Esposti i dettagli tecnici della supercar Tesla: 8 tonnellate di spinta paragonabili a un aereo da caccia e tecnologia nera per i robot

Riassunto:

La tecnologia missilistica SpaceX non è tutta la carta vincente della Roadster "auto in corsa"

. Tesla Engineering No. 1 ha appena spiegato tutti i dettagli tecnici in un programma sul blog: sistema di iniezione del razzo, ventosa con effetto suolo, corpo a deformazione attiva... e ha rivelato per la prima volta:

La tecnologia del robot umanoide di Tesla Optimus è anche sull'auto

La tecnologia nera di Rocket, come intervenire sull'auto?

Prima di tutto, presentiamo brevemente

Lars Moravey, che è nel podcast

, laureato in ingegneria meccanica alla Northwestern University, nei suoi primi anni è stato a lungo responsabile del sistema di sospensione del telaio presso la Honda. Quando è entrato in Tesla nel 2010, ha iniziato a lavorare sulle sospensioni del telaio ed è arrivato alla sua attuale posizione di Vice Presidente di Tesla, N. 1 nell'ingegneria dei veicoli.

Tutta la sua produzione ruota attorno a una domanda: se un'auto è già così veloce che le persone dubitano della vita, come può il passo successivo superare il limite?

Qubit Robo ti ha già spiegato che il Roadster utilizza un sistema di propulsione a gas freddo ad alta pressione sviluppato in collaborazione da SpaceX. Non è necessario bruciare propellente per produrre gas ad alta temperatura. Si basa principalmente sul rapido rilascio di gas ad alta pressione attraverso l'ugello e utilizza la forza di reazione per spingere il veicolo.

Questo insieme di principi non è estraneo al campo aerospaziale, vale a dire la forza di azione e la forza di reazione.

Il veicolo necessita innanzitutto di un sistema di stoccaggio del gas ad alta pressione - COPV, che può immagazzinare azoto con una pressione fino a 10.000 PSI, ovvero circa 68,9 MPa. La pressione dei pneumatici delle normali autovetture è solitamente solo di poche centinaia di kilopascal, una differenza di due ordini di grandezza.

La spinta del sistema fornita da Moravy supera gli 80 kN, che equivalgono a circa 8,2 tonnellate di forza se convertita in un'unità più familiare.

——Equivalente alla spinta di un motore MiG-29 RD-33 con postcombustore acceso——

La versione Performance accelera da zero a 100 secondi in circa 1,6 secondi, la versione Thrust impiega circa 0,85 secondi e la versione Rocket afferma di raggiungere 0,55 secondi.

Questo tipo di prestazioni di potenza terrificanti non è infatti qualcosa che può essere raggiunto dalle industrie automobilistiche tradizionali come i motori a combustione interna e i motori elettrici. È assistito dai propulsori a razzo dietro di esso.

Ciò che determina la spinta include la portata massica del gas, la struttura dell'ugello, la temperatura e la pressione del gas e la velocità di apertura della valvola.

Per la prima volta, i funzionari hanno chiarito che il sistema è ancora online anche sul campo

Questo è il controllo a circuito chiuso alla base: misurare lo stato, calcolare la deviazione, applicare il controllo e quindi correggerlo continuamente in base al feedback.

Se il veicolo vuole mantenere un assetto stabile in accelerazione, deve considerare il rapporto tra la linea d'azione della spinta ed il baricentro del veicolo; se vuole controllare anche l'imbardata e il beccheggio, richiede che gli ugelli in direzioni diverse lavorino insieme.

Quindi il piano di propulsione prevede ugelli ai quattro angoli della carrozzeria e un ugello anteriore per il controllo dell'imbardata.

Prendendo come esempio il lancio di un razzo, il sistema determina innanzitutto l'assetto attuale e la velocità di rotazione del corpo del razzo, calcola la coppia che deve essere applicata, quindi controlla la corrispondente iniezione di aria fredda nel propulsore. Dopo che il corpo del razzo inizia a ruotare, l'IMU continua a fornire feedback sul nuovo stato di rotazione e il computer regola di conseguenza i tempi e la durata dell'iniezione; quando ci si avvicina all'assetto target, il sistema deve ridurre la spinta e, se necessario, applicare una coppia inversa per rallentare il corpo del razzo e fermarlo all'angolo target.

Pertanto, è solo la base su cui l'elica può produrre spinta. Ciò che realmente consente al razzo di ribaltarsi con precisione è la misurazione continua da parte del sistema di controllo dello stato del corpo del razzo e la sua capacità di regolare la spinta in tempo reale in base al feedback.

Roadster utilizza i propulsori per completare simili regolazioni dell'assetto a mezz'aria. Anche la logica di controllo deve risolvere lo stesso tipo di problemi: determinare l'assetto e la velocità di rotazione della carrozzeria in tempo reale, coordinare gli ugelli in diverse posizioni per generare la forza e la coppia risultante richieste e arrestare la rotazione in tempo quando viene raggiunta l'assetto target.

Si può sostanzialmente dedurre che Roadster utilizza la stessa struttura tecnica di base di SpaceX, ma è stata riadattata in base alle caratteristiche fisiche e alla disposizione degli ugelli del veicolo stesso.

A questo punto, sono state chiarite le radici dell'hardware dell'elica e dell'algoritmo di controllo dell'assetto della supercar volante Roadster.

La gente generalmente pensava che questi fossero tutti i segreti della Roadster, finché Moravey non fu colto di sorpresa e rivelò un'altra tecnologia nera——

Sono presenti anche i componenti chiave dell'intelligenza incarnata

A prima vista sembra un po' instabile.

I robot devono camminare, stare in piedi e adattare la loro postura, mentre le auto devono viaggiare ad alta velocità. Gli ambienti di lavoro dei due prodotti sono molto diversi.

Ma dal punto di vista degli attuatori, hanno una cosa in comune: devono tutti controllare con precisione la posizione e il movimento dei componenti meccanici e rispondere in tempo quando il carico cambia.

Le articolazioni delle gambe dei robot umanoidi devono resistere istantaneamente a enormi forze di impatto quando si cammina e si salta.

Presenta naturalmente i vantaggi di un'elevata densità di potenza, un'enorme coppia erogata e una risposta di livello millisecondo

Tesla ha riutilizzato questo componente principale del robot nella supercar, il che non solo ha risolto il problema di controllo sotto carichi meccanici estremi, ma ha anche dimostrato la massima riutilizzabilità dell'hardware sottostante autosviluppato da Tesla in tutte le linee di prodotto.

La prima applicazione è la regolazione attiva dello spoiler posteriore

: Alla velocità estremamente elevata di 200 miglia orarie, l'ala posteriore aerodinamica attiva deve sopportare un'enorme resistenza al vento e un carico aerodinamico fino a diverse migliaia di Newton.

Ma i piccoli motori delle normali automobili semplicemente non sono in grado di regolare rapidamente l'assetto sotto un carico meccanico così enorme.

Tesla prende direttamente in prestito gli attuatori a coppia elevata dalle gambe del robot umanoide Optimus per azionare con potenza l'ala posteriore e aggiunge un ulteriore meccanismo di bloccaggio meccanico del freno (Brake), che consente all'ala posteriore non solo di passare dalla modalità ad alto carico aerodinamico (High Downforce Mode) alla modalità a bassa resistenza (Low Drag Mode) con precisione al millisecondo, ma anche di essere bloccata saldamente in caso di impatto estremo del flusso d'aria.

La seconda applicazione riguarda

precise valvole del gas ad alta pressione che controllano il sistema di iniezione di aria fredda di SpaceX

La pressione dell'aria interna arriva fino a 10.000 PSI. Sebbene il design della struttura fluida della valvola stessa sia effettivamente derivato da SpaceX, nell'ambiente terrestre è necessario aprire e mettere a punto con precisione una valvola del gas in grado di resistere a una pressione di 10.000 PSI in millisecondi, che richiede una coppia motrice estremamente elevata.

Così Tesla ha introdotto ancora una volta l'attuatore della gamba Optimus per controllare l'apertura, la chiusura e la corsa della valvola ad alta pressione, ottenendo così un controllo raffinato del flusso d'aria del getto supersonico e della spinta vettoriale.

Quali altre innovazioni ci sono nel telaio Roadster e Sanden?

La propulsione a razzo e gli attuatori robotici sono responsabili della creazione di un senso di freschezza e del superamento dei limiti della fisica automobilistica.

Ma le sue prestazioni si basano ancora sulla trazione elettrica, sul telaio e sugli pneumatici a supporto.

Ci sono ancora molte innovazioni nel telaio e nei tre componenti elettrici.

Prima di tutto, la Roadster non è dotata di trazione integrale multimotore, ma utilizza una disposizione a doppio motore sulla ruota posteriore. La potenza totale dichiarata ufficialmente supera 1 MW e la coppia supera 1400 N·m. Con il meccanismo di riduzione dell'ingranaggio planetario e un rapporto di riduzione di circa 8,4:1, il veicolo può regolare in modo indipendente la forza motrice delle ruote posteriori sinistra e destra.

Ciò fornisce un maggiore controllo sulla distribuzione della potenza in curva.

In termini di batteria, Roadster utilizza 4680 celle, involucro delle celle in alluminio e design di raffreddamento su entrambi i lati e utilizza una piattaforma ad alta tensione di circa 800 V.

L'importanza del raffreddamento su entrambi i lati è relativamente semplice: fornire al nucleo della batteria più percorsi di dissipazione del calore aiuta a migliorare il trasferimento di calore e l'uniformità della temperatura. Per i veicoli elettrici ad alte prestazioni, questo è importante perché la batteria e la trazione elettrica generano molto calore quando erogano una potenza elevata e il controllo della temperatura influirà sulla stabilità del funzionamento del sistema.

Per quanto riguarda la ricarica di 10 minuti, l'effetto finale dipende anche dalla capacità della batteria, dalla curva di carica, dalla temperatura ambiente e dall'effettiva capacità di uscita del dispositivo di ricarica.

Il telaio deve affrontare un altro vero problema: più la prestazione è radicale, più il corpo ha bisogno di controllare il peso e la postura.

L'obiettivo di peso del veicolo indicato dai dati esistenti è inferiore a 1700 kg

; Dopo essere entrati in modalità pista, è anche possibile abbassare la sospensione di circa 40 mm e regolare la rigidità.

La parte inferiore della carrozzeria e le impostazioni delle sospensioni più rigide aiutano a controllare i movimenti della carrozzeria, ma le prestazioni finali sono ancora determinate dalla messa a punto complessiva del veicolo.

Il passo successivo è l'innovazione più fantasiosa di Roadster:

aerodinamica attiva

L'alettone posteriore, il telaio e la forma della carrozzeria di un'auto si basano principalmente sul movimento relativo tra il veicolo e l'aria per generare deportanza.

Maggiore è la velocità, più evidente è l'effetto aerodinamico, quindi

Roadster è dotato anche di ali anteriori regolabili, deflettori d'aria laterali e ali posteriori attive

, cercando di regolare il flusso d'aria in base alle diverse velocità e condizioni di guida: l'attuatore è lo stesso modello dell'intelligenza incorporata menzionata in precedenza.

La dichiarazione ufficiale è che il veicolo può ottenere fino a circa 2G di carico aerodinamico a velocità superiori a 200 mph.

Tuttavia, il 2G qui descrive la relazione tra carico aerodinamico e peso del veicolo. Non si può intendere direttamente che l'auto possa sopportare un'accelerazione laterale di 2G in curva.

La velocità con cui un veicolo può curvare è ancora limitata da fattori quali pneumatici, superficie stradale, sospensioni e controllo del veicolo.

Il kit aerodinamico che può essere regolato attivamente risolve effettivamente il problema dell'aderenza "passiva", che è il requisito prestazionale con un flusso d'aria ad alta velocità.

Ma la Roadster vuole anche ottenere una maggiore aderenza alle basse velocità, il che porta al sistema di ventilazione sotto la vettura.

Moravey ha rivelato che il telaio è dotato di quattro ventole da circa 20 kW e il flusso d'aria sotto la vettura è controllato tramite minigonne indipendenti.

La ventola aspira l'aria sotto il telaio, creando una differenza di pressione tra il fondo dell'auto e il mondo esterno, premendo così la carrozzeria dell'auto contro la strada. Poiché questo meccanismo non dipende interamente dalla velocità del veicolo, teoricamente può fornire ulteriore carico aerodinamico alle basse velocità.

Tuttavia, la potenza della ventola non può essere convertita direttamente in deportanza. I risultati effettivi sono influenzati anche dalla differenza di pressione, dal flusso d'aria, dalla tenuta della gonna, dalle condizioni del manto stradale e dal movimento delle sospensioni. La ventola porterà anche peso aggiuntivo, consumo di energia e oneri di gestione termica, quindi come lavorare con l'ala posteriore attiva è il vero problema che l'intera soluzione deve risolvere.

Guardando queste tecnologie insieme, l'idea di Roadster diventa più chiara:

Il sistema di azionamento elettrico è responsabile della produzione continua di potenza, i componenti aerodinamici attivi sono principalmente responsabili della guida ad alta velocità, la ventola cerca di compensare la deportanza a basse velocità e il sistema di propulsione ad aria fredda fornisce una spinta aggiuntiva a breve termine.

Come interagiscono queste tecnologie in diversi scenari estremi?

Per prima cosa esaminiamo l'avvio dell'accelerazione. I doppi motori sulle ruote posteriori sono responsabili della trasmissione della potenza alla strada, mentre il sistema di propulsione ad aria fredda tenta di fornire ulteriore spinta in un breve periodo di tempo. I due sistemi devono coordinare i tempi e la direzione dell'uscita per evitare cambiamenti di assetto incontrollabili del veicolo durante l'accelerazione.

Quando si tratta di curve ad alta velocità, l'ala posteriore attiva e la struttura di deflessione della carrozzeria entrano in gioco per aiutare il veicolo ad aumentare la deportanza; il controllo indipendente della forza motrice delle ruote posteriori sinistra e destra offre inoltre più spazio per regolare l'assetto del veicolo. Se il veicolo funziona a velocità inferiori, i ventilatori del sottoscocca hanno la possibilità di integrare l'aerodinamica convenzionale.

Guarda ancora il processo di avvicinamento all'apice della curva dopo una frenata ad alta velocità. Man mano che la velocità del veicolo diminuisce, anche la deportanza generata dall’alettone posteriore che fa affidamento sul flusso d’aria si indebolirà. In questa fase, teoricamente, il sistema di ventilazione può continuare a fornire una certa forza di aspirazione. Ma se può funzionare stabilmente nella guida reale dipende dalla velocità di risposta del sistema, dalla cooperazione tra la gonna e la superficie stradale e dalla strategia di controllo del veicolo.

Per quanto riguarda il sollevamento da terra a breve termine, il sistema di propulsione climatizzato è senza dubbio la parte più accattivante. Tuttavia, generare una spinta verso l’alto sufficiente è solo un prerequisito per far staccare il veicolo da terra. Il veicolo deve inoltre controllare beccheggio, imbardata e rollio e gestire i cambiamenti di assetto dopo il decollo da terra e l'impatto in atterraggio. Basandosi solo sui dati di spinta di picco, è impossibile giudicare se il veicolo possa completare questo processo ripetutamente e stabilmente.

Queste scene mostrano anche che la soluzione tecnica della Roadster non consiste semplicemente nel mettere diversi componenti ad alte prestazioni sulla stessa vettura. Il tempo di azione, la velocità di controllo e le condizioni di lavoro dei diversi componenti sono diversi. Come integrarli in un sistema di veicolo affidabile è la chiave dell'implementazione ingegneristica.

Ancora una cosa

D: Quanto è potente la scoreggia di Musk?

Ora c'è una risposta ufficiale: spinta equivalente di 8,1 tonnellate.

E si tratta di dati autorevoli confermati dallo stesso Lao Ma.

Roadster è diventato un grande successo e persone di ogni ceto sociale ne hanno discusso, incluso LeCun, uno dei tre giganti del deep learning, molto familiare ai nostri lettori di Qubit. Ha messo in dubbio l'efficienza del metodo di propulsione della Roadster e ha attaccato direttamente: