[圖文]突破時速400英里的電動飛車
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。
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,組裡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」。
於是,克洛默來到了這個小組位於學校汽車研究中心(Center for Automotive Research,CAR)的工作場地。到了這裡,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,在打雜之餘,高年級的組員開始教他電路、控制系統和其他東西。很快,他在這裡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團隊裡滿是類似的故事。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,小組在評價新的自願者時,更看重他們的主動性而不是智商。克洛默自覺熬夜,這是小組的標誌性行為,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。週末,當其他同學沉溺於啤酒中時,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。這個團隊已經製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。兩年後,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)郊外的邦納維爾鹽鹼灘上,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•裡佐尼(Giorgio Rizzoni)組建了第一支學生團隊,參加一項大學生電動車大賽。這個學生團隊製造的汽車名為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,而裡佐尼也覺得,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,他們想要製造史上最快的電動汽車。「我看著學生,然後說,『你們還真是瘋狂』,」裡佐尼回憶說。
接下來的十年間,這個學生團隊製造了三輛打破世界紀錄的汽車。現在,裡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。於是,他們求助於摩納哥電動汽車製造商文圖瑞汽車公司(Venturi Automobiles)的老闆、時年45歲的吉爾多•帕蘭卡•帕斯特(Gildo Pallanca Pastor)。曾是業餘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/小時發起衝擊。
兩年後,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築,正面是磚砌結構,後面則是幾個洞穴般的飛機庫,26歲卻留著鬍子的庫克說,「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。由於把車子加速到400英里/小時需要的功率實在太大,團隊計畫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。團隊裡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覆推敲了一年。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裡,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裡•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。飛車採用鋼製骨架和碳纖維外殼,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歲的賽車手羅傑•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。當該點偏向後部,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,即使受到側風乾擾時也不例外。儘管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於事。庫克說,「到了最後那天,最要緊的事情是施洛爾的安全。」
問題是,怎麼在空氣動力和安全性之間達成平衡。王凌迅速點擊著滑鼠,將尾翼拆開,讓其在虛擬的三維空間裡翻轉。他把尾翼逐漸變尖的方案,改為類似於海豚尾巴的結構——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,一個朝後)的辦法,以便在汽車高速衝刺時可以獲得數據。而增加水平翼片的另一個目的,就是把這三種設備裝進去。然後,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,所以別這麼干』,」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瞭解——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系統公司製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,「如果能量有剩餘的話,就意味著我們在電池上攜帶了多餘的重量。」
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,就佔用了太多的空間。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。由於一共有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裡,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,由於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吋的牽引力。鹽鹼灘上的顛簸會導致車輪空轉,儘管只是很短的時間,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佈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佈置以後,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,「出於穩定性的考慮,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,裡面還有其他的CAR學生項目。在飛車工作場地上,庫克抓起一隻輪胎,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,車子會在毛糙的鹽鹼灘上行駛。「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,團隊正在考慮採用三個甚至四個減速降落傘。這些額外裝備使得車子後部過長,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後,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。不過庫克並不氣餒。「我們早就學會了不能輕易放棄,」他說。「我們得找找原因。為什麼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?」深入探究後發現,問題與溫度有關。仿真分析表明,電機會過熱。於是,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:一系列歎為觀止的技術創新,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,」文圖瑞老闆帕斯特說,「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。」
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製造業、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複雜的問題,」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,其後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,並使之與駕駛員操作完美匹配的系統。但是,克洛默和其他人這麼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,「芸芸學子,有幾人能出此言?」