Elon Musk几年前提出制造超音速eVTOL飞行器的想法，并定期在Twitter分享这一看法，但纵然Elon Musk是全球汽车产业电气化主要推动者，造的火箭更是以“尾巴着陆”，这一想法仍不免被严谨的航空领域视为遥不可及，不过是笑话、噱头而已。但毕竟Musk有着“钢铁侠”之称，如果说有谁能够造出超音速eVTOL，那个人肯定是Musk。 那到底超音速eVTOL飞行器可行性几何?知名航空记者，同时也是直升机飞行员的Elan Head用第一性原理采访研究了使超音速eVTOL成为现实到底需要什么。
超音速eVTOL概念图
A. 超音速 + 电动 + VTOL = 一些非常困难的问题
从广义上讲，超音速eVTOL飞行存在三个难题：
1. 制造能够以超音速有效运行的电动推进器存在困难;
2. 制造能够支持超音速巡航和垂直起降能量和功率密度的电池存在困难;
3. 将所有这些集成为一个可行进行超音速巡航的飞行器设计存在困难;
我们先来看看推进器的问题。到目前为止，只有一架能够垂直着陆的超音速飞机投入使用：洛克希德·马丁公司的 F-35B。它由Pratt & Whitney F135 加力涡轮风扇发动机提供动力，可产生超过 40,000 磅的推力，它通过燃烧大量化石燃料来实现。
F35垂直起降
这种快速的推力产生方法不适用于电动飞机，而且合适的替代方案可能是什么样子也并不明显。它看起来不像Lilium Jet等当前 eVTOL 飞机上的涵道风扇，因为当它们进入接近 1.0 马赫的可压缩状态时，它们的桨尖速度会超音速并失去效率。
涡轮喷气发动机(以及更普遍的低旁通涡扇发动机)一直是超音速领域的发展方向，依靠喷气发动机核心中的压缩和燃烧来产生超音速所需的出口速度。在电动推进情况下，意味着必须使用电动机驱动的风扇/压缩机在不燃烧的情况下实现类似的压缩和流动成形——类似于在超音速风洞中所做的。
这样的推进系统尚不存在，但最终可能会存在。前 NASA工程师和 eVTOL布道者 Mark Moore 正在他位于田纳西州的初创公司 Whisper Aero 朝这个方向前进，该公司于今年7月开始进入大众视野。Moore 和 Whisper Aero 首席运营官Villa 仍未分享有关他们新型电动推进器技术的任何细节，但他们声称该技术将能够驱动全电动4到19座的“Whisper Jet”以高达每小时 300 英里(每小时 480 公里)速度巡航，并且具有“极低的噪音”和“令人难以置信的低运营成本”。
Moore表示Whisper正朝着Elon谈论的方向前进，并比整个电动飞机行业的任何人都领先。其认为当我们拥有足够好的电池时，飞行器上升到一定高度，由于空气非常稀薄，将能以非常低的功率进行高速巡航，而传统涡轮风扇因为需要依靠空气中的氧气进行燃烧而无法发挥作用。并表示Whisper正在这段旅程上做当前正能做的事情，只是电池现在只能做这么多。
B. 电池到底能做多少?
这将我们带到了超音速eVTOL飞行中的下一个难题：电池。在这里，垂直起降的要求使问题变得比其他情况要困难得多，因为悬停飞行需要非常高的功率。
卡内基梅隆大学的研究人员 Venkat Viswanathan 和 Shashank Sripad于6月份发布了一份评估小型、绝对亚音速 eVTOL 飞行器的电池要求报告(可在中 eVTOL能源效率与所需电池性能概述 获取)，报告中得出的结论之一是，当前市场热门的多款eVTOL设计正在接近使用当前锂离子电池技术可行性的边界。
估算超音速eVTOL飞行器的能耗只需重点关注几个关键参数，包括最大升阻比。要了解技术可行性，尤其是从电气化的角度来看，只需要这种简单的分析。
对于超音速飞行器来说，最大升阻比一般是一个比较低的值，部分原因是它们会受到激波阻力的影响，当飞行器接近临界马赫数时，激波阻力会突然急剧增加。以洛克希德A-12(S-71的前身)和协和飞机最大升阻比(分别为6.6和7.4)作为参考，使用最大升阻比为6和8进行分析。
Venkat Viswanathan 和 Shashank Sripad 的这项分析显示了超音速 eVTOL 在不同的电池组能量密度和电池重量占最大起飞重量的比值的组合下可以实现多少巡航时间(除了垂直起飞和着陆)。超出红线的任何事情都是不可能的，因为所需的电池将超过整个飞机的重量。当今最先进的电动汽车 (SOTA EV) 电池组的比能量约为 160-170 Wh/kg，约占车辆重量的 25-30%。
结果与马斯克过去公开估计的结果基本一致。在 2014 年的 MIT AeroAstro 百年座谈会上，他认为能量密度为每公斤400Wh的电池，占飞机质量的 70%，将制造出“引人注目”的飞机。
Viswanathan 和 Sripad 估计，能量密度为 400 Wh/kg电池组的飞机将能够以 1.1 马赫的速度在 40,000 英尺的高度巡航约 10 到 15 分钟，包括垂直起飞和着陆。
这是否意味着超音速 eVTOL 飞行指日可待?并不是的。据 Sripad表示，当前这一代锂离子电池正以每年 3-5% 的速度改进，下一代锂金属电池有望在电池芯层面提供更高的能量密度。但“目前还不清楚锂金属电池将如何Pack。假设它与当今锂离子电池的Pack方式相似，那么在Pack后能量密度可能会在350 Wh/kg。
Sripad进一步表示必须重新思考锂电池的阴极材料，其不会是当前任何一种阴极材料，虽然存在一些能量密度更高的电池化学物质，但它们不一定是可充电的，而且“在技术准备方面还差得远”。
然后是功率密度的问题。超音速eVTOL飞机不仅需要大量储存能量，还需要能够快速释放能量以进行大功率垂直起降。通常，电池研究人员首先关注新电池化学物质的能量密度，然后才是功率密度。如果必须是eVTOL超音速飞行器，那么这自然意味着你必须努力同时解决电池功率密度和能量密度问题。
C. 把这一切集成在一起
任何面临将单个电池单元组装成电池组的电动汽车开发商都关心如何减轻重量，同时还要防止损坏和热失控。超音速电动飞机开发商将有一些额外的担忧。非常高海拔的稀薄空气可能非常适合高效巡航，但它也会使高压电池更容易受到电晕放电的影响，因此需要考虑在电气系统设计中。
另外，那里很冷。无论为超音速eVTOL电池供电的电化学反应是什么，它们在低温下都可能要慢得多。Sripad 指出，以高速率对电池放电可能会产生足够的热量来抵消这个问题，但需要仔细评估热管理。
还有一个问题是，在专为超音速飞行设计的飞机上，在哪里放置相当于其质量 70%的电池。对于超音速飞机，Whisper Aero 的 Villa 说，“你必须克服跨音速时的阻力上升，你必须有非常低的激波阻力。这意味着您的飞机的形状必须量身定制，并在到达音障时保持低阻力。”
Skunk Works X-59 Quiet SuperSonic Technology 飞机的艺术插图
从功能上讲，这意味着大多数超音速飞机具有高细度比——这意味着它们的长度比宽度要大得多——并且它们的机身在与机翼相遇的地方变窄以减少激波阻力。东西更薄了，所以你不能像一些eVTOL那样把电池塞进机翼下的机舱里。
集成问题也适用于推进系统，因为VTOL飞行可能需要单独的推进器。由于超音速设计的限制，这将倾向于采用非常精细、非常长的薄机身，而不能将推进器随意放在其他地方。
所有这些加起来意味着超音速eVTOL飞行器距离实用还有很长的路要走——这可能是马斯克还没有费心去追求它的原因。在2018 年与Rogan的臭名昭著的吸大麻播客中，马斯克承认“现在不需要电动飞机。电动汽车很重要，太阳能很重要，能量的固定储存很重要。这些东西比创造超音速eVTOL 重要得多。”
“我们肯定会到达那里，但成功的一部分是在正确的时间采用正确的技术来实现现在重要的市场能力，”Moore说。“我们还没有进入超音速eVTOL 时代，但有很大的机会可以为此开发产品。”
D. 三分之二最好
如果此时超音速、电动和VTOL要求过高，那么在近期内，这些特性的一些不那么雄心勃勃的组合可能是可行的。Harvest Zhang指出，以超音速飞行为目标会招致极高阻力和传统的涵道风扇设计不适用于超音速飞行的“双重打击”。
与亚音速、0.8马赫左右的 eVTOL(可以实现12-15范围内的升阻比)相比，制造超音速 eVTOL 的难度可能根本不在一个量级，因此高速亚音速选项更具现实意义。
buGi Aero负责人、先进垂直飞行概念专家 Ashish Bagai 建议采用氢基设计，该设计使用先进的燃料电池进行垂直和低速飞行，辅以使用氢气作为可燃燃料的推进装置，为高速/超音速飞行提供推力，可能是一个可行的选择。但这有点作弊，因为并没有在飞行全程都以电动模式运行，但也没有使用多种燃料类型或通过多种能量转换来工作。
Bagai的概念是一个优雅的概念，尽管鉴于马斯克在汽车领域广为人知的对氢的蔑视，这可能需要一位不同的亿万富翁来实现这个构想。虽然 Bagai在短期内看不到通往超音速eVTOL 喷气式飞机的可行路线，但他也不认为这是一个笑话。
最后，从科学进步的角度来看，从学习、做真正难以证明的事情、获得知识以及证明这些可以做到的过程是非常有价值的，而且在这个过程中经常会涌现出许多有用的衍生产品。
