電動飛車速度644公里/小時
精彩速覽
俄亥俄州立大學的Buckeye Bullet團隊正在建造一輛電動汽車，有望突破400英里/小時的記錄，該速度僅有九輛汽油汽車曾經達到過 。
要完成這一項目，這個面臨的主要困難有：得用4個電機產生足夠強勁的動力；解決空氣動力學問題，讓車輛既快又穩；確保不會爆胎 。
該車的前幾代車型業已創造了電動汽車最高車速的記錄，但要突破400英里/小時，團隊必須為眾多的工程難題找到解決之道 。
如果一切按計劃進行，團隊將于今年九月在猶他州的邦納維爾鹽堿灘上，對400英里/小時的記錄發起沖擊 。
據環球科學：R•J•克洛默(R. J. Kromer)在美國俄亥俄州立大學讀一年級時，有一天去上數學課，走到半路 ， 他被一則學生科技小組的廣告吸引了，這組學生在設計燃料電池汽車 。此前，他最多就是組裝過樂高的機器人套件，但不管怎樣，他還是發了封郵件申請加入 。想不到，組里的成員馬上就給了他回應 。“我原來想應該會有各種要求，”克洛默回憶道，“但是他們說，沒事，你來吧” 。
于是，克洛默來到了這個小組位于學校汽車研究中心(Center for Automotive Research，CAR)的工作場地 。到了這里，他很快就明白了，這個打造出屢破世界紀錄的Buckeye Bullet系列替代燃料汽車、大多數成員都還是一臉稚氣的獨特團隊，首先要考驗他的奉獻精神 。克洛默從和工程相關的雜事做起 。開頭的幾個月，他大部分時間都用來整理各種各樣的工具、備件或者清掃場地 。不過 ， 在打雜之余，高年級的組員開始教他電路、控制系統和其他東西 。很快，他在這里學到的東西就超過了在課堂上學到的 。第二個年頭 ， 有兩個高年級學生畢業了，克洛默開始負責電氣工程，“實際上，如果你可以不睡覺的話，就能很快對事情熟悉起來” 。
Buckeye Bullet團隊里滿是類似的故事 。組長戴維•庫克(David Cooke)是大一時偶然加入的 。資深工程師伊萬•梅利(Evan Maley)加入的時候，還是一個對高速汽車著迷的天真高中生 。庫克說，小組在評價新的自愿者時，更看重他們的主動性而不是智商 。克洛默自覺熬夜 ， 這是小組的標志性行為，他們經常工作到第一縷晨光從車間盡頭30英尺高的車庫門下爬進來為止 。有時，他們會睡在會議室的地板上 ， 偶爾還會以試車的車道為床 。周末，當其他同學沉溺于啤酒中時，他們卻在切割金屬、測試電池或者設計自己的懸架系統 。
這些可不是卡丁車上的懸架 。這個團隊已經制造了好幾輛史上最快的替代燃料汽車 。2008年，引起克洛默興趣的氫燃料電池汽車的最高時速達到了286英里 。兩年后，他們把這輛氫燃料電池汽車改造成一輛電動賽車 ， 時速突破了300英里 。團隊成員堅信，在今年9月，猶他州溫多弗(Wendover)郊外的邦納維爾鹽堿灘上，他們重新設計的電動車將會成為時速首次突破400英里的電動汽車 。
迄今，僅有9輛以汽油為動力的輪式汽車達到過如此高的速度 。“時速從300英里到400英里的跨度太大了 ， ”庫克說 。速度接近400英里/小時的時候，氣動阻力呈幾何級數增長 。電機需要更大的電流，這就意味著車上需要更多的電池，會給本來需要輕量化的汽車增加了額外重量 。而且，輪胎的轉速極高，離心力可能將輪胎撕裂 。挑戰是巨大的，即使是經驗豐富的工程師團隊也會望而卻步，更不用說一群研究生和讀大學的半大孩子了 。
電動飛車的過去與現在
1993年，現已擔任俄亥俄州立大學汽車研究中心主任喬治•里佐尼(Giorgio Rizzoni)組建了第一支學生團隊 ， 參加一項大學生電動車大賽 。這個學生團隊制造的汽車名為Smokin’ Buckeye，在大部分比賽中，這輛汽車都贏得桂冠 。但沒過幾年，這項賽事因故取消，而里佐尼也覺得，這個項目可能走到頭了 。沒想到兩個學生告訴他，已經和一家本地公司達成了贊助協議，他們想要制造史上最快的電動汽車 。“我看著學生 ， 然后說，‘你們還真是瘋狂’，”里佐尼回憶說 。
接下來的十年間，這個學生團隊制造了三輛打破世界紀錄的汽車 。現在，里佐尼幾乎從不對團隊成員的遠大目標、工程能力和談判技巧提出質疑 。當庫克和團隊成員決定要突破400英里/小時的界限時，他們知道，要實現這個目標，可能得尋求贊助 。于是，他們求助于摩納哥電動汽車制造商文圖瑞汽車公司(Venturi Automobiles)的老板、時年45歲的吉爾多•帕蘭卡•帕斯特(Gildo Pallanca Pastor) 。曾是業余賽車手的帕斯特是摩納哥的不動產巨頭 ， 還涉足餐飲行業，他已經關注這個學生團隊好幾年了 。2010年，他簽署了贊助合約，支持這個學生團隊向400英里/小時發起沖擊 。
兩年后，也就是去年8月一個潮濕的星期三，在CAR總部——一幢形狀詭異的二層建筑，正面是磚砌結構 ， 后面則是幾個洞穴般的飛機庫，26歲卻留著胡子的庫克說，“飛車”的總體設計基本完成 。這兩名為Venturi Buckeye Bullet 3(VBB3)的電動車總長38英尺 ， 四輪驅動 。由于把車子加速到400英里/小時需要的功率實在太大，團隊計劃用四個電機來分擔這一任務 。每個電機產生400馬力的動力 ， 總功率1 600馬力(1馬力約0.74千瓦) 。
庫克和幾個隊員一直和文圖瑞公司的工程師們合作，設計他們想要的電機 。團隊里的工程師們提出了理想的尺寸、性能指標和其他詳細要求，他們已經就設計方案和文圖瑞公司的工程師反復推敲了一年 。帕斯特已經開始在美國版的文圖瑞電動跑車上，對縮小版的“飛車電機”進行道路實驗 ， 這些電動跑車的最高時速為124英里 。飛車用的4個電機要稍長一些 ， 動力更加強勁，還得過一段時間才能完工 。
不過，眼下的主要難題還不是電機 。在CAR，VBB3團隊的大學生和研究生們坐在一間狹小的辦公室里，他們中有庫克、梅利和一個機靈的、23歲的工程師王凌(Ling Wang，音譯) 。梅利和庫克進屋時，王凌正在電腦上旋轉飛車垂直尾翼的三維模型 。王凌是空氣動力學專家，而空氣動力學上的問題，是汽車從時速300英里提升到400英里的最大障礙 。克服空氣阻力需要的功率和速度的立方成正比 。所以速度要翻倍的話 ， 就得需要8倍的功率才行 。
剛剛離開團隊去波音公司工作的卡里•伯克(Cary Bork)，曾花了兩年時間，對VBB3的氣動外形進行微調，改變形狀 ， 在車輪上覆蓋擾流板之類的降低阻力的零件 。飛車采用鋼制骨架和碳纖維外殼，而在外殼內部，則安置有質量很輕、強度卻很高的阻燃纖維Nomex(一種芳族聚酰胺纖維的商品名) 。此外 ， 還有一些大難題需要解決 ， 這就是王凌的工作重點——尾翼 。
任何突出車外的東西都會增加空氣阻力，但為了保障試車駕駛員——62歲的賽車手羅杰•施洛爾(Roger Schroer)的安全 ， 團隊不得不增加尾翼 。作用在汽車上的所有空氣動力，都可以看做集中在車身的一點上 ， 這個點就叫做風壓中心 。當該點偏向后部，而汽車的質心靠近前部時 ， 二者相互平衡，使得汽車具備保持直線行駛的能力 ， 即使受到側風干擾時也不例外 。盡管VBB3安裝了多個降落傘，還有一套飛機制動器備用 ， 但當賽車旋滾時，所有這些措施都無濟于事 。庫克說，“到了最后那天，最要緊的事情是施洛爾的安全 。”
問題是，怎么在空氣動力和安全性之間達成平衡 。王凌迅速點擊著鼠標，將尾翼拆開，讓其在虛擬的三維空間里翻轉 。他把尾翼逐漸變尖的方案 ， 改為類似于海豚尾巴的結構——在垂直尾翼的頂端安裝了一個水平放置的翼片 。梅利解釋說，團隊試圖找到在車上增加一個GPS模塊和兩個攝像頭(一個朝前 ， 一個朝后)的辦法，以便在汽車高速沖刺時可以獲得數據 。而增加水平翼片的另一個目的，就是把這三種設備裝進去 。然后，他將修改方案發給在波音公司工作的伯克 。
不過 ， 王凌很快就告訴大家 ， 新的設計方案被“伯克”掉了 。團隊成員使用的這個簡稱，特指伯克常以增加太多空氣阻力為由，拒絕修改方案 。“伯克的意思是，‘你們這樣會讓車子的速度變慢，所以別這么干’，”庫克解釋說 。
王凌略帶煩惱地說，“我知道這樣會讓速度減慢，但是會慢多少呢？”
王凌繼續進行建模工作時，而庫克開始解決另一個問題：電池 。這天早些時候，他曾向我們展示過CAR的幾個電池測試艙 。在測試艙內，按照設定的程序不斷對電池單體進行充電和放電，同時調整環境參數 。這樣，CAR的工程師就可以對電池的真實性能有更好的了解——有時，在某些技術指標上 ， 電池的真實情況和廣告宣傳的還真不一樣 。過去一年來，庫克和隊友一直在對業內新秀A123系統公司制造的納米磷酸鐵鋰電池進行嚴格測試 。正式試車的時候，飛車必須至少跑兩次才能得到官方認可的世界紀錄 。在每一個60秒時段結束時 ， 庫克指出，電池要完全把電放完才行 。“我們打算每跑一次都將電池的所有能量用盡 ， ”庫克說，“如果能量有剩余的話 ， 就意味著我們在電池上攜帶了多余的重量 。”
A123公司電池的設計，部分是由Bullet團隊兩個前成員完成的，這些電池不僅比市場上其他電池攜帶的電量多，而且電池箱更緊湊 。庫克解釋說，他們在上一輛賽車上所使用的標準圓柱形單體電池，就占用了太多的空間 。把單體組合到一起時，電池間留有很多空隙 。空間的增加，導致了總體積的增大，車子也相應變大了，這意味著迎風面積增加，結果就是速度下降 。
庫克從他桌邊的架子上，取下一個讓人聯想到汽車電池的黑色盒子，以及一個貌似冰袋、薄而扁平的銀色方形包 。這種類似子彈袋設計的電池體積更小 ， 而產生的電流強度更大 。每一個黑色的模塊裝有25個子彈袋電池單體，這些單體一個緊挨一個，中間沒有任何空隙 。由于一共有80個這樣的模塊，所以和圓柱形單體相比，節省的空間很是可觀 。“節約了三分之一的重量和體積，”庫克說，“這個比原來最好的電池還棒 。”
體積不僅僅是對電池的要求 。對飛車的設計，主要就是在盡可能窄的空間里，塞進盡可能多的東西 。從庫克的區域穿過去，就可以看到梅利顯示器上的虛擬懸架 。通常，為了減輕重量，打破記錄的極速汽車都不裝懸架 。然而 ， 由于駕駛員只有一英里的距離用來加速，梅利和隊友決定，要利用這一英里長度上每一英寸的牽引力 。鹽堿灘上的顛簸會導致車輪空轉，盡管只是很短的時間，仍然會導致寶貴的功率被損失掉 。梅利說，懸架中的減振器原先是布置在電機和傳動系下面的，他現在正在修改這一設計 。考慮了整個車子的總布置以后 ， 他意識到減振器可能會導致車子的質心位置變高 。“想想變速箱和電機的重量，那可是幾百千克呢 ， ”他說，“出于穩定性的考慮，這一塊的重量應該盡可能低 。”
接著 ， 庫克來到外面的車間，一個很長的、開敞的倉庫，里面還有其他的CAR學生項目 。在飛車工作場地上，庫克抓起一只輪胎，其橡膠不到2毫米厚 。他解釋說 ， 車速超過每小時300英里時，輪胎轉得飛快，離心力會使其向外膨脹 。橡膠越多，質量越大，使它們相互分離的力也就越大 。薄一些的輪胎意味著較低的質量，減少了高速下被撕裂的可能性 。問題是 ， 車子會在毛糙的鹽堿灘上行駛 。“輪胎能抗得住嗎？這是讓我睡不著的幾個問題之一” 。
試車倒計時
2012年11月初，團隊著手造車剛剛兩個月 。梅利重新設計了懸架 ， 以降低電機和整車的質心位置，但是否用尾翼仍然沒有定論 。為安全起見，團隊正在考慮采用三個甚至四個減速降落傘 。這些額外裝備使得車子后部過長，增加了空氣阻力 。“降落傘的數量還沒有確定，”王凌補充說 。
今年年初 ， 電池供應商A123破產了，但還算幸運 ， 在A123工作的前團隊成員交付了項目需要的電池 。“我們所需要的全部東西他們都辦齊了，外加一些備件，”庫克說 。
電機也已完工，只是外形稍有改動 。進一步的模擬測試之后，文圖瑞公司的工程師認為，電機可能無法提供足夠大的功率 。不過庫克并不氣餒 。“我們早就學會了不能輕易放棄，”他說 。“我們得找找原因 。為什么我們不能得到更大的功率？難道是銅繞組(電路的線匝組合)無法通過更強的電流？”深入探究后發現，問題與溫度有關 。仿真分析表明 ， 電機會過熱 。于是，庫克、梅利和高年級本科生盧克•科爾姆(Luke Kelm)，與文圖瑞公司的工程師一起重新設計電機的冷卻系統 。他們改變了油基冷卻液的流道 ， 以便讓其與電機的更多部位接觸，帶出更多的熱量，使溫度降低 。
這是飛車項目的傳統：一系列嘆為觀止的技術創新，以及團隊的那種為探尋現有技術極限而奮力突破的決心 。“這是一次奇妙的實踐 ， ”文圖瑞老板帕斯特說，“當你不得不把部件的能力發揮到極致，你就能發現新的東西，讓你用不同方式來思考問題 。”
【電動飛車速度644公里/小時】最終 ， 這些挑戰變成了無與倫比的教育實踐，造就了一批經歷獨特的畢業生 。過去幾年間，飛車團隊已經打造了50名工程師，其中大部分都在汽車制造業、航空航天和電池技術行業繼續從事重要技術工作 。“他們是出色的工程師，因為他們處理過這些復雜的問題，”帕斯特如是評價 。
克洛默，先前的大一新生，一時興起加入了團隊，他說學到了遠比課堂上多得多的知識 。當時對汽車一無所知的小伙子，其后花了兩年時間設計了這部電動飛車的電子中樞 ， 這是一套能夠監控每一個部件運行情況，并使之與駕駛員操作完美匹配的系統 。但是，克洛默和其他人這么做可不僅僅是為了獲得學分 。說到底，他們依然是大學生 ， 9月份，突破每小時400英里大關的前景讓他們激情澎湃 。“我們能打破世界記錄，”他說，“蕓蕓學子，有幾人能出此言？”
本文作者：格雷戈里•莫恩(Gregory Mone)
格雷戈里•莫恩主要撰寫科學與技術方面的報道，作品發表在Atlantic、Discover、Popular Science等美國多家媒體上，還出版過4本著作 。
本文譯者：田光宇
田光宇教授是清華大學汽車工程系副主任、車輛與交通研究所副所長以及中國汽車工程學會電動汽車分會的秘書長 。他主要研究電動汽車整車集成與控制、電池系統應用技術 。(eeook.com)

• 瑞典開通第一條能給行駛中的電動汽車蓄電池充電的道路
• 電動窗簾怎么保養
• 在高地種植泥炭苔可有效減緩雨水往山下流的速度 降低淹水的風險與災情
• 電動車怎么提高速度
• 研究指出澳大利亞的哺乳類動物以驚人的速度絕種
• 潛在危險的近地小行星Phaethon旋轉速度越來越快
• 研究發現無人機的速度和顏色對鳥類是否受到其干擾并無聯系
• 新研究稱人類祖先毛發脫落為加快奔跑速度
• 星震學或助揭示恒星旋轉速度和質量
• 騎電動車的過彎技巧