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为什么把人送上火星要用三级火箭?

虎嗅APP  · 公众号  · 2018-12-06 18:14


火星是人类的下一个目的地,这句话一说就是将近半个世纪。人们已在着手准备重返月球,同时也仍渴望着登上火星。但火星不是说去就能去,飞到月球要 3-4 天,火星则需要至少 9 个月。首先,人类需要一枚史上最强大的运载火箭。


NASA 正在研发名为 SLS(空间发射系统)的巨型运载火箭,可向深空轨道发射 45 吨载荷,它拥有两个固体推进器,还在芯级(第一级)之上增加了一个上面级(Upper Stage)。SpaceX 开发中的 BFR 火箭,则是一级火箭加上一个巨大的太空船,进入太空后它可以和另一艘太空船对接来补充燃料,再向着更远的深空飞行。



听上去似乎挺复杂?其实它们的基本原理,和当年负责“阿波罗”登月的“土星五号”相通,后者是一枚标准的三级火箭:烧完一级抛弃一级。逐级减轻重量,来提高最终速度,而最终速度决定着任务距离和运载能力。但为什么火箭要做成好几级?这是一个乍一看理所当然,背后却很复杂的学术问题。


早在 1903 年,俄国火箭专家、被誉为“航天之父”的齐奥尔科夫斯基提出了著名的“理想火箭方程”,他推导出一个结论:提高火箭的输送能力,要么提高推进剂的能量(学术上叫比冲),要么减轻火箭的结构重量。齐奥尔科夫斯基同时还首次提出,可以建造“用完一级扔一级”的多级火箭。这一构想在几十年后,人类太空探索时化为现实,并一直应用到今天。




用不上就甩掉它


能量和重量的这一对矛盾,不止困扰着航天事业,如果你仔细回忆,它其实在方方面面制约着我们拥抱新技术新生活。最简单的例子,我们手中的手机自从进化到智能时代,就从来没有让使用者放心它的续航能力。如今迅猛发展的电动汽车迟迟不能普及,同样锂电池难以支撑足够长的续航里程。



因为锂电池和汽油不同,它要比油重得多。汽油车可以无所顾忌的将大油箱加满油,即可获得惊人的续航能力,付出代价不过是几十上百千克重量。而电动车的锂电池组动辄数百千克,盲目增加电池会导致能耗水平增加。在能量密度不变的前提下,电池容量即 kWh 数字不可能无限增长。


一味增加电池容量,也并不是一个有利无害的解决方案。沉重的电池组会让整车重量水涨船高,而重量增加会推高车辆的能耗。所以每增加 1kWh 电池,所能提高的续航里程会越来越少,这在经济学中叫作边际效应递减。增加电池对续航的提升效果会越来越弱,更不要说能耗被推高并不符合高效环保的理念。


和多级火箭的理念类似:用不上的重量,那就甩掉它。



成本与续航的矛盾之痛


当然,绝不是说用户每天通勤 50km,电动车就可以只装 10kWh 电池,用户不可能永远没有远距离出行的需求。问题是锂电池不只是更重,还更贵。对于一辆纯电动车,电池组的成本能够达到车价的 1/4 甚至更多。


在汽油车时代,续航从来不是区分一辆车级别高低的指标,百万豪车未必比几万元小车跑得更远。但在电动车时代,更大的电池容量意味着更高的成本,于是往往昂贵的电动车才能拥有更好的续航体验。



特斯拉可以尽情使用高达 100kWh 电池组,奥迪、捷豹也纷纷用上 80-90kWh。那么普罗大众的普通消费者呢?在有限的预算下,他们就只有忍受小电池带来的短续航之痛,这样一种选择吗?


由于电池容量大小直接决定着车的级别与价格,对预算有限的普通消费者来说,每 1kWh 电池组都是自己掏出人民币消费而来,理论上自然是物尽其用最划算。即便是北京,家用车平均每日通勤里程也不过 45km。如果盲目选择大电池容量的昂贵电动车,却天天陷在城市通勤而无法完全利用,对他们来讲不能不说是一种浪费,一次不划算的投资。


如何平衡以上这些矛盾,有没有可能让用户花一分的钱,买到“一分的续航”,却仍保留获得“两分续航”的机会?有没有可能在平时扔掉多余的沉重电池,再在需要的时候找回来?


A 片+B 片,疗效好


 (U5 ION 概念车)


爱驰汽车创造性的提出了 AI 能量续航包,他们将电动车的电池组一分为二:底盘上固定的电池组可视作 “A 包”,后备厢下方还可选择性加装 “B 包”。“A+B 包”模式并不一味追求超大容量,而是让用户按需选择:日常搭载成本低、重量轻、续航够用的 “A 包”;需要长距离出行时装上附加的 “B 包”。


爱驰的首款量产车 U5,在中型 SUV 的身段下,拥有 63kWh 的 “A 包”电池容量,足以满足城市用户的日常通勤需要。在市区,这样的续航性能不会轻易面临“续航焦虑”的尴尬,同时又尽可能不“浪费”车主买到的每 1kWh 电池。


而当需要远距离出行,又可以装上 18-20kWh 容量的 “B 包”,来获得额外的附加续航里程。当回到城区、卸下 “B 包”,U5 就变身回“抛掉第一级的多级火箭”——以更轻松的身身姿,获得更低的能耗水平、更好的性能表现。



不加装 AI 能量续航包时,爱驰 U5 就是一辆  63kWh 电池、续航 460km 的常规电动 SUV。只携带满足城市通勤的能量(电池),甩掉多余重量轻松上路。这样的电池规格和相应成本,符合消费级电动车的普遍水平。同时爱驰还利用独特的“三明治”电池设计,使 U5 主电池组能量密度达到 170Wh/kg,配合钢铝混合车身,帮助降低整车重量。


在加上 AI 能量续航包后,爱驰 U5 则成为一辆拥有 80kWh+ 电池、总续航 560km 的大容量电动车。从而获得尽可能长的续航能力,应对偶尔的远距离出行。但相比市面上其他 80-100kWh 电动车型,爱驰 U5 无需用户付出那么高的购车成本,用户无需为多数时间用不上的那部分电池买单。



在 “A+B 电池包” 的模式之外,电动车还有更多可优化的地方。每个真正开过新能源车尤其是纯电动车的人,都知道在自己不熟悉的地方,哪怕只是一个自己不熟的停车场,要想找到一个靠谱的充电桩,有多么困难有多少风险。地图上有桩可能去了找不到,找到了桩可能桩没启用,桩启用了也可能出莫名奇妙的 bug 充不上电……


爱驰有了一个别出心裁的想法:人可以找桩,为什么不能让桩找人呢?自动驾驶技术目前还应付不了公路,但低速小环境是没问题的。于是爱驰开发出了充电机器人,一台自动循迹车辆、自动充电的机器人,自主找到车辆并以直流快充为其充电,完毕后再自主回到固定的锚点为自身补电,免除用户找桩的烦恼。


             

在一味追求如特斯拉那般大容量电池的过程中,也有必要停下来思考一下,用户真正需要的究竟是什么?每个人都能负担得起配备超大容量电池的电动车吗?假如必须要在购车成本、行驶能效上做牺牲,尽可能大的电池组还是大众化消费级电动车的正确方向吗?


绝大多数用户只是偶尔需要长续航,将电池容量控制在满足日常通勤,还能在成本、重量、能效和性能方面获益。能量续航包的创新,让大众化消费级电动车也能在用户需要时,实现越级式的超长续航,而增加的成本却小得多。从实际需求出发,时刻关注用户成本按需调度,代表了在电动车技术迅速发展的当下,另一种关怀多数人的思考方式。

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