Detalhes técnicos do supercarro Tesla expostos: 8 toneladas de empuxo comparável a um jato de combate e tecnologia preta para robôs

Resumo:

A tecnologia de foguetes da SpaceX não é apenas o trunfo do Roadster "carro em alta velocidade"

. A Tesla Engineering nº 1 acabou de explicar todos os detalhes técnicos em um programa de blog: sistema de injeção de foguete, ventosa de efeito solo, corpo de deformação ativa... e revelou pela primeira vez:

A tecnologia do robô humanóide Optimus de Tesla também está no carro

Tecnologia preta do Rocket, como trabalhar no carro?

Em primeiro lugar, vamos apresentar brevemente

Lars Moravey, que está no podcast

, formou-se em engenharia mecânica pela Northwestern University e foi responsável pelo sistema de suspensão do chassi da Honda por muito tempo em seus primeiros anos. Quando ingressou na Tesla em 2010, começou a trabalhar com suspensão de chassis e subiu até sua posição atual como vice-presidente da Tesla, número 1 em engenharia de veículos.

Toda a sua produção gira em torno de uma pergunta: se um carro já é tão rápido que as pessoas duvidam da vida, como o próximo passo pode ultrapassar o limite?

Qubit Robo já explicou que o Roadster usa um sistema de propulsão a gás frio de alta pressão desenvolvido em conjunto pela SpaceX. Não é necessário queimar propelente para produzir gás em alta temperatura. Baseia-se principalmente na rápida liberação de gás de alta pressão através do bico e usa força de reação para impulsionar o veículo.

Este conjunto de princípios não é estranho ao campo aeroespacial, nomeadamente força de ação e força de reação.

O veículo precisa primeiramente de um sistema de armazenamento de gás de alta pressão - COPV, que pode armazenar nitrogênio com pressão de até 10.000 PSI, o que equivale a aproximadamente 68,9 MPa. A pressão dos pneus dos automóveis de passageiros comuns é geralmente de apenas algumas centenas de quilopascais, uma diferença de duas ordens de grandeza.

O impulso do sistema fornecido pelo Moravy excede 80kN, o que equivale a aproximadamente 8,2 toneladas de força quando convertido em uma unidade mais familiar.

——Equivalente ao impulso de um motor MiG-29 RD-33 com pós-combustão ligado——

A versão Performance acelera de zero a 100 segundos em cerca de 1,6 segundos, a versão Thrust leva cerca de 0,85 segundos e a versão Rocket afirma atingir 0,55 segundos.

Esse tipo de desempenho de potência aterrorizante não é, de fato, algo que possa ser alcançado pelas indústrias automobilísticas tradicionais, como motores de combustão interna e motores elétricos. É auxiliado por propulsores de foguete atrás dele.

O que determina o empuxo inclui a vazão mássica do gás, a estrutura do bocal, a temperatura e a pressão do gás e a velocidade de abertura da válvula.

Pela primeira vez, as autoridades deixaram claro que o sistema ainda está online mesmo no local

Este é o controle de circuito fechado por trás disso: medir o estado, calcular o desvio, aplicar o controle e, em seguida, corrigi-lo continuamente com base no feedback.

Se o veículo quiser manter uma atitude estável ao acelerar, deve considerar a relação entre a linha de ação de empuxo e o centro de massa do veículo; se também quiser controlar a guinada e a inclinação, serão necessários bicos em diferentes direções para trabalharem juntos.

Portanto, o plano de propulsão inclui bocais nos quatro cantos do corpo e um bocal frontal para controle de guinada.

Tomando como exemplo o lançamento do foguete, o sistema primeiro determina a atitude atual e a velocidade de rotação do corpo do foguete, calcula o torque que precisa ser aplicado e, em seguida, controla a injeção de ar frio correspondente do propulsor. Depois que o corpo do foguete começa a girar, a IMU continua a fornecer feedback sobre o novo estado de rotação e o computador ajusta o tempo e a duração da injeção de acordo; ao se aproximar da atitude alvo, o sistema precisa reduzir o empuxo e, se necessário, aplicar torque reverso para desacelerar o corpo do foguete e pará-lo no ângulo alvo.

Portanto, é apenas a base que a hélice pode produzir empuxo. O que realmente permite que o foguete vire com precisão é a medição contínua do sistema de controle do status do corpo do foguete e sua capacidade de ajustar o empuxo em tempo real com base no feedback.

O Roadster usa propulsores para realizar ajustes semelhantes de atitude no ar. A lógica de controle também precisa resolver o mesmo tipo de problema: determinar a atitude e a velocidade de rotação da carroceria do carro em tempo real, coordenar os bicos em diferentes posições para gerar a força resultante e o torque necessários e parar a rotação a tempo quando a atitude alvo for atingida.

Pode-se inferir basicamente que o Roadster usa a mesma estrutura técnica básica da SpaceX, mas foi readaptado com base nas características físicas e no layout dos bicos do próprio veículo.

Neste ponto, as raízes do hardware da hélice e do algoritmo de controle de atitude do supercarro voador Roadster foram esclarecidas.

As pessoas geralmente pensavam que todos esses eram os segredos do Roadster, até que Moravey foi pego de surpresa e revelou outra tecnologia negra——

Os principais componentes da inteligência incorporada também estão presentes

Parece um pouco nervoso à primeira vista.

Os robôs precisam andar, ficar de pé e ajustar sua postura, enquanto os carros precisam viajar em alta velocidade. Os ambientes de trabalho dos dois produtos são muito diferentes.

Mas do ponto de vista dos atuadores, eles têm uma coisa em comum: todos eles precisam controlar com precisão a posição e o movimento dos componentes mecânicos e responder a tempo quando a carga muda.

As articulações das pernas dos robôs humanóides precisam resistir instantaneamente a enormes forças de impacto ao caminhar e saltar.

Ele naturalmente tem as vantagens de alta densidade de potência, enorme saída de torque e resposta em nível de milissegundos

A Tesla reutilizou este componente central do robô no supercarro, o que não apenas resolveu o problema de controle sob cargas mecânicas extremas, mas também demonstrou a reutilização definitiva do hardware subjacente desenvolvido pela própria Tesla em todas as linhas de produtos.

A primeira aplicação é ajustar ativamente o spoiler traseiro

: Na velocidade extremamente alta de 320 km/h, a asa traseira aerodinâmica ativa precisa suportar enorme resistência ao vento e força descendente de até vários milhares de Newtons.

Mas os pequenos motores dos carros comuns simplesmente não conseguem ajustar a atitude rapidamente sob uma carga mecânica tão grande.

Tesla empresta diretamente os atuadores de alto torque das pernas do robô humanóide Optimus para acionar poderosamente a asa traseira e adiciona um mecanismo adicional de travamento do freio mecânico (Brake), que permite que a asa traseira não apenas alterne entre o modo de alta força descendente (Modo High Downforce) e o modo de baixo arrasto (Modo Low Drag) com precisão de milissegundos, mas também para ser firmemente travado sob impacto extremo do fluxo de ar.

A segunda aplicação são

válvulas precisas de gás de alta pressão que controlam o sistema de injeção de ar frio da SpaceX

A pressão interna do ar chega a 10.000 PSI. Embora o design da estrutura de fluido da válvula em si seja de fato derivado da SpaceX, no ambiente terrestre, é necessário abrir e ajustar com precisão uma válvula de gás que possa suportar uma pressão de 10.000 PSI em milissegundos, o que requer um torque de acionamento extremamente alto.

Assim, a Tesla introduziu mais uma vez o atuador de perna Optimus para controlar a abertura, o fechamento e o curso da válvula de alta pressão, alcançando assim um controle refinado do fluxo de ar do jato supersônico e do empuxo vetorial.

Que outras inovações existem nos chassis Roadster e Sanden?

A propulsão de foguetes e os atuadores robóticos são responsáveis por criar uma sensação de frescor e ampliar os limites da física automotiva.

Mas a sua base de desempenho ainda depende de propulsão elétrica, chassis e pneus para apoiá-lo.

Ainda há muitas inovações no chassi e nos três componentes elétricos.

Em primeiro lugar, o Roadster não possui tração nas quatro rodas multimotor, mas usa um layout de motor duplo nas rodas traseiras. A potência total divulgada oficialmente ultrapassa 1 MW e o torque ultrapassa 1400 N·m. Com o mecanismo de redução da engrenagem planetária e uma relação de redução de cerca de 8,4:1, o veículo pode ajustar de forma independente a força motriz das rodas traseiras esquerda e direita.

Isso proporciona mais controle sobre a distribuição de energia nos cantos.

Em termos de bateria, o Roadster usa células 4680, caixa de alumínio e design de refrigeração dupla-face, e usa uma plataforma de alta tensão de aproximadamente 800V.

A importância do resfriamento bilateral é relativamente simples: fornecer ao núcleo da bateria mais caminhos de dissipação de calor ajuda a melhorar a transferência de calor e a uniformidade da temperatura. Para veículos elétricos de alto desempenho, isso é importante porque a bateria e o acionamento elétrico geram muito calor ao produzir alta potência, e o controle de temperatura afetará o funcionamento estável do sistema.

Quanto ao carregamento de 10 minutos, o efeito final também depende da capacidade da bateria, da curva de carregamento, da temperatura ambiente e da capacidade real de saída do dispositivo de carregamento.

O chassi tem que enfrentar outro problema real: quanto mais radical o desempenho, mais a carroceria precisa controlar o peso e a postura.

A meta de peso do veículo fornecida pelos dados existentes é inferior a 1.700 kg

; Depois de entrar no modo pista, a suspensão também pode ser abaixada em cerca de 40 mm e ajustar a rigidez.

A parte inferior da carroceria e as configurações mais rígidas da suspensão ajudam a controlar os movimentos da carroceria, mas o desempenho final ainda é determinado pelo ajuste geral do veículo.

O próximo passo é a inovação mais imaginativa do Roadster:

Aerodinâmica ativa

A asa traseira, o chassi e o formato da carroceria de um carro dependem principalmente do movimento relativo entre o veículo e o ar para gerar força descendente.

Quanto maior a velocidade, mais óbvio é o efeito aerodinâmico, por isso

O Roadster também é equipado com pára-lamas dianteiros ajustáveis, defletores de ar laterais e pára-lamas traseiros ativos

, tentando ajustar o fluxo de ar de acordo com diferentes velocidades e condições de condução – o atuador é o mesmo modelo da inteligência incorporada mencionada anteriormente.

A declaração oficial é que o veículo pode obter até cerca de 2G de downforce em velocidades superiores a 320 km/h.

No entanto, o 2G aqui descreve a relação entre a força descendente e o peso do veículo. Não pode ser entendido diretamente como significando que o carro pode suportar aceleração lateral de 2G nas curvas.

A velocidade com que um veículo pode fazer curvas ainda é limitada por fatores como pneus, superfície da estrada, suspensão e controle do veículo.

O kit aerodinâmico que pode ser ajustado ativamente resolve o problema da aderência "passiva", que é o requisito de desempenho sob fluxo de ar de alta velocidade.

Mas o Roadster também quer obter uma aderência mais forte em baixas velocidades, o que leva ao sistema de ventilação sob o carro.

Moravey revelou que o chassi é equipado com quatro ventoinhas de cerca de 20 kW, e o fluxo de ar sob o carro é controlado por saias independentes.

O ventilador puxa o ar sob o chassi, criando uma diferença de pressão entre a parte inferior do carro e o mundo exterior, pressionando assim a carroceria do carro contra a estrada. Como este mecanismo não depende inteiramente da velocidade do veículo, ele pode, teoricamente, fornecer força descendente adicional em baixas velocidades.

No entanto, a potência do ventilador não pode ser convertida diretamente em downforce. Os resultados reais também são afetados pelo diferencial de pressão, fluxo de ar, vedação da saia, condições da superfície da estrada e movimento da suspensão. O ventilador também trará peso adicional, consumo de energia e carga de gerenciamento térmico, portanto, como trabalhar com a asa traseira ativa é o verdadeiro problema que toda a solução precisa resolver.

Olhando para essas tecnologias em conjunto, a ideia do Roadster fica mais clara:

O sistema de acionamento elétrico é responsável pela produção contínua de potência, os componentes aerodinâmicos ativos são os principais responsáveis pela direção em alta velocidade, o ventilador tenta compensar a força descendente em baixas velocidades e o sistema de propulsão de ar frio fornece impulso adicional de curto prazo.

Como essas tecnologias funcionam juntas em vários cenários extremos?

Vejamos primeiro como iniciar a aceleração. Os motores duplos nas rodas traseiras são responsáveis pela transmissão de potência à estrada, e o sistema de propulsão a ar frio tenta fornecer impulso adicional num curto período de tempo. Os dois sistemas precisam coordenar o tempo e a direção de saída para evitar mudanças incontroláveis de atitude do veículo durante a aceleração.

Quando se trata de curvas de alta velocidade, a asa traseira ativa e a estrutura de deflexão da carroceria entram em ação para ajudar o veículo a aumentar a força descendente; o controle independente da força motriz das rodas traseiras esquerda e direita também oferece mais espaço para ajustar a atitude do veículo. Se o veículo estiver operando em velocidades mais baixas, os ventiladores da parte inferior da carroceria terão a oportunidade de complementar a aerodinâmica convencional.

Veja novamente o processo de aproximação do ápice da curva após uma frenagem em alta velocidade. À medida que a velocidade do veículo diminui, a força descendente gerada pela asa traseira que depende do fluxo de ar também enfraquecerá. O sistema de ventilador pode, teoricamente, continuar a fornecer uma certa quantidade de força de adsorção nesta fase. Mas se ele pode funcionar de forma estável na condução real depende da velocidade de resposta do sistema, da cooperação entre a saia e a superfície da estrada e da estratégia de controle do veículo.

Quanto à decolagem de curto prazo do solo, o sistema de propulsão com ar condicionado é sem dúvida a parte mais atraente. No entanto, gerar impulso ascendente suficiente é apenas um pré-requisito para tirar o veículo do chão. O veículo também precisa controlar a inclinação, a guinada e a rotação, e lidar com as mudanças de atitude após sair do solo e o impacto da aterrissagem. Com base apenas nos dados de pico de empuxo, é impossível avaliar se o veículo pode completar este processo repetidamente e de forma estável.

Essas cenas também mostram que a solução técnica do Roadster não consiste apenas em colocar vários componentes de alto desempenho no mesmo carro. O tempo de ação, a velocidade de controle e as condições de trabalho dos diferentes componentes são diferentes. Como integrá-los em um sistema veicular confiável é a chave para a implementação de engenharia.

Mais uma coisa

P: Quão poderoso é o peido de Musk?

Agora há uma resposta oficial: impulso equivalente a 8,1 toneladas.

E são dados oficiais confirmados pelo próprio Lao Ma.

Roadster se tornou um grande sucesso, e pessoas de todas as esferas da vida estavam discutindo sobre ele, incluindo LeCun, um dos três gigantes do aprendizado profundo que é muito familiar para nossos leitores do Qubit. Ele questionou a eficiência do método de propulsão do Roadster e atacou diretamente: