是否有可能製造電動噴氣式發動機，如何製造？

11-27

Elon Musk曾經在TED表示，根據牛頓定律，只有火箭無法電動，所以他做了SpaceX。

"There is this airplane design that
I"ve had in mind for about four years. It is a VTVL, supersonic electric
jet," ——Elon Musk
Musk構想的電動超音速噴氣式垂直起降飛機，發動機如何設計？

轉載自我的專欄狂想電動噴氣機—Elon Musk未完成的夢想 - 寫給萬分之一的創新者 - 知乎專欄

美國波音公司配備固體高分子型燃料電池（PEFC）的小型載人飛機全球首次試飛成功

日本IHI公司與美國波音公司合作，實施了配備再生型燃料電池系統的民用飛機試飛。目前客機主要依靠專門的燃氣輪機發電。

目前已經有很多人在嘗試打造電動飛機，但是螺旋槳或者電動涵道風扇驅動的電動飛機，相對於現行噴氣機並沒有飛行性能方面的優勢。為了做出電動噴氣機，我們首先要了解噴氣式發動機的原理。

空氣分子告訴你發動機怎麼工作滴（超清字幕）
空氣分子告訴你發動機怎麼工作滴（超清字幕）

從這個視頻我們可以理解，現行噴氣式發動機的根本原理就是壓縮氣體、燃燒膨脹推動飛機飛行。

電傳動與分散式推進

關於電動飛機，目前已經有的研究方向主要是燃氣輪機發電，超導電機直接驅動風扇，這樣雖然有能量轉換損失，但是布置更加靈活，燃氣輪機發電的工作環境也更加理想（本來就有很多燃氣輪機是從航空發動機改的，為發電進行了優化）。

在目前民航機主流的大涵道比渦輪風扇發動機中，為飛機提供大部分推力的風扇的最佳推進轉速較低，而作為動力源驅動風扇的核心機，包括壓氣機和渦輪在內，在高轉速下具有較高的熱效率。因此，採用電傳動，給風扇和核心機解耦，可以減少壓氣級數量，提高熱效率和推進效率，降低噪音和氮氧化物排放。這種電傳動的全電飛機，雖然經過了「化學能—機械能—電能—機械能」的複雜能量轉換，但是仍然有希望通過優化每一環節的運行效率，最終在燃料經濟性方面超過現行的大涵道比渦扇發動機，從而適用於對於成本要求苛刻的民航產業。

採用分散式推進結構（distributed propulsion）配有16個超導電機風扇的客機概念圖，由於沒有燃燒室的加熱膨脹功能，預期的飛行速度沒有優勢，主要是為了民航降低噪音。

採用分散式推進，具有可釋放單元的美國邊境監視概念機。圖片來自NASA蘭利研究中心

蘇黎世聯邦理工大學的分散式飛行陣列

他山之石—核渦噴

電動只能用來讓飛機低速節能飛行嗎？當然不止如此，噴氣機高速飛行的關鍵在於空氣膨脹，而使空氣膨脹做功並不是只有燃燒一種形式。我們先來跑題，看看上世紀冷戰時期美蘇瘋狂的核動力飛行器計劃，為了實現洲際飛行，其配備的發動機取消了燃燒室，利用核反應堆的熱量來加熱空氣使之膨脹推動飛行。

【兩台通用電氣的渦輪風扇發動機藉助兩台被屏蔽起來的反應堆成功達到了近滿功率輸出。將核反應堆放出的熱加到衝壓發動機上的設備的研究產生了興趣。這個研究被命名為「冥王星計劃」（Project Pluto）。】

美國P-1型核-渦噴發動機設計圖

米亞西舍夫設計局超音速核動力轟炸機M-60設計圖

帶有核動力方案的M-50

這是留里卡為米亞西舍夫設計的核-渦噴發動機СКБ-500。蘇聯工程師們對幾種類型的核動力發動機進行了測試，包括衝壓發動機，渦輪旋槳發動機機和渦輪噴氣發動機。工程師對各發動機的不同傳輸機制進行了反覆測試，其中重點驗證各方案轉遞核反應堆產生的熱能的情況。經過廣泛的試驗和各方案發動機、傳送系統之間的反覆對比，蘇聯工程師們的結論是：直接循環的渦噴發動機是最好的選擇。設計人員決定採用直接循環的方式進行能源傳輸方式。這種方法將使用反應堆作為動力裝置的能源，以取代噴氣式發動機使用的燃燒。
在直接循環能量傳輸裝置內，進入的空氣進首先入渦噴發動機的壓縮機，然後，通過一個引導空氣通往反應堆堆芯的通風道。這個時候通入的空氣中作為反應堆冷卻劑的同時正在不斷升溫。離開後核反應堆堆芯後的空氣又回到另一個通風道，並從那裡經由發動機的渦輪噴出。

如何打造電動噴氣機

從以上史料我們可以理解，噴氣式發動機的燃燒室燃燒反應並不是高速飛行的必要條件，只要能有效地提供熱源，使空氣膨脹就可以了。

而被稱為鋼鐵俠的Elon Musk 同學聲稱要做的電動超音速垂直起降噴氣機應該如何驅動呢？

「There is this airplane design that I』ve had in mind for about four years. It is a VTVL, supersonic electric jet,」 ——Elon Musk
「…… If you just changed the engines, you could double the range. Then I did the math, saw that the higher you go in the atmosphere, there』s less drag, so the faster more efficient it is. So an electric motored plane could really work……」

Musk認為電動超音速噴氣機值得去做的主要依據是：飛機在高空飛行時，空氣阻力小有助於減少損耗、提高效率，但是由於氧氣稀薄，噴氣式發動機的性能受到一定製約。而飛機自己攜帶氧氣過於笨重就跟火箭沒什麼區別了。電動飛機取消燃燒室有可能做到不受任何含氧量限制，只要這個星球有適當密度的大氣層就可以工作。為此需要尋求燃料之外的加熱方法。

國外有人提出了電弧加熱的構想並申請了專利（Arcjet，而鋼鐵俠的能量源方舟反應爐的原文是Arc Reactor），該技術已經被應用在了衛星上，但是也有可能在大氣層中發揮作用。

等離子體發動機，或者說電磁推進，名字非常科幻，但是原理並不複雜：工作介質通過電弧時形成等離子體。在低氣壓下，電流遍及整個電極表面並在射流中形成一定分布。電流和磁場的相互作用使氣體在軸向加速，產生很高的比沖。這種推進方式其實推力一般只有幾十毫牛到幾十牛，只能在真空環境下發揮作用。

如果把燃燒室的火焰換成等離子體，在大氣層中只需要利用小部分等離子體的高溫讓大部分氣體膨脹到一定程度就可以工作，此時用電場、磁場使等離子體加速並無必要。但是如果保留只用於太空模式的電場加速裝置的話，確實可能實現同一台發動機大氣層內外通吃的科幻效果。

但是普通氣體大約需要加溫到6000℃以上才能產生微弱的電離，因此等離子體作為熱源的效率顯然不可能比電阻絲高。國外也有人提到摻入過熱蒸汽來取代燃燒室的構想。另外如果在高空高速為工作前提，可以直接省去風扇，構成電加熱衝壓。

等離子體除了用於外太空推進，還有一些其他有趣的應用場景，比如降低空氣阻力。

日本鐵道綜研技術研究所在「鐵道綜研技術論壇2013」（2013年8月29～30日）上，展示了通過在受電弓弓頭（接觸送電線的部件）上安裝等離子體激勵器等來降低空氣動力雜訊的研究成果。通過控制受電弓弓頭周圍的空氣氣流，來防止產生卡門渦街，從而抑制雜訊的發生。這一成果除了受電弓弓頭之外，還有望應用於無法改成流線型等形狀的部件，降低空氣動力雜訊。
等離子體激勵器通過向介電體施加交流電壓來產生等離子體。

最後，筆者在搜集資料過程中，找到了一些有意思的研究：水中穩態等離子體推進效應研究

為了提高船舶的航行速度、降低運行雜訊以及實現直線推進，本課題在國防科工委技術基礎研究項目「艦船定向用等離子體推進技術的研究」的資助下。開展了基於穩態或脈衝等離子體效應的噴氣式推進在艦船上應用的可行性探索，關於穩態等離子體推進模型的設計以及動力特性的研究是其中重點之一。

當然按照現階段的實驗結果，這種船舶用等離子體發動機的推力小到可以忽略，估算推進效率僅為0.02，比起推進效率高達0.8~0.85的潛艇用泵噴推進器，很難有實用化的希望。

如果你讀完本文希望吐槽，或者想提前看到未公開的情報，可以掃描以下二維碼加入討論群。

http://weixin.qq.com/g/jyyzEFngNM1PsFY8VIBr (二維碼自動識別)

= = = = = = = = =
嘯語
原創技術觀察，寫給萬分之一的創新者

http://weixin.qq.com/r/FEMHH0vE7haRrQ989xYG (二維碼自動識別)

單靠螺旋槳還是不行的，加熱可以考慮用微波的方法共振加熱，前些天看新聞中國的人造太陽就是用微波來增加反應核心溫度的。加壓用電磁線圈什麼的，高溫高壓噴射出去才行。不過估計會很費電

電動你終歸要靠螺旋槳來給空氣加速，單是螺旋槳效率在接近音速時效率趨近於0，這是沒法解決的問題。所以電動驅動壓氣機是不可取的，但可以考慮電離空氣產生高溫高速氣體然後由牛頓第二定律產生推力的方式。單是么，NASA好像送了個1KG不到的東西上天吧，慢慢弄吧。