Resumen:
La tecnología de cohetes SpaceX no es toda la baza del Roadster "veloz"
. Tesla Engineering No. 1 acaba de explicar todos los detalles técnicos en un programa de blog: sistema de inyección de cohete, ventosa de efecto suelo, cuerpo de deformación activa... y desvela por primera vez:La tecnología del robot humanoide de Tesla, Optimus, también está en el coche
.
La tecnología negra del cohete, ¿cómo funciona en el coche?
En primer lugar, presentemos brevemente a
Lars Moravey, que está en el podcast
, se graduó en ingeniería mecánica en la Universidad Northwestern y fue responsable del sistema de suspensión del chasis en Honda durante mucho tiempo en sus primeros años. Cuando se unió a Tesla en 2010, comenzó a trabajar en la suspensión del chasis y ascendió hasta su puesto actual como vicepresidente de Tesla, número uno en ingeniería de vehículos.
Toda su producción gira en torno a una pregunta: si un automóvil ya es tan rápido que la gente duda de la vida, ¿cómo puede el siguiente paso romper el límite?
Qubit Robo le ha explicado antes que el Roadster utiliza un sistema de propulsión de gas frío a alta presión desarrollado conjuntamente por SpaceX. No es necesario quemar propulsor para producir gas a alta temperatura. Se basa principalmente en la rápida liberación de gas a alta presión a través de la boquilla y utiliza la fuerza de reacción para impulsar el vehículo.
Este conjunto de principios no es ajeno al campo aeroespacial, a saber, fuerza de acción y fuerza de reacción.
El vehículo primero necesita un sistema de almacenamiento de gas a alta presión, COPV, que puede almacenar nitrógeno con una presión de hasta 10.000 PSI, que es aproximadamente 68,9 MPa. La presión de los neumáticos de los turismos normales suele ser de sólo unos pocos cientos de kilopascales, una diferencia de dos órdenes de magnitud.
El empuje del sistema proporcionado por Moravy supera los 80 kN, lo que equivale aproximadamente a 8,2 toneladas de fuerza cuando se convierte en una unidad más familiar.
——Equivalente al empuje de un motor MiG-29 RD-33 con el posquemador encendido——La versión Performance acelera de cero a 100 segundos en aproximadamente 1,6 segundos, la versión Thrust tarda aproximadamente 0,85 segundos y la versión Rocket afirma alcanzar 0,55 segundos.
Este tipo de rendimiento energético aterrador de hecho no es algo que puedan lograr las industrias automovilísticas tradicionales, como los motores de combustión interna y los motores eléctricos. Está asistido por propulsores de cohetes detrás.
Lo que determina el empuje incluye el caudal másico de gas, la estructura de la boquilla, la temperatura y presión del gas y la velocidad de apertura de la válvula.
Por primera vez, los funcionarios han dejado claro que el sistema sigue en línea incluso en el terreno
:Este es el control de circuito cerrado detrás de esto: medir el estado, calcular la desviación, aplicar control y luego corregirlo continuamente en función de la retroalimentación.
Si el vehículo quiere mantener una actitud estable al acelerar, debe considerar la relación entre la línea de acción del empuje y el centro de masa del vehículo; si también quiere controlar la guiñada y el cabeceo, requiere boquillas en diferentes direcciones para trabajar juntas.
Entonces, el plan de propulsión incluye boquillas en las cuatro esquinas del cuerpo y una boquilla frontal para controlar la guiñada.
Tomando el giro del cohete como ejemplo, el sistema primero determina la actitud actual y la velocidad de rotación del cuerpo del cohete, calcula el par que debe aplicarse y luego controla la correspondiente inyección de aire frío del propulsor. Después de que el cuerpo del cohete comienza a girar, la IMU continúa retroalimentando el nuevo estado de rotación y la computadora ajusta el tiempo y la duración de la inyección en consecuencia; Al acercarse a la actitud del objetivo, el sistema necesita reducir el empuje y, si es necesario, aplicar un par inverso para frenar el cuerpo del cohete y detenerlo en el ángulo objetivo.
Por lo tanto, es sólo la base sobre la que la hélice puede producir empuje. Lo que realmente permite que el cohete gire con precisión es la medición continua por parte del sistema de control del estado del cuerpo del cohete y su capacidad para ajustar el empuje en tiempo real basándose en la retroalimentación.
El Roadster utiliza propulsores para completar ajustes de actitud similares en el aire. La lógica de control también necesita resolver el mismo tipo de problemas: determinar la actitud y la velocidad de rotación de la carrocería del automóvil en tiempo real, coordinar las boquillas en diferentes posiciones para generar la fuerza y el par resultantes requeridos y detener la rotación a tiempo cuando se alcanza la actitud objetivo.
Básicamente se puede inferir que Roadster utiliza el mismo marco técnico básico que SpaceX, pero ha sido readaptado en función de las características físicas y el diseño de las boquillas del propio vehículo.
En este punto, se han aclarado las raíces del hardware de la hélice y el algoritmo de control de actitud del superdeportivo volador Roadster.
La gente generalmente pensaba que estos eran todos los secretos del Roadster, hasta que Moravey fue tomado por sorpresa y reveló otra tecnología negra——
También se incluyen componentes clave de la inteligencia incorporada
Parece un poco nervioso a primera vista.
Los robots tienen que caminar, pararse y ajustar su postura, mientras que los coches tienen que viajar a altas velocidades. Los entornos de trabajo de los dos productos son muy diferentes.
Pero desde la perspectiva de los actuadores, tienen una cosa en común: todos necesitan controlar con precisión la posición y el movimiento de los componentes mecánicos y responder a tiempo cuando cambia la carga.
Las articulaciones de las piernas de los robots humanoides necesitan soportar enormes fuerzas de impacto al instante al caminar y saltar.
Naturalmente, tiene las ventajas de una alta densidad de potencia, un enorme par motor y una respuesta de nivel de milisegundos
.
Tesla reutilizó este componente central del robot en el superdeportivo, lo que no solo resolvió el problema de control bajo cargas mecánicas extremas, sino que también demostró la máxima reutilización del hardware subyacente desarrollado por Tesla en todas las líneas de productos.
La primera aplicación es ajustar activamente el alerón trasero
: A la velocidad extremadamente alta de 200 mph, el alerón trasero aerodinámico activo debe soportar una enorme resistencia al viento y una carga aerodinámica de hasta varios miles de Newtons.Pero los pequeños motores de los automóviles comunes simplemente no pueden ajustar la actitud rápidamente bajo una carga mecánica tan grande.
Tesla toma prestados directamente los actuadores de alto par de las patas del robot humanoide Optimus para impulsar poderosamente el alerón trasero y agrega un mecanismo de bloqueo de freno mecánico adicional (Brake), que permite que el alerón trasero no solo cambie entre el modo de alta carga aerodinámica (High Downforce Mode) y el modo de baja resistencia (Low Drag Mode) con una precisión de milisegundos, sino que también se bloquee firmemente bajo un impacto extremo del flujo de aire.
La segunda aplicación son
válvulas de gas de alta presión precisas que controlan el sistema de inyección de aire frío de SpaceX
.La presión de aire interna es tan alta como 10,000 PSI. Aunque el diseño de la estructura fluida de la válvula en sí se deriva de SpaceX, en el entorno terrestre, es necesario abrir y ajustar con precisión una válvula de gas que pueda soportar una presión de 10,000 PSI en milisegundos, lo que requiere un par de accionamiento extremadamente alto.
Así que Tesla introdujo una vez más el actuador de pierna Optimus para controlar la apertura, el cierre y la carrera de la válvula de alta presión, logrando así un control refinado del flujo de aire del chorro supersónico y el empuje vectorial.
¿Qué otros avances hay en el chasis Roadster y Sanden?
La propulsión de cohetes y los actuadores robóticos son responsables de crear una sensación de frescura y superar los límites de la física automotriz.
Pero su base de rendimiento todavía depende de la propulsión eléctrica, el chasis y los neumáticos que lo respaldan.
Aún quedan muchas innovaciones en el chasis y en los tres componentes eléctricos.
En primer lugar, el Roadster no tiene tracción en las cuatro ruedas multimotor, sino que utiliza un diseño de doble motor en las ruedas traseras. La potencia total oficialmente divulgada supera 1 MW y el par supera los 1.400 N·m. Con el mecanismo de reducción de engranajes planetarios y una relación de reducción de aproximadamente 8,4:1, el vehículo puede ajustar de forma independiente la fuerza motriz de las ruedas traseras izquierda y derecha.
Esto proporciona más control sobre la distribución de energía en las curvas.
En términos de batería, el Roadster utiliza 4680 celdas, una carcasa de aluminio y un diseño de refrigeración de doble cara, y utiliza una plataforma de alto voltaje de aproximadamente 800 V.
La importancia del enfriamiento por ambos lados es relativamente sencilla: darle al núcleo de la batería más rutas de disipación de calor ayuda a mejorar la transferencia de calor y la uniformidad de la temperatura. Para los vehículos eléctricos de alto rendimiento, esto es importante porque la batería y el propulsor eléctrico generan mucho calor cuando generan alta potencia, y el control de la temperatura afectará si el sistema puede funcionar de manera estable.
En cuanto a la carga de 10 minutos, el efecto final también depende de la capacidad de la batería, la curva de carga, la temperatura ambiente y la capacidad de salida real del dispositivo de carga.
El chasis tiene que afrontar otro problema real: cuanto más radical es el rendimiento, más necesita la carrocería controlar el peso y la postura.
El peso objetivo del vehículo según los datos existentes es inferior a 1700 kg
; Después de entrar en modo pista, la suspensión también se puede bajar unos 40 mm y ajustar la rigidez.La configuración de la parte inferior de la carrocería y la suspensión más estricta ayudan a controlar los movimientos de la carrocería, pero el rendimiento final aún está determinado por la puesta a punto general del vehículo.
El siguiente paso es la innovación más imaginativa del Roadster:
Aerodinámica activa
.El alerón trasero, el chasis y la forma de la carrocería de un automóvil dependen principalmente del movimiento relativo entre el vehículo y el aire para generar fuerza aerodinámica.
Cuanto mayor es la velocidad, más evidente es el efecto aerodinámico, por lo que
El Roadster también está equipado con alerones delanteros ajustables, deflectores de aire laterales y alerones traseros activos
, tratando de ajustar el flujo de aire de acuerdo con diferentes velocidades y condiciones de conducción; el actuador es el mismo modelo que la inteligencia incorporada mencionada anteriormente.La declaración oficial es que el vehículo puede obtener hasta aproximadamente 2G de carga aerodinámica a velocidades superiores a 200 mph.
Sin embargo, el 2G aquí describe la relación entre la carga aerodinámica y el peso del vehículo. No se puede entender directamente que el coche pueda soportar una aceleración lateral de 2G en las curvas.
La velocidad a la que un vehículo puede tomar una curva aún está limitada por factores como los neumáticos, la superficie de la carretera, la suspensión y el control del vehículo.
El kit aerodinámico que se puede ajustar activamente en realidad resuelve el problema del agarre "pasivo", que es el requisito de rendimiento bajo un flujo de aire de alta velocidad.
Pero el Roadster también quiere obtener un mayor agarre a bajas velocidades, lo que lleva al sistema de ventilador debajo del coche.
Moravey reveló que el chasis está equipado con cuatro ventiladores de unos 20 kW, y el flujo de aire debajo del coche se controla a través de faldones independientes.
El ventilador extrae el aire debajo del chasis, creando una diferencia de presión entre la parte inferior del automóvil y el mundo exterior, presionando así la carrocería contra la carretera. Dado que este mecanismo no depende completamente de la velocidad del vehículo, en teoría puede proporcionar carga aerodinámica adicional a bajas velocidades.
Sin embargo, la potencia del ventilador no se puede convertir directamente en carga aerodinámica. Los resultados reales también se ven afectados por la diferencia de presión, el flujo de aire, el sellado de los faldones, las condiciones de la superficie de la carretera y el movimiento de la suspensión. El ventilador también aportará peso adicional, consumo de energía y carga de gestión térmica, por lo que cómo trabajar con el alerón trasero activo es el verdadero problema que toda la solución debe resolver.
Al observar estas tecnologías en conjunto, la idea de Roadster se vuelve más clara:
El sistema de propulsión eléctrica es responsable de la producción continua de potencia, los componentes aerodinámicos activos son los principales responsables de la conducción a alta velocidad, el ventilador intenta compensar la carga aerodinámica a bajas velocidades y el sistema de propulsión de aire frío proporciona un empuje adicional a corto plazo.
¿Cómo funcionan juntas estas tecnologías en varios escenarios extremos?
Veamos primero la aceleración inicial. Los motores duales de las ruedas traseras se encargan de transmitir potencia a la carretera, y el sistema de propulsión de aire frío intenta proporcionar empuje adicional en un corto período de tiempo. Los dos sistemas necesitan coordinar la sincronización y la dirección de salida para evitar cambios de actitud incontrolables del vehículo durante la aceleración.
Cuando se trata de curvas de alta velocidad, el alerón trasero activo y la estructura de deflexión de la carrocería entran en juego para ayudar al vehículo a generar carga aerodinámica; El control independiente de la fuerza motriz de las ruedas traseras izquierda y derecha también proporciona más espacio para ajustar la actitud del vehículo. Si el vehículo circula a velocidades más bajas, los ventiladores de los bajos tienen la oportunidad de complementar la aerodinámica convencional.
Mire nuevamente el proceso de acercarse al vértice de la curva después de un frenado a alta velocidad. A medida que la velocidad del vehículo disminuye, la carga aerodinámica generada por el alerón trasero que depende del flujo de aire también se debilitará. En teoría, el sistema de ventilador puede seguir proporcionando una cierta cantidad de fuerza de adsorción en esta etapa. Pero si puede funcionar de manera estable en la conducción real depende de la velocidad de respuesta del sistema, la cooperación entre el faldón y la superficie de la carretera y la estrategia de control del vehículo.
En cuanto al despegue a corto plazo del suelo, el sistema de propulsión con aire acondicionado es sin duda la parte más llamativa. Sin embargo, generar suficiente empuje hacia arriba es sólo un requisito previo para que el vehículo despegue del suelo. El vehículo también necesita controlar el cabeceo, la guiñada y el balanceo, y manejar los cambios de actitud después de abandonar el suelo y aterrizar. Basándose únicamente en los datos de empuje máximo, es imposible juzgar si el vehículo puede completar este proceso de forma repetida y estable.
Estas escenas también muestran que la solución técnica del Roadster no consiste solo en colocar varios componentes de alto rendimiento en el mismo automóvil. El tiempo de acción, la velocidad de control y las condiciones de trabajo de los diferentes componentes son diferentes. Cómo integrarlos en un sistema vehicular confiable es la clave para la implementación de ingeniería.
Una cosa más
P: ¿Qué tan poderoso es el pedo de Musk?
Ahora hay una respuesta oficial: empuje equivalente a 8,1 toneladas.
Y son datos autorizados confirmados por el propio Lao Ma.
Roadster se convirtió en un gran éxito y personas de todos los ámbitos de la vida discutieron sobre él, incluido LeCun, uno de los tres gigantes del aprendizaje profundo que es muy familiar para nuestros lectores de Qubit. Cuestionó la eficiencia del método de propulsión del Roadster y atacó directamente:
Lao Ma no presentó ningún dato que tuviera sentido, pero respondió directamente:
Te volaré el culo
:
Según los datos oficiales de Tesla, ahora sabemos que este pedo tiene un empuje de 8,1 toneladas, por lo que Lecun contraatacó:
"Este pedo te dejará boquiabierto."
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