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马斯克要造电动飞机,是黑科技还是炒作?

发布时间:2015-12-10 下午4:18

作者: 藤曼

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谈起电动汽车,想必大家都不陌生——“高端大气上档次”的特斯拉电动车在媒体爆炒下无人不知,无人不晓;“低调土鳖有内涵”的比亚迪混电/电动车虽然名声不如特斯拉显赫,却在广东成为出租车和公交车进入人们的日常生活,甚至还有比亚迪的电动公交车出口美国。

前不久,埃隆马斯克提出要造电动飞机,可参考网上消息《马斯克又要发大招:建造电动超音速飞机》——?? “包括飞机和轮船的所有交通工具都将全电动化——不只是半电动的混合动力,而是完全的电动化,”马斯克说道,“这是完全没有问题的。”


电动飞机是黑科技?

其实电动飞机并不是黑科技,国内外早有一系列成熟的产品。

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E-Spyder

E-Spyder由中国某公司设计,于2009年在美国EAA展示。E-Spyder是一款超轻型单座锂电池电动飞机,动力装置为一台20千瓦的电机,续航时间40分钟。

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E-430

E-430由中国某公司设计,采用近似动力滑翔机的外形设计,高度流线形低阻机身使飞行能耗降到最低。机头安装的动力系统主要包括电动机和三叶复合材料螺旋桨。整机采用全复合材料,具有结构简单、重量轻等优点。

E-430空重255千克(包括蓄电池),最大起飞重量430千克;最大平飞速度150千米/小时,巡航速度95千米/小时。标准续航时间2小时,最大续航时间3小时。

因电费比航空燃油便宜,飞机最大优点是经济性好。目前,飞机已通过了德国适航认证。

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RX1E

RX1E由沈阳航空航天大学设计,于2012年11月面世。该机以稀土永磁同步电动机为动力,高能锂电池为能源,整机使用复合材料,一次充电飞行45-60分钟,最大时速160千米/小时,最大起飞重量480千克。RX1E于2013-2015年获得适航证和生产许可证,并已量产,售价为98万人民币。试生产的首批18架已与客户签约,并已部分交付客户,被用于飞行训练,将来可能还会用于旅游观光。
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E-Fan

E-Fan由空客设计,续航时间为45分钟至1小时,最大时速218千米/小时,双电机总功率为60千瓦,最大起飞重量580千克。2015年,E-Fan成功飞越英吉利海峡。

因此,电动飞机虽然听起来科幻感十足,但并非黑科技,中国和欧洲早已有一些列成熟产品,有的早已亮相展会,有的拿到了适航证和生产许可证,有的已经交付客户使用。



电动飞机技术难点

●锂电池电动力系统

锂电池电动力系统由锂电池组输出直流电,DC一DC转换器对电压和电流进行调制,然后输送给DC一AC转换器逆变器,再输送给交流电机,或者输送给脉冲宽度调制器,最后输送给直流电机。电机带动螺旋桨推动飞机飞行,整个系统的运行由综合控制系统进行控制。为保障锂电池组的性能和有效工作,需要具备条件电池单体的高性能和一致性,低电阻连接设计,电池包良好的散热结构,电池包管理系统等。

高性能与一致性看起来简单,而国内新能源汽车创业公司大都选择日韩电池的原因却往往就在这里。

?????? 锂电池电动力系统最大的不足是锂电池比能量数值有限。

具体来说,锂电池和汽油的比能量数值分别为:0.15—0.25kWh/kg和12—12.5kWh/kg,碳氢燃料是除液氢外比能量数值最高的燃料,即使只有30%的能量被利用上,比能量仍高达3.6—3.7kWh/kg,相当于锂电池的20倍。

? ? ? ? 电动力系统存在偏重的问题。

电动力系统和机体结构的重量系数达到0.70—0.85,约为常规飞机的2倍。另外,电动飞机还存在性能差,环境适应性差,安全性、可靠性有待验证等问题。目前的电动飞机仅能满足最基本的飞行。

诚然,电力具有通用性、灵活性、可再生(相对于煤炭、石油、天然气)、输送的便捷性等特点使其在能源上具备先天优势,电力取代化石燃料是时间问题,但现在的技术水平还无法达到这一要求。哪怕是军舰所谓全电推进也是用大功率燃机发电,而非使用锂电池。

●气动布局技术

?????? 气动布局简单的说就是飞机的外形,因空气阻力和气流升力的影响,不同的外形会对飞机的性能造成很大的影响。

比如RX1E就采用了常规气动布局,常规布局可以把飞机的长宽比做到很大,利于发挥大机翼和长发动机的优势。而RX1E类似于滑翔机的设计,在电机动力有限的情况下给RX1E提供了升力。

另外,军机的气动设计会更加复杂,比如成飞的J10就采用了中距耦合鸭式布局;达索的幻影2000采用了无尾三角翼布局;洛马的F22因为其发动机F119独步天下,选择了常规布局。

因电动飞机在巡航时速度较低,飞行雷诺数低,而在高空长航时飞机飞行环境复杂(密度、温度、高空风等),大翼展机翼的气动弹性问题难解决,因此,电动飞机的气动设计要求比常规动力飞机苛刻,要达到极低能耗和极高效率。

??????? 气动设计是无数次成功或失败的经验积累,飞机模型要在风洞中反复测试,在试飞和交付用户后不断改进,这些都要花费巨大的时间成本和资金成本。

具体来说,顶级的风洞只有中、美、俄才有,而且因为风洞巨大的耗电量,往往会配属专门的核电站为风洞供电。而经过风洞验证的气动外形,会被用在原型机上,原型机在试飞过程中会根据实际情况改进气动设计,比如J20于2011年曝光,迄今为止以制造7架原型机,最新的2017和最初的原型机在气动设计方面已经有很大的改进。另外,原型机试飞是非常危险的,因为新的气动设计存在太多不确定因素,很有可能发生机毁人亡的事故。

气动设计和技术验证的门槛很高——韩国举国之力也很难完成,T50教练机只能找洛马做设计,吹风洞。以至于洛马曾经将韩国“国产”的T50教练机,作为洛马的产品,并放在洛马的官网上和其他洛马设计的飞机一同展示。(当然,T50教练机的气动设计难度和玩具一样的电动飞机完全不是一个难度的)。

?????? 诚然,如同玩具般的电动飞机的气动设计门槛远远无法与J20、F22这类4代战机相提并论,对波音、洛马、中航工业这样的老牌航空巨头来说更是小儿科的事情。

但对从未设计过飞机,技术积累为零的航空工业门外汉来说,如果不参照已有的成熟产品或公开的技术成果,或者像韩国人那样找航空巨头帮忙,一切要从零开始摸索的话,凭一己之力搞定电动飞机整条产业链可谓难于上青天。即使最后做出来了项目研发周期被大幅拉长,项目大幅延期是必然的。

●材料和结构

因电动飞机的动力系统存在重量偏大,功率偏低的问题,电动飞机机体结构就必须要比常规动力飞机更强,重量更轻。比如RX1E、E-Fan、E-430等都采用复合材料制造,机身空重普遍在200千克到300千克。

而电动飞机,特别是高空长航时的电动飞机本身的一些特性非常不利于结构设计,如超大尺寸/大挠度机体、大展弦比/大面积机翼、电动力系统部件集成安装等。这些特点使在设计上很难有效满足强度、刚度和气动弹性等基本要求。

?? ? ? 因此,结构和材料技术也是制约电动飞机发展的关键技术。

新型高强度轻质材料,如各种先进复合材料、高强度柔性薄膜;实现更高效率的全新的结构形式,如薄壁盒形梁/管形梁、桁架结构、蜂窝/泡沫夹芯结构;突破结构设计极限,包括尺度(如超长、超薄等)、形状和承载能力等。如果无法突破上述关键技术,那么电动飞机将因为超重无法起飞,或因为结构强度不足而在空中解体。

另外,航电系统、飞控系统等关键技术也对电动飞机至关重要。

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发布时间:2015-12-10 下午4:19

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马斯克遭遇的困境


●包装成高科技的特斯拉汽车

??? 特斯拉电动飞机最大的困境在于缺乏核心技术。

虽然对于电动飞机的具体信息还有待披露,但以电动汽车来看,特斯拉电动车在技术方面着实乏善可陈,马斯克在技术研发上的实力显然大幅逊色于其炒作能力和资本运作能力。

2014年,马斯克表示“如果我们的目标是创造令人惊艳的电动车,而我们的知识产权仅仅被用来抑制后来人,那我们的行为则是在违反我们的初衷。”于是特斯拉汽车公司宣布开放其所拥有的280项技术专利,相比之下,中国部分企业2013年获批专利数量为:

?? ? ? 比亚迪股份有限公司(340项专利)、华为终端有限公司(288项专利)、奇瑞汽车股份有限公司(276项专利)。

显然,特斯拉汽车公司所拥有的技术专利数量显然比不上比亚迪一年获批的专利数(注意:是获批,不是申请)。而和华为、中石化、中兴等更是相距甚远......(当然,不可否认,特斯拉还比较年轻,这里要讲的是特斯拉的技术专利还不成熟)

再看专利质量,特斯拉汽车公开的技术专利大多是关于气动避震、电传操控等方面,实际上传统汽车厂商在这方面研究深度也远远超过特斯拉汽车,好比中国将J5的技术资料公布于世,对洛马、苏霍伊、达索来说毫无技术价值可言......

而特斯拉真正具有竞争力的充满后现代和科幻风的外观——但马斯克说得很明白,“只共享技术专利”,对于外观设计专利......你懂得。

当然,马斯克的成就是无可否认的,这位致力于改变世界的男人在创新技术领域的贡献依旧是可圈可点的,这里只是就事论事来探讨下技术。



●电池技术上的不足

对电动汽车和电动飞机,具有高能量密度的电池尤为重要。特斯拉电动车的电池采用的是松下的NCR18650钴酸锂电池,一辆车用上8000枚串联的NCR18650钴酸锂电池。

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NCR18650钴酸锂电池

而钴酸锂电池虽然有着非常高的能量密度比,但安全系数并不高——钴酸锂电池在180摄氏度时都就会释放处氧气,氧气导致更加的不稳定,进而恶性循环,更多的氧气导致更加低的起火温度;另外,钴酸锂电池电解液稍有不慎,比如震动、温度升高就会造成电池内部压力升高,然后发生爆炸,而脆弱的电池外壳在受到外力撞击时很容易破裂,导致电解液挥发起火/爆炸——这是特斯拉实际起火/爆炸率远高于传统汽车的罪魁祸首。

中国工程院院士杨裕生也在近日发文传达了对新能源汽车的看法,里面提到:“蓄电池是含能器件,存在不同程度的危险性;比能量越高的电池,发生安全问题的几率越高,特斯拉不断烧车,可以为鉴。”

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自燃的特斯拉

而特斯拉在电池技术上的贡献仅限于电池的排列方式,添加了保险丝和冷却剂,说穿了就是因为电池不安全,所以设计更多的保障措施来降低风险。
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NCR18650钴酸锂电池的不安全性+锂电池组底盘排列使驾驶员处于潜在的火源之上。而底盘发生碰撞后,便会产生严重的后果。在血与火的教训后,马斯克对特斯拉底盘加装钢板,降低因底盘碰撞发生起火的概率。

特斯拉汽车想颠覆这个行业,但以特斯拉汽车在使用中的实际起火率来看,添加了保险丝和冷却剂,加装钢板等防护措施并没有起到多少作用——

??? 2013年10月1日,特斯拉Model S在路边起火燃烧;

??? 10月18日,特斯拉Model S在墨西哥高速行驶时失控,撞击混凝土障碍物后又撞击树木,停止后发生起火、爆炸;

??? 11月6日,特斯拉Model S在美国田纳西州士麦那起火燃烧,田纳西州公路巡逻队称,当天下午这辆电动汽车冲向拖车挂钩,撞击底盘后发生火灾;

??? 11月15日,特斯拉Model S车主把车停在了自家车库里充电,凌晨3点左右突然起火......

??? 在2013年,特斯拉Model S总计卖出21000余辆,相对于较小的总量,自燃概率着实不低。

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发生起火事故的Model S

而以电池起家的比亚迪(王传福在有色金属研究院就是研究电池的),虽然汽车技术相对国际大厂还有相当大的差距,但其磷酸铁锂电池安全性强,高温性能好,在350摄氏度以下是相当稳定,不必担心起火爆炸。

虽然,比亚迪电池的能量密度不如钴酸锂电池,但其安全性却是钴酸锂电池所不能比拟的——

??? 2014年4月13日,一辆比亚迪秦在充电中发生自燃事故,车尾烧坏,虽然充电线烧毁,但电池完好无损,比亚迪认为起火原因在于车主擅自改装,使用了劣质线插引起火灾;


??? 2014年10月7日,一辆运输20量比亚迪秦的平板车失火,20辆比亚迪焚毁,在烈火中焚烧1小时后电池依旧没有爆炸。在比亚迪的自燃事故中,鲜有因为电池原因引起的。

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平板车燃烧

马斯克之所以采用松下的NCR18650钴酸锂电池,很大程度上就是为了规避传统电动车公司的电池专利诉讼——至少在2014年以前,特斯拉汽车在最核心的电池技术上并无多大建树。

●能解决电池技术么?

早在2014年2月,特斯拉就在官网上发布消息,宣称要建成“全球最大”的锂电池工厂。

在原材料方面,虽然美国本土的锂电产业链并不强,但完全使用美国原材料的话,除了电池负极外,其他方面并非做不到:

??? 电池的电极方面,美国的正极材料生产商只有2014年刚建成的BASF位于俄亥俄州的正极工厂,但该厂产品显然不具备性价比;虽然美国有石墨矿,但并没有体量大、资历老的电极负极工厂,到时恐怕还是要从中国进口相对廉价的石墨负极材料。

电解液也可以从BASF在美国的Novolyte电解液工厂供货,膈膜有Celgard,虽然性价比比较低......

电芯生产技术方面,据传言特斯拉在和日本松下的合作过程中,挖走了一些电芯专家,那么假以时日,特斯拉解决电芯技术并非不可能。

因此,从技术角度而言,从中国购买负极材料后,特斯拉能依托美国的锂电池产业链生产锂电池,但是非常不具有性价比,在商业上的可行性并不高,而且在安全性方面也有待时间检验。另外,相对于比亚迪经过市场检验的磷酸锂铁电池,特斯拉在北美的电池工厂预期要到2017年才能投产。

●马斯克电动飞机的困境

即使解决了电池技术,并不意味着就能造电动飞机,上文提到过电动飞机的技术难点中很多都是需要在传统飞机制造业有一定技术积累才能做到的,这也解释了第一波造出电动飞机的是沈阳航天航空大学、空客等在传统飞机设计、制造方面有一定技术积累的机构。

而这恰恰是马斯克的软肋,如果无法获得外部的技术支持,比如借助美国强大的航空工业实力,类似于联想组装电脑那样,从美国航空工业产业链中采购零件组装电动飞机。单凭自己闭门造车,要成功打造电动飞机谈何容易。
结语

事实上,细心的人都能发现,每当马斯克兜售高科技概念之时,其股价必然疯涨。而马斯克,则高位套现退场,就像他对Paypal所作的那样。随后和NASA合作“太空X”项目,技术由NASA提供,而马斯克负责资本运作.....“太阳城”、“特斯拉”、“真空管快车”、“电动飞机”一个又一个高科技概念让人眼花缭乱,应接不暇。

至于这些项目是否会对产业发展和技术进步起到多少作用这个还有待时间检验,可以说马斯克凭借高科技光环,在资本市场上反复套现的技巧让人惊叹。当然,无可否认,他确实在为促进科技进步做出贡献,尽管还是一些看起来“疯狂”的举动。



文/铁流
原文链接:http://www.leiphone.com/news/201512/QJXPc8E8b2V8qNV1.html


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藤曼 编辑于 2015-12-10 下午4:22
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第2楼 回复主题:马斯克要造电动飞机,是黑科技还是炒作? 发布时间:2015-12-11 上午9:54

作者: 寻觅虚无

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作者: JackyWu168

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