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特斯拉的独特气质、星际殖民和碳化硅革命
传感器技术 | 2020-04-22 11:18:22    阅读:509   发布文章

在看了好几遍《星际穿越》之后,就特别想买特斯拉股****。

一直不敢吹特斯拉,因为它独特的气质并行于人类有史以来最伟大的工程项目。很多人听到这个要么说你傻X,要么说你吹牛X,最好的情况是说你居然相信老谋深算的骗子编故事。

中国的电动汽车产销量早就高居世界第一,电车是个什么鬼东西早就被勤劳勇敢的人民揭了个底儿掉。你特斯拉不过也是穿着西服马甲的一堆电池加一个马达而已么。

扭转这一印象是很难的,尤其群众看到特斯拉的高价格配上简陋的内饰和较低的装配质量。

接下来,我们重新梳理一下这个你也许听过的故事碎片。

一、清晰的目标

在最近二十年,伊隆·马斯克的人生目的已经逐渐变得清晰无比:使人类具有在其它行星生存的能力(Making life multiplanetary)。

注意,是移民其它星球,而不是像登月那样浅尝即止。

为什么呢?

站在人类的立场上,和《星际穿越》里作物灭绝的假设类似,在面临毁灭时(比如小行星或大瘟疫等各种意外来袭),逃到其它星球的能力最好还是提前准备好。

站在个人的立场上,钱对马斯克这样的人已经意义不大,做一番惊天动地的事业才是毕生追求。他自己说:没有什么比得上漫步太空和群星共舞 ( I can't think of anything more exciting than going out there and being among the stars)。

在十七、八年前,马斯克听说送宇航员上火星一趟需要至少5000亿美元。显然没人有这么多钱,除了美国政府。

马斯克决定自己花钱发几盆植物去火星拍几张照片。他希望用给火星带来生命的形式,像60年代登月那样重新点燃美国人的激情,来重启辉煌的载人太空计划。

马斯克去了三次俄罗斯,试图花几千万美元购买俄国人的洲际导弹,作为送这些植物的载体。各种不顺利的过程让他意识到,登火星和火箭的成本高昂,并不在于国家愿不愿意出钱,而在于当时的太空技术太陈旧也太贵了。

因此,马斯克在2002年创建了SpaceX,研发自己的火箭技术。这时特斯拉还未成立。

经历了十七年各种失败和濒临破产,今天的SpaceX在运载能力和成本上已经傲视群雄。

二、星际飞行

一般人到这里就功成名就了,但马斯克的目标只完成了前一半:火箭的重复使用和大推力的实现方法。

规划中的更大推力火箭(BFR)现在叫Super Heavy,用来搭载百名乘客的叫星际飞船(Starship)。在马斯克看来,只搭载几名航天员太不经济了。

我能看出来,马斯克最珍爱的公司是SpaceX,而不是特斯拉。特斯拉虽然也雄心勃勃,但和太空梦想没法比。他即使很缺钱的时候,也没有让SpaceX上市。因为马斯克并不想让SpaceX被股市绑架,从而沉迷于商业卫星****赚钱。

在各国火箭今天还不肯放弃几十年前的古老发动机时,SpaceX已经开始设计用新一代猛龙发动机替代战功卓著的梅林发动机。

Super Heavy+Starship+Raptor Engine:马斯克征服火星的蓝图终于齐备了。

但是复制一千套的钱还不够,技术也还不成熟,怎么办?先拿地球人练练手。

既然火星都能去,先组织月球7天旅游团吧,顺便赚些钱。

更妙的是,这套飞船从纽约起飞到上海降落当然也是可以的。旅途只要半个小时。

据测算,燃料加****等成本应该不到2百万美元,搭载100名乘客每人2万美元,比私人飞机便宜多了。马斯克认为到时候成本将比飞机头等舱要便宜。

月球旅行和跨洋飞船这些,马斯克许诺我们应该能在10年内看到,因为他要在自己有生之年看到火星殖民的开始。

三、改造火星

很多人说,登陆火星我信,你说让百万人在火星上居住打死我也不信。这个确实是最受争议的一点。

有意思的是,人类如何在火星上持续生存和繁衍,很多细节都被认真规划过了。比如火星上充满了二氧化碳,适合植物生长,而植物又可以产生氧气。

地球上的氧气,据说就是藻类和各种植物产生的,在火星上再玩一遍,似乎也不是不可能。事实上,很多证据显示,火星上曾经产生过生物。

火星两极有足够的冰,融化了甚至能形成海洋。碳氢氧三种元素可以组合成各种东西,比如做燃料的甲烷。马斯克说这是SpaceX BFR选甲烷做火箭燃料的原因,因为需要返回地球。这个大“骗子”真是天衣无缝。

有人说,星际移民死亡率肯定很高,很显然是这样的。

早期从欧洲移民美洲的人里面,死亡率也是超高的:比如五月花号上的人,一年死掉一半。澳洲的早期移民,也都是社会底层和囚犯。

那时的人,绝对也不会想到今天的美洲和澳洲是什么样。150年前的清朝人,也绝不会想到我们现在有飞机和电脑。

人类在火星上,能源从哪里来,显然是个首要问题。在地球上,其实几乎所有的人类能源来自于太阳(核能和地热除外)。

亿万年前的生物吸收了太阳能,变成我们今天的煤和石油。现在的食物,也是通过草食或肉食直接或间接把太阳能吃进我们肚子。理论上有太阳和水,生物就能生存。

只是在火星上,没有化石燃料供我们使用。太阳能发电则是最直观的选择。

所以,特斯拉和它的太阳能子公司SolarCity就联系起来了。

四、零排放

火星上的卫星互联网(Starlink)、轨道交通(Hyperloop/Boring)和电动汽车(Tesla)都已经规划了,只是这些实验要先在地球上做。

特斯拉给我们画出的蓝图大概是这样的:未来二、三十年内,人类的能源将主要来自可再生能源。

亚马逊的贝索斯也承诺,2040年亚马逊将做到零碳排放。他说,“如果年发货量100亿件的亚马逊可以做到,任何公司都可以。”

也就是说,不再烧煤和烧油来发电,也不再开内燃机汽车。不管你信不信,这样起码没有雾霾了,空气会很棒。

为了达到这一点,电动车要达到和燃油车一样的动力和价格。

显然从材料成本上来看,在产量足够大的情况下,电动车一定更便宜。电动车大扭矩的特点在动力上本来就可以秒杀燃油车。

电动车的弱点只剩下续航能力和充电站网络,所以特斯拉把所有的尖端科技都投入在这个上面了。这就是特斯拉和其它各种电车的重大区别,因为只有特斯拉一家身上背负着沉重而宏大的使命。

很多燃油车企做电车,要么沉浸在赚取政府补贴中,要么沉浸在用燃油车平台改造电动车中。

确实消费者也不懂,和他们有什么关系呢?

五、特斯拉的技术领先在哪儿?

评价特斯拉在汽车设计上的追求,“登峰造极”四个字首先冒了出来。

特斯拉目前驱动单元的设计寿命是160万公里,而且不需要维护。

原本电动车在动力上已经占据优势,但是马斯克仍不满足。所以我们今天看到特斯拉的风阻系数在所有量产车里是最低的,甚至低到传统车厂不能理解的程度。

前几天发布的Cybertruck皮卡外形诡异被广为嘲笑,原因也很简单,这个大皮卡的风阻甚至低于多数燃油轿车。

特斯拉的电池制造和电池管理技术都非常领先,不过这不是本文的重点所以就不展开了。

特斯拉掀起的巨大革命是所谓“软件定义汽车”,这个讨论众多我也不展开了。软件包括OTA和辅助驾驶也是车主们对特斯拉的口碑如此好的最主要原因。

特斯拉即将启用的第三代硬件采用独家设计的全自动驾驶芯片,视频处理速度超过每秒两千帧,将真正有能力处理360度的8个摄像头和12个超声波传感器的实时状况。这也使马斯克有底气拒绝昂贵的激光雷达。

值得强调的是,起源硅谷的特斯拉和SpaceX在软件技术也是顶尖的。而传统车厂完全没有这个基因,所以追赶并不是一两年就能搞定的事情。

特斯拉的电机也是重要核心部件。在从追求性能的感应电机转到追求平衡的永磁电机后,特斯拉完成了类似SpaceX的规划:就是一款电机通用所有车型,需要大动力就用双电机或三电机。

同样这款电机的出生花了十多年的时间积累,特斯拉利用先进的软件仿真和计算机集群来设计这款电机,最终结果是其能源效率高达吓人的97%。

即使这样,还是不满足特斯拉追求卓越的脚步。电动汽车还有一大损耗来自变压和变频:电池到电机的DC-AC、充电的AC-DC和内部用电器的DC-DC转换。在高压部分,使用硅基IGBT是通常解决方案。

特斯拉为了追求行驶里程仅5%的提升,不惜贵几倍的代价在业界率先全面采用碳化硅(SiC)替代IGBT。在最热门的化合物半导体中,氮化镓(GaN) 适用于计算机和通讯等低功率高频率应用,而碳化硅适用于高功率领域。虽然节能效果明显,但是由于成本问题一直未被广泛应用。

碳化硅是气相结晶,生产效率和均匀性远低于硅晶圆。其超高硬度和脆性导致切割损耗也成为巨大的问题:因此我们看到水刀和激光冷裂等各种先进技术不断被引用尝试。

由于特斯拉的引导效应,碳化硅作为功率器件在地球上的普及可能被提速了一倍。这不仅对电车产业,也对其它行业的节能产生了巨大而积极的推动作用。

特斯拉在所谓三电包括电池、电机、电脑硬件软件和甚至传动等各个关键领域已经无一短板,加上充电站,每项都领先对手1~N年。

六、激动人心

特斯拉缺的只有钱,如果没有花不完的钱,就只能一步一步扩充产能。 

写这篇小文只是用微薄之力再普及一下这个了不起的梦想。上海能够在汽车市场饱和的情况下,勇敢接纳特斯拉建成第三个超级工厂,这非常有远见。

想想人类未来也许真的能够把红色的火星变成蓝色的另一个宜居行星,那绝对是比电影还科幻了:虽然没有像《星际穿越》里穿越虫洞那么神奇,但更加波澜壮阔。

如同500年前颠覆世界的大航海,我们很有幸生活在现在的时代,有机会再一次看到伟大的人类驶入星辰大海。

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(殖民火星, Photo: SpaceX)

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