Elon Musk幾年前提出制造超音速eVTOL飛行器的想法，并定期在Twitter分享這一看法，但縱然Elon Musk是全球汽車產業電氣化主要推動者，造的火箭更是以“尾巴著陸”，這一想法仍不免被嚴謹的航空領域視為遙不可及，不過是笑話、噱頭而已。但畢竟Musk有著“鋼鐵俠”之稱，如果說有誰能夠造出超音速eVTOL，那個人肯定是Musk。 那到底超音速eVTOL飛行器可行性幾何?知名航空記者，同時也是直升機飛行員的Elan Head用第一性原理采訪研究了使超音速eVTOL成為現實到底需要什么。

　　超音速eVTOL概念圖

　　A. 超音速 + 電動 + VTOL = 一些非常困難的問題

　　從廣義上講，超音速eVTOL飛行存在三個難題：

　　1. 制造能夠以超音速有效運行的電動推進器存在困難;

　　2. 制造能夠支持超音速巡航和垂直起降能量和功率密度的電池存在困難;

　　3. 將所有這些集成為一個可行進行超音速巡航的飛行器設計存在困難;

　　我們先來看看推進器的問題。到目前為止，只有一架能夠垂直著陸的超音速飛機投入使用：洛克希德·馬丁公司的 F-35B。它由Pratt & Whitney F135 加力渦輪風扇發動機提供動力，可產生超過 40,000 磅的推力，它通過燃燒大量化石燃料來實現。

　　F35垂直起降

　　這種快速的推力產生方法不適用于電動飛機，而且合適的替代方案可能是什么樣子也并不明顯。它看起來不像Lilium Jet等當前 eVTOL 飛機上的涵道風扇，因為當它們進入接近 1.0 馬赫的可壓縮狀態時，它們的槳尖速度會超音速并失去效率。

　　渦輪噴氣發動機(以及更普遍的低旁通渦扇發動機)一直是超音速領域的發展方向，依靠噴氣發動機核心中的壓縮和燃燒來產生超音速所需的出口速度。在電動推進情況下，意味著必須使用電動機驅動的風扇/壓縮機在不燃燒的情況下實現類似的壓縮和流動成形——類似于在超音速風洞中所做的。

　　這樣的推進系統尚不存在，但最終可能會存在。前 NASA工程師和 eVTOL布道者 Mark Moore 正在他位于田納西州的初創公司 Whisper Aero 朝這個方向前進，該公司于今年7月開始進入大眾視野。Moore 和 Whisper Aero 首席運營官Villa 仍未分享有關他們新型電動推進器技術的任何細節，但他們聲稱該技術將能夠驅動全電動4到19座的“Whisper Jet”以高達每小時 300 英里(每小時 480 公里)速度巡航，并且具有“極低的噪音”和“令人難以置信的低運營成本”。

　　Moore表示Whisper正朝著Elon談論的方向前進，并比整個電動飛機行業的任何人都領先。其認為當我們擁有足夠好的電池時，飛行器上升到一定高度，由于空氣非常稀薄，將能以非常低的功率進行高速巡航，而傳統渦輪風扇因為需要依靠空氣中的氧氣進行燃燒而無法發揮作用。并表示Whisper正在這段旅程上做當前正能做的事情，只是電池現在只能做這么多。

　　B. 電池到底能做多少?

　　這將我們帶到了超音速eVTOL飛行中的下一個難題：電池。在這里，垂直起降的要求使問題變得比其他情況要困難得多，因為懸停飛行需要非常高的功率。

　　卡內基梅隆大學的研究人員 Venkat Viswanathan 和 Shashank Sripad于6月份發布了一份評估小型、絕對亞音速 eVTOL 飛行器的電池要求報告(可在中 eVTOL能源效率與所需電池性能概述 獲取)，報告中得出的結論之一是，當前市場熱門的多款eVTOL設計正在接近使用當前鋰離子電池技術可行性的邊界。

　　估算超音速eVTOL飛行器的能耗只需重點關注幾個關鍵參數，包括最大升阻比。要了解技術可行性，尤其是從電氣化的角度來看，只需要這種簡單的分析。

　　對于超音速飛行器來說，最大升阻比一般是一個比較低的值，部分原因是它們會受到激波阻力的影響，當飛行器接近臨界馬赫數時，激波阻力會突然急劇增加。以洛克希德A-12(S-71的前身)和協和飛機最大升阻比(分別為6.6和7.4)作為參考，使用最大升阻比為6和8進行分析。

　　Venkat Viswanathan 和 Shashank Sripad 的這項分析顯示了超音速 eVTOL 在不同的電池組能量密度和電池重量占最大起飛重量的比值的組合下可以實現多少巡航時間(除了垂直起飛和著陸)。超出紅線的任何事情都是不可能的，因為所需的電池將超過整個飛機的重量。當今最先進的電動汽車 (SOTA EV) 電池組的比能量約為 160-170 Wh/kg，約占車輛重量的 25-30%。

　　結果與馬斯克過去公開估計的結果基本一致。在 2014 年的 MIT AeroAstro 百年座談會上，他認為能量密度為每公斤400Wh的電池，占飛機質量的 70%，將制造出“引人注目”的飛機。

　　Viswanathan 和 Sripad 估計，能量密度為 400 Wh/kg電池組的飛機將能夠以 1.1 馬赫的速度在 40,000 英尺的高度巡航約 10 到 15 分鐘，包括垂直起飛和著陸。

　　這是否意味著超音速 eVTOL 飛行指日可待?并不是的。據 Sripad表示，當前這一代鋰離子電池正以每年 3-5% 的速度改進，下一代鋰金屬電池有望在電池芯層面提供更高的能量密度。但“目前還不清楚鋰金屬電池將如何Pack。假設它與當今鋰離子電池的Pack方式相似，那么在Pack后能量密度可能會在350 Wh/kg。

　　Sripad進一步表示必須重新思考鋰電池的陰極材料，其不會是當前任何一種陰極材料，雖然存在一些能量密度更高的電池化學物質，但它們不一定是可充電的，而且“在技術準備方面還差得遠”。

　　然后是功率密度的問題。超音速eVTOL飛機不僅需要大量儲存能量，還需要能夠快速釋放能量以進行大功率垂直起降。通常，電池研究人員首先關注新電池化學物質的能量密度，然后才是功率密度。如果必須是eVTOL超音速飛行器，那么這自然意味著你必須努力同時解決電池功率密度和能量密度問題。

　　C. 把這一切集成在一起

　　任何面臨將單個電池單元組裝成電池組的電動汽車開發商都關心如何減輕重量，同時還要防止損壞和熱失控。超音速電動飛機開發商將有一些額外的擔憂。非常高海拔的稀薄空氣可能非常適合高效巡航，但它也會使高壓電池更容易受到電暈放電的影響，因此需要考慮在電氣系統設計中。

　　另外，那里很冷。無論為超音速eVTOL電池供電的電化學反應是什么，它們在低溫下都可能要慢得多。Sripad 指出，以高速率對電池放電可能會產生足夠的熱量來抵消這個問題，但需要仔細評估熱管理。

　　還有一個問題是，在專為超音速飛行設計的飛機上，在哪里放置相當于其質量 70%的電池。對于超音速飛機，Whisper Aero 的 Villa 說，“你必須克服跨音速時的阻力上升，你必須有非常低的激波阻力。這意味著您的飛機的形狀必須量身定制，并在到達音障時保持低阻力。”

　　Skunk Works X-59 Quiet SuperSonic Technology 飛機的藝術插圖

　　從功能上講，這意味著大多數超音速飛機具有高細度比——這意味著它們的長度比寬度要大得多——并且它們的機身在與機翼相遇的地方變窄以減少激波阻力。東西更薄了，所以你不能像一些eVTOL那樣把電池塞進機翼下的機艙里。

　　集成問題也適用于推進系統，因為VTOL飛行可能需要單獨的推進器。由于超音速設計的限制，這將傾向于采用非常精細、非常長的薄機身，而不能將推進器隨意放在其他地方。

　　所有這些加起來意味著超音速eVTOL飛行器距離實用還有很長的路要走——這可能是馬斯克還沒有費心去追求它的原因。在2018 年與Rogan的臭名昭著的吸大麻播客中，馬斯克承認“現在不需要電動飛機。電動汽車很重要，太陽能很重要，能量的固定儲存很重要。這些東西比創造超音速eVTOL 重要得多。”

　　“我們肯定會到達那里，但成功的一部分是在正確的時間采用正確的技術來實現現在重要的市場能力，”Moore說。“我們還沒有進入超音速eVTOL 時代，但有很大的機會可以為此開發產品。”

　　D. 三分之二最好

　　如果此時超音速、電動和VTOL要求過高，那么在近期內，這些特性的一些不那么雄心勃勃的組合可能是可行的。Harvest Zhang指出，以超音速飛行為目標會招致極高阻力和傳統的涵道風扇設計不適用于超音速飛行的“雙重打擊”。

　　與亞音速、0.8馬赫左右的 eVTOL(可以實現12-15范圍內的升阻比)相比，制造超音速 eVTOL 的難度可能根本不在一個量級，因此高速亞音速選項更具現實意義。

　　buGi Aero負責人、先進垂直飛行概念專家 Ashish Bagai 建議采用氫基設計，該設計使用先進的燃料電池進行垂直和低速飛行，輔以使用氫氣作為可燃燃料的推進裝置，為高速/超音速飛行提供推力，可能是一個可行的選擇。但這有點作弊，因為并沒有在飛行全程都以電動模式運行，但也沒有使用多種燃料類型或通過多種能量轉換來工作。

　　Bagai的概念是一個優雅的概念，盡管鑒于馬斯克在汽車領域廣為人知的對氫的蔑視，這可能需要一位不同的億萬富翁來實現這個構想。雖然 Bagai在短期內看不到通往超音速eVTOL 噴氣式飛機的可行路線，但他也不認為這是一個笑話。

　　最后，從科學進步的角度來看，從學習、做真正難以證明的事情、獲得知識以及證明這些可以做到的過程是非常有價值的，而且在這個過程中經常會涌現出許多有用的衍生產品。