeing's Hybrid Electric Aircr_腾讯视频
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波音也根据NASA研究合约开发了自己的混合动力客机概念，SUGAR Volt，其喷气式发动机在起飞时候烧油，巡航模式下完全靠电力运行，可降低燃料70%。此外，波音还投资了混合动力客机初创公司Zunum Aero。
从下表我们可以看出，机龄新、视节能技术为生命的廉价航空公司，为了在10欧元机票上赚更多的钱，会成为电动客机实用化的急先锋。
超音速客机这件事
马赫是衡量飞机速度的单位，一马赫即一倍音速。可能是已经习惯了自己的达索猎鹰900和湾流G650 ER 公务机的0.9马赫速度，马斯克每次唠叨梦想中的电动飞机都要强调超音速和垂直起降两个要求，这才是他眼里“终极的交通方式”。上世纪60年代人类就造出了协和客机，如今却失去了超音速交通，一些企业家把填补这个遗憾作为目标。
当年协和客机遇到的一个重要限制就是在陆地上超音速的噪音太大，引发当地居民抗议，马斯克认为电动飞机提高飞行高度有可能解决这一问题。（另外一种特立独行的降噪方法是等离子体降噪，日本铁道综研技术研究所做过使用离子体激励器，控制气流，降低受电弓弓头引发的噪声的实验。）
但是锂电池驱动的常规客机尚未实现，做到超音速显然难。即使电池足够给力，用电机驱动螺旋桨或者涵道风扇，要让飞机达到超音速，从动力上仍然是一个很大的挑战。为了给电动飞机进一步提高推力，有人选择在后面添一把火，提出了无涡轮涵道风扇发动机的概念（Turbine-less Ducted Fan Jet Engine），用氢燃料电池驱动一个电动涵道风扇，后面加上燃烧室烧氢气来增加推力，以亚音速为目标。
柏林工业大学的 Berkant Göksel 教授，在2005年造出了世界上第一艘由等离子发动机推动的飞艇b-Ionic Airfish，没有任何可移动机械零件，在尾部设置静电式离子喷射推进。这一设计未来可以实现比现有的螺旋桨飞艇飞行高度翻倍，达到50公里高空。最终希望实现的理想是，在飞行器的整个表面施加微小等离子体放电，从而完全被等离子体“气泡”包裹，降低阻力。企鹅的羽毛镶嵌有无数的微气泡，实现了优秀的阻力系数，飞艇仿照企鹅外形的寓意也就在此。
他2017年还开发出了右图的吸气式磁等离子体推进系统，俗称“电浆引擎”，每秒钟1000个脉冲，其推力/面积比达到现代喷气式发动机水平( 50 - 150 kN/m2)，但是耗电量当然非常恐怖，锂电池近期不可能支撑，要靠这个让飞机达到高超音速，可控核聚变遥遥无期，人类能装在飞机上能量密度最高的还是化学燃料，接下来的 Richard H. Lugg 就是这样做的。
Richard H. Lugg 担任 HyperMach Aerospace 和 SonicBlue Aerospace 的 CEO，正在研发的高超音速飞机 SonicStar 音速之星（在前面的图有简介），计划应用磁等离子体的主动层流控制，实现降低阻力、减小音爆噪声，甚至近太空控制。这些功能所消耗的巨大电力，由Lugg发明的特殊发动机 H-Magjet 顺便提供。
H-Magjet 发动机（Hypersonic-Magnetic Advanced Generation Jet Electric Turbine，高超音速磁性先进发电喷射电动涡轮发动机），对比传统的喷气式发动机，取消了中间的机械传动轴，每一级涡轮驱动独立的超导发电机，产生的电力分别驱动前面每一级风扇、每一级压缩机叶片的独立超导电动机，这样可以允许每一级叶片以各自的最佳转速运行，压缩比提高，压缩机的级数也得到简化，在一些专利中提到用磁通量场传递动力，以及磁悬浮。在燃烧室方面，Lugg采用等离子体喷射，通过电雾化和控制电离来实现燃烧和电弧阵列火焰控制，让燃烧更加彻底。发展型号的目标是整合超燃冲压和等离子体火箭模式，最终实现单级入轨（Single Stage To Orbit— SSTO）。
超导技术已经在超导电缆、核磁共振等领域得到了一定规模的实用化，但是超导材料的能力并不是无限的，超过临界电流会破坏超导态。Lugg在专利中写到，临界温度70K的钇钡氧化铜，临界电流密度可以满足其需求，超导器件供应商包括美国SuperPower，韩国SuNam和新西兰HTS-110公司。
地球客运火箭
马斯克认为电动飞机在高空低阻环境下可以做到跨大陆（例如纽约到洛杉矶），而对于最远的跨洋航线，他拿出了Big Fucking Rocket—“他妈的大火箭”。
BFR | Earth to Earth_腾讯视频
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SpaceX 占全球商业发射的市场份额，2017年预计45%，2018年预计60%。2017年9月29日，马斯克在国际宇航大会上宣布了行星际运输系统的新进展：为了
简化产品线，提高研发和生产效率，决定使用一款通用飞船
完成殖民火星/月球的理想，同时取代现有火箭，兼顾地球轨道的送货生意，还打算搭载乘客，在地球飞跨洋航线。例如纽约到上海39分钟，到全球任何地点不超过一个小时，马斯克希望做到价格与飞机经济舱相当。因为大部分航程在外太空没有阻力，发动机只需要在起飞和降落开机，寿命和维修保养成本就是这件事的关键了。
SpaceX 回收成功的火箭太多，已经造成了机库装不下的烦恼，作为世界上
独一无二的火箭运营商
，需要扩建机库来容纳更大更多的火箭。
下集预告：
交通能耗主要在于介质阻力，无论是水下还是地面，火车还是飞机，那么以第一性原理的角度考虑，从根本上解决问题的方法就是改变介质。这一思路在水下的例子是超空泡鱼雷/潜艇/炮弹，空泡并不是喷空气产生，而是高流速产生的低压环境下，沸点降低产生的水蒸气。
对于在空气中的交通工具，想要让介质变稀疏，从根本上降低阻力，除了上文提到的飞得更高、直至外太空，把空气变成等离子体，还有一种人造低阻环境的方法，就是马斯克2012年提出的 Hyperloop “超级高铁”，
“协和客机、电磁轨道炮和气垫球台的跨界”。
既然飞机电池的能量密度不够用，那就从地面得到动能，为飞机提供升力的机翼塞不进管道，那就拆掉换成气垫悬浮，所以
追溯血统，Hyperloop 其实是电动客机的特殊妥协，而不是火车的进化
。马斯克认为 Hyperloop 是对于1500公里以内城市的特定解决方案，因为在中短航线，超音速飞机大部分时间都在稠密的大气层上升下降，因此 Hyperloop 更有优势。我将来会写文章专门介绍 Hyperloop。
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明势资本 投资经理
啸语
原创技术观察，写给万分之一的创新者
BP可发邮箱 [email protected]
