马斯克的汽车，是怎么飞起来的？
图片由AI生成
10月15日，美国得克萨斯州麦格雷戈的SpaceX火箭测试场，特斯拉举行了第二代Roadster跑车发布会。马斯克把这款跳票近九年的超级跑车带到了现场，还让它飞了起来。
第一场演示中，一辆白色Roadster沿着巨大的弧形轨道向上行驶。随着坡度越来越陡，车辆逐渐垂直于地面，最终倒挂在轨道顶部。随后，它脱离轨道，在空中完成翻转，并借助推进器缓缓下降，四轮着地。
紧接着，特斯拉又进行了一场更加大胆的演示。Roadster在行驶中突然腾空，越过了由Model 3、Model Y、Cybertruck、Cybercab以及Semi卡车组成的一排车辆，还在空中完成了一次类似滑板Kickflip的翻转动作。
马斯克终于兑现了自己多年前的一项承诺：让特斯拉汽车飞起来。
2017年，特斯拉首次发布第二代Roadster，马斯克曾承诺2020年交付。但此后，这款跑车一次次跳票，直到2026年才重新公开亮相。
这次最引人注目的是Rocket版本。它采用单座设计，车辆周围布置了由SpaceX参与开发的冷气推进系统，能够向前、向上和侧向产生推力。特斯拉宣称，这个版本从静止加速到60英里/小时（约96.6公里/小时），只需要不到0.59秒。
一辆汽车究竟是怎么飞起来的？它能在空中待多久？又为什么要把航天器上的技术装进汽车？
01 给汽车装上了“火箭”
让Roadster飞起来的原理，看起来并不复杂。想象一个充满气的气球。如果松开气球口，里面的气体高速喷出，气球就会向相反的方向飞走。
Roadster采用的冷气推进器（Cold Gas Thruster），利用的正是这个原理。
车上安装了专门储存高压气体的容器。当阀门打开，气体经过管道和喷嘴高速喷出，就会对车辆产生反方向的推力。喷嘴朝后，汽车向前加速；喷嘴朝下，汽车就能获得向上的推力。
冷气推进器不需要像传统火箭发动机那样燃烧燃料，推进所需的能量提前储存在高压气体中。
这套技术与航天器的反作用控制系统（RCS）有相似之处。
航天器在太空中需要调整方向时，可以通过不同位置的喷嘴喷出气体，让自身产生旋转。SpaceX的Falcon 9可回收火箭，也会在一级火箭分离后的返回过程中，利用冷气推进器帮助箭体完成翻转。
图：2017年，Falcon 9一级火箭回收时，箭体冷气姿态控制喷嘴喷出气体。
不过，火箭最后接近地面时的减速着陆，主要依靠主发动机。冷气推进器承担的是姿态调整任务，两者不能混为一谈。
据《MotorTrend》报道，Roadster的Thrust版本在两个座椅后方安装了一个大型黑色球形储气罐。它采用复合材料缠绕压力容器（COPV）技术，外层使用碳纤维等高强度材料，在控制重量的同时承受极高的内部压力。
储气罐通过管道连接车尾的四个推进喷嘴。特斯拉车辆工程副总裁Lars Moravy介绍，为了防止不同喷嘴喷气速度不一致，相关管道的长度必须保持一致，否则车辆可能在加速时出现意外偏转。
至于能飞起来的Rocket版本，外媒根据现场观察推测，它在后部推进器之外，还增加了至少六个喷嘴，其中四个朝下，另外两个负责侧向姿态控制。
图：Roadster车尾的冷气推进喷嘴，利用高压气体产生额外推力
这也解释了为什么Roadster能在空中做出翻转、旋转等动作。
但演示中还有一个细节：汽车能够倒挂在弧形轨道上，主要依靠车底风扇产生的负压吸附力，让轮胎紧贴轨道。真正离开轨道后，冷气推进器才承担起空中姿态控制和推进的任务。
这套原理在航天领域虽然已有应用，但是特斯拉面对的工程挑战，是把高压储气、喷嘴和控制系统集成进一辆能够正常行驶的汽车，并让它们在极短时间内协同工作。
02
只能飞一小会儿？
那么，还有一个自然引出的问题，既然Roadster已经能够起飞，为什么不能一直飞下去？
答案在于，它携带的气体是有限的。
在航天器的姿态控制中，一次短促喷气就能改变旋转状态。喷嘴停止工作后，航天器仍可以依靠惯性继续运动。
但汽车想在地球表面悬停，就必须持续向下喷气，用产生的推力抵消重力。这意味着汽车越重，想要维持悬停，需要消耗的气体就越多。
做一个简单估算：假设车辆重2吨，悬停需要接近2万牛的向上推力。如果气体的有效喷射速度为每秒600米，那么理想状态下，每秒就需要喷出约33公斤气体。
这只是用于解释原理的物理计算，并非Roadster的真实测试数据，但已经足以说明问题：高压气体即使储存了数百公斤，也很难支撑长时间的持续悬停。
一位商业航天领域的资深分析师向腾讯科技解释，冷气推进技术在航天领域已经相当成熟，但推进器能够工作多久，直接受到储存气体数量的限制。
在火箭研发和试验过程中，为了保证首次任务能够成功，工程师往往会考虑额外的安全余量。“可能最终只需要6瓶，但发射时带12瓶。”他用这个假设说明试验阶段为什么可能携带更多气体。
在他看来，特斯拉Roadster的飞行演示也可能采用类似思路，为确保演示成功，携带更多高压气体。不过，这属于基于航天工程经验的推测，特斯拉尚未公开演示车的实际储气配置。
有意思的是，《MotorTrend》在发布会现场也获得了类似的信息，完成悬停、旋转和飞行动作的演示车，可能安装了额外的高压储气罐，使可用气体总量达到另一推进版本的三倍。不过，这一信息尚未得到特斯拉的官方完整技术资料证实。
增加储气量当然可以延长推进器的工作时间，但同时也会带来新的问题。
高压储气罐本身具有重量，还需要占用车内空间。为了飞得更久，就需要携带更多气体；新增的气体和储气设备又会增加整车重量，进一步提高起飞所需的推力。而且，每次喷气都会消耗储存的气体。用完之后，汽车必须重新补充。
马斯克在发布会上表示，Roadster能够自行压缩空气，为储气罐重新充气。但压缩机需要多大功率、重新充满要多久、连续使用几次后是否需要停下来补气，目前都没有详细的公开测试结果。
因此，现有演示能够证明Roadster具备短暂离地、空中旋转和控制落地的能力，却还不能说明它可以像传统飞行器一样持续飞行。
从公开展示的动作和冷气推进系统的特点来看，它更适合完成持续数秒的短时飞行动作。如果真要把它变成一辆可以反复起飞的汽车，储气量、整车重量和补气效率，都将成为必须解决的问题。
03
马斯克最初想要的，并不是飞行汽车
Roadster为什么要使用一套如此复杂的推进系统？
2018年6月，马斯克第一次详细介绍Roadster的SpaceX选装套件。他计划在车身周围布置大约10个小型推进器，以大幅提高车辆的加速、最高速度、制动和过弯性能。
他当时还补充了一句：这些推进器或许能让特斯拉飞起来。
至少在最初的构想中，飞行只是这套系统可能实现的功能之一，马斯克的目标还是突破传统汽车的性能限制。
汽车无论使用燃油发动机还是电动机，想要加速、制动和转弯，通常都需要通过轮胎与地面的摩擦力来实现。
当电动机的动力足够强大时，轮胎抓地力就可能成为继续提高加速性能的瓶颈。
冷气推进器提供了另一种解决方案。车尾喷嘴向后喷气，可以直接给汽车增加向前的推力。这股力量不需要通过轮胎传递，因此有机会突破传统汽车受到的抓地力限制。
同样的原理，也可以用于辅助制动和调整车辆方向。
不过，喷气推进系统会增加重量，对车辆稳定性也提出了更高要求，并不意味着装上推进器就一定能跑出更好的赛道成绩。
这次亮相的三个版本，体现了特斯拉对这套技术的不同使用方式。
Performance保留了传统跑车的基本形态，依靠电驱系统、主动空气动力学和负压吸附装置提高性能。
Thrust增加了后部冷气推进器，进一步追求极限加速。特斯拉宣称它可以在0.9秒内完成0—60英里/小时加速。
Rocket将推进系统扩展到车辆周围，使汽车拥有向上和横向移动以及空中姿态控制能力。它采用单座设计，仅面向受邀请的用户，也未获准在公共道路上使用。
从2018年提出想法，到2026年完成演示，马斯克把最初用于提高汽车性能的技术，发展成了一套能够让汽车短暂飞行的系统。
04 飞起来，但不为量产？
特斯拉已经宣布，第二代Roadster计划于2028年开始生产。但Rocket版本最终能否按照演示状态交付，仍有不少疑问。
首先是安全。
冷气推进虽然不需要燃烧推进剂，但储气罐内部承受极高压力。汽车发生碰撞时，储气系统如何保证安全？喷嘴误触发或者工作失常，会不会让车辆突然失控？
如果汽车真的离开地面，驾驶者还需要面对传统汽车没有的空中姿态控制和着陆问题。
马斯克在发布会上也明确承认，这并不一定是一款以安全为优化目标的汽车。他更强调Roadster能够带来的驾驶乐趣。
Roadster可能本来就不是一款追求规模销量的产品。
2008年，第一代Roadster正式上市。它是特斯拉的第一款量产汽车，帮助这家年轻公司证明，电动汽车同样能够拥有跑车的性能。