Новый технический взгляд на Roadster следующего поколения от Tesla: кикфлип и разгон до 60 миль/ч за 1 секунду

Tesla наконец представила заново свой Roadster нового поколения, впервые показанный ещё в 2017 году в совершенно ином виде. Тогда я разбирал технические детали его работы, поэтому решил кратко обновить материал и рассказать, что известно о новой версии.

В 2017 году Roadster представили как автомобиль, который «жёстко разделается с машинами на бензине».

К тому времени электромобили уже доказали, что способны разгоняться невероятно быстро. Но настоящих электрических спорткаров было мало (если не считать, конечно, оригинальный Tesla Roadster 2008 года — автомобиль, с которого всё началось).

Roadster нового поколения должен был изменить ситуацию: это компактный низкий автомобиль, созданный ради скорости, а не комфорта или эффективности. Разумеется, как и любой электромобиль, он должен был отвечать и другим требованиям, но главная идея заключалась в том, чтобы побеждать в гонках и обгонять бензиновые машины на трассе.

А потом… прошло целое десятилетие. С момента первой демонстрации автомобиля минуло почти девять лет, а Tesla так и не выпустила его. Тем временем немало других компаний представили собственные электрические спорткары и установили на них рекорды.

Rimac Nevera R разогналась до 300 км/ч (186 миль/ч) на целых 3,5 секунды быстрее, чем Bugatti Chiron Super Sport; Xiaomi SU7 Ultra — автомобиль, созданный производителем смартфонов, — установил рекорд Нюрбургринга, а Porsche оказалась ещё быстрее на электротяге. Ещё одна китайская компания, BYD, продемонстрировала, что её автомобиль умеет прыгать — благодаря активной подвеске.

Появились даже хитроумные электромобили, полностью заточенные под гоночные трассы. Они побили рекорды всех автомобилей в истории, демонстрируя поистине видеоигровые характеристики и способность ездить вверх ногами — такой автомобиль даже можно купить.

Так что путь, который Tesla собиралась проложить, теперь выглядит не столько неизведанной территорией, сколько хорошо проторенной дорогой. Возможно, по нему прошли ещё не все, но Tesla уже не первопроходец.

Однако нельзя не признать: Tesla провела самую впечатляющую демонстрацию.

Во время презентации компания сделала несколько невероятных заявлений об автомобиле — и подкрепила их делом. Маск сказал, что автомобиль сможет летать, — и он взлетел. В воздухе он также сделал сальто. Он разогнался от 0 до 60 миль/ч менее чем за секунду — такого результата не показывал даже близко ни один другой автомобиль. Он ездил вверх ногами.

Как ему удалось всё это и что всё это значит? Поможет ли это автомобилю побить все гоночные рекорды мира, как Маск пообещал сегодня вечером? Что ж, самое время кратко разобраться в динамике автомобиля.

Езда вверх ногами

В первой демонстрации Roadster проехал по трассе, похожей на трек Hot Wheels, поднялся на вертикальный участок, а затем перевернулся вверх ногами.

Этого удалось добиться с помощью системы «вентиляторного автомобиля» — такой же принцип использован в McMurtry Spierling, другом автомобиле, который ездил вверх ногами и упоминался выше. Tesla называет эту систему «многорежимной системой присасывания».

Вентиляторы на автомобиле создают под ним зону низкого давления, из-за чего атмосферное давление прижимает машину к поверхности. Система работает благодаря юбкам под днищем, которые герметично закрывают его и не дают воздуху проникать в зону низкого давления.

Система была описана в патенте. Это продуманное усовершенствование системы McMurtry и более ранних вентиляторных автомобилей: юбки можно регулировать, поэтому машину можно использовать в самых разных условиях, а не только на гладких гоночных трассах.

Указанные на экране Tesla значения прижимной силы невероятно высоки и кажутся мне, возможно, нереалистичными. Автомобилю, который, предположительно, весит меньше 2 000 кг, ни к чему 4 700 кг прижимной силы. Маск упомянул, что Tesla хотела сделать машину «лёгкой». Хотя многие современные суперкары весят 2 000 кг и больше, двухместный автомобиль вряд ли может быть настолько тяжелее этого ориентира.

Для сравнения: McMurtry Spierling весит около 1 000 кг и создаёт прижимную силу примерно в 2 000 кг, что позволяет ему выполнять свои трюки. Tesla не только заявляет куда более внушительные показатели прижимной силы, но и указывает более высокое соотношение прижимной силы к массе, чем у McMurtry. Нельзя полностью исключить, что показатель действительно достигает 4 700 кг, но для меня он всё равно выглядит неожиданно большим — и я не удивлюсь, если при его расчёте допустили некоторые вольности.

Прыжок с трамплина и приземление. А ещё — кикфлип

Следующий трюк заключался в том, что автомобиль разогнался по трамплину, взлетел с его края, а затем приземлился.

Для этого используются расположенные вокруг автомобиля «двигатели на холодном газе».

Tesla отдельно объявила, что автомобиль будет доступен в трёх комплектациях: Performance, Thrust и Rocket. Только Rocket «готов к полётам»: на этой версии вокруг автомобиля, в том числе под ним, установлены двигатели на холодном газе, позволяющие ему ненадолго взлетать.

Система работает за счёт сжатого воздуха, который хранится в баллонах внутри автомобиля. В остальных комплектациях предусмотрены два места, а у Rocket только одно — вероятно, место второго сиденья занимают более крупные баллоны с газом, чтобы автомобиль мог летать на небольшие расстояния.

Tesla также показала, как автомобиль делает «кикфлип» над остальными машинами компании. Для этого используется та же технология, что и для прыжка.

Зрелище получилось впечатляющим, но с точки зрения вождения оно не даёт никаких реальных преимуществ.

Система вентиляторов создаёт дополнительную прижимную силу. Шины могут работать лишь с определённой нагрузкой, а увеличение кажущегося веса автомобиля при сохранении его массы (да, это разные вещи!) позволяет шинам лучше цепляться за дорогу. Это помогает практически во всём, для чего нужны шины, — то есть, ну, во всех аспектах динамики автомобиля.

Но ракеты, толкающие машину вверх, не дают ничего подобного. Они создают «подъёмную силу» — термин, который никто не использует, потому что такая сила вам не нужна, если только вы не пытаетесь подшутить над Марком Уэббером. Толчок вверх лишь снижает нагрузку на шины и сильно ухудшает характеристики автомобиля.

Хуже того, отверстия для этой системы добавляют вес и усложняют конструкцию. Это ещё один элемент, который может сломаться, и ещё одна причина, по которой автомобиль будет ехать медленнее. Как сказал Маск: ускорение = сила / масса, поэтому увеличение массы снижает ускорение.

Так что прыжки — это просто трюк для публики, и на характеристики автомобиля они не повлияют.

Однако боковые двигатели могут улучшить прохождение поворотов. Прижимная сила позволяет шинам работать эффективнее — это хорошо, — но можно также сделать так, чтобы шины вообще не выполняли всю работу. Если выпускать воздух из боковой части автомобиля в повороте, боковое ускорение будет создаваться не только шинами. Поэтому, даже когда шины достигают предела бокового ускорения, двигатели смогут добавить ещё немного.

(Кроме того, у автомобиля будет рулевое управление по проводам. Оно должно облегчить прохождение поворотов, позволяя водителю выполнять крутые манёвры на низкой скорости с меньшим поворотом руля.)

Прыжок, стало быть, бессмысленен, но боковые двигатели могут пригодиться. А это подводит нас к более важным двигателям — тем, что установлены сзади.

Разгон от 0 до 60 миль/ч за секунду благодаря двигателям

Затем Tesla показала запись испытания разгона от 0 до 60 миль/ч с использованием задних двигателей: автомобиль достиг этой скорости за одну секунду.

Позже во время шоу Tesla провела живую демонстрацию и заявила, что автомобиль разогнался до 60 миль/ч за 0,81 секунды — после того как возникли технические проблемы с таймером. Позже Tesla написала в соцсети, что топовая версия автомобиля сможет разгоняться от 0 до 60 миль/ч менее чем за 0,59 секунды.

И здесь снова используются двигатели на холодном газе: четыре сопла в задней части автомобиля выбрасывают за ним огромные струи газа. Они создают усилие в 80 килоньютонов. Эту единицу используют для измерения тяги ракет, но перевести её в мощность в лошадиных силах непросто.

Как уже говорилось выше, если шины работают на пределе своих возможностей, можно попробовать найти другой источник силы. Двигатели толкают автомобиль вперёд даже тогда, когда шины уже не могут приложить большее усилие. Благодаря этому машина фактически преодолевает ограничения физических законов, которым подчиняются все остальные автомобили.

Система вентиляторов тоже помогает разгоняться вперёд — так же, как она помогает при любых других видах бокового ускорения. Но именно ракеты в задней части дают дополнительный импульс, позволяя автомобилю разогнаться до 60 миль/ч менее чем за секунду, причём, судя по всему, на расстоянии всего в несколько корпусов автомобиля.

Важно отметить, что подробности испытания нам неизвестны, а для времени разгона от 0 до 60 миль/ч они имеют значение. Часто такие замеры проводят с так называемым «выкатом на один фут»: таймер начинает отсчёт, только когда автомобиль проедет хотя бы один фут. Некоторым машинам на это требуется время (электромобили обычно проходят этот участок быстрее благодаря высокому крутящему моменту на низких оборотах), но такой способ измерения используют уже давно.

В данном случае это может иметь большее значение, чем обычно: судя по замедленной съёмке, показанной во время мероприятия вот здесь, Tesla явно активировала двигатели задолго до того, как автомобиль начал двигаться.

Если двигателям требуется время, чтобы «раскрутиться», то для некоторых видов разгона они менее эффективны — и отчасти сводят на нет преимущества электрического привода, обеспечивающего мгновенный крутящий момент. Будем надеяться, что Tesla не изобрела электрический аналог турбоямы.

Подвижное антикрыло

У автомобиля есть регулируемое заднее антикрыло — пожалуй, самое «традиционное» усовершенствование, направленное на повышение его характеристик.

Подобные антикрылья сегодня устанавливают на многие автомобили — они решают главную проблему таких конструкций.

Когда говорят о «коэффициенте аэродинамического сопротивления», или Cd, который стал популярным показателем для электромобилей, все согласны, что чем он ниже, тем лучше. Чем меньше сопротивление воздуха у автомобиля, тем он эффективнее и тем дальше может проехать на имеющемся запасе энергии. (Имеет значение и площадь поперечного сечения: крупный автомобиль с низким Cd всё равно может терять на сопротивлении воздуха больше энергии, чем маленький автомобиль с ещё более низким Cd, — просто потому, что крупная машина оттесняет больше воздуха.)

Но иногда сопротивление воздуха повышает характеристики автомобиля. У болидов «Формулы-1» оно чрезвычайно высокое: у самых эффективных электромобилей Cd приближается к 0,2, а у болида F1 может составлять 0,7, 1,0 и даже больше.

Дело в том, что болиды F1 используют весь этот воздушный поток для создания прижимной силы. Вместо того чтобы позволять воздуху плавно обтекать автомобиль, они специально направляют его вверх, а он, в свою очередь, толкает машину вниз (согласно третьему закону Ньютона, действие равно противодействию). Благодаря этому шины работают эффективнее.

Проблема в том, что при движении по прямой автомобилю не нужна такая большая прижимная сила. На максимальной скорости она превращается в сопротивление воздуха, которое замедляет машину.

Решить эту проблему помогает активная аэродинамика. Если можно поднять антикрыло, чтобы направить воздух вниз, когда это нужно, а на высокой скорости убрать его, позволив воздуху свободно обтекать автомобиль, можно получить лучшее из обоих миров: больше прижимной силы в поворотах и меньше сопротивления воздуха на высокой скорости.

В целом этот принцип называется «аэродинамической эффективностью». Он показывает, какую прижимную силу можно получить тем или иным способом без увеличения сопротивления воздуха. Антикрыло создаёт хорошую прижимную силу, но и сопротивление с ним велико; активное антикрыло помогает устранить этот недостаток. (А система вентиляторов, о которой говорилось выше, создаёт большую прижимную силу при небольшом сопротивлении воздуха.)

Ёмкость батареи?

Когда в 2017 году впервые представили Roadster, Tesla заявила, что запас хода автомобиля составит 600 миль. Это попало в заголовки газет: одни считали показатель впечатляющим, другие не верили, что автомобиль сможет проезжать на одном заряде намного больше, чем любая другая модель на рынке.

Но цифры запаса хода на самом деле не так уж важны. Создать электромобиль с запасом хода в 1 000 миль вполне возможно, но он окажется ужасным. Придётся отвести слишком много места под батареи, они будут слишком тяжёлыми и дорогими, а отдача от их увеличения будет снижаться: чем больше батарея, тем больше батареи нужно, чтобы перемещать её вес, и так далее.

Так что запас хода в 600 миль был для Roadster скорее плохой новостью. Главная причина столь большого показателя заключалась в том, что при создании батарей для электромобилей приходится искать баланс между множеством характеристик: плотностью энергии и мощности, сроком службы, поведением при разных температурах, скоростью зарядки и так далее.

Тогда выбранная Tesla химическая формула батареи обеспечивала довольно высокую плотность энергии, но сравнительно низкую плотность мощности. Энергия определяет запас хода, а мощность — то, как быстро можно получить эту энергию из батареи.

Поэтому, как и в случае с увеличением запаса энергии автомобиля за счёт установки дополнительных батарей, Tesla пришлось добавить батареи и для повышения его мощности. Если бы компания хотела довести мощность Roadster до 1 000 л. с. и выше, потребовалась бы огромная батарея — в этом и заключался смысл заявленного запаса хода в 600 миль.

Теперь мы слышим, что у новой версии Roadster следующего поколения будет батарея меньшего размера: Tesla заявляет лишь о запасе хода «более 300 миль».

Мы не знаем, связано ли это с тем, что автомобиль будет менее мощным, чем планировалось изначально, или Tesla удалось повысить мощность своих элементов батареи… но, скорее всего, дело и в том и в другом.

Вероятно, Tesla рассчитывает компенсировать снижение характеристик с помощью ускорителей и системы вентиляторов, чтобы достичь обещанных абсурдных показателей. Компания понимает, что огромная батарея не так уж необходима, если есть другие способы разгонять автомобиль.

Максимальная скорость: ракеты, вероятно, мало что дадут

Tesla заявляет, что максимальная скорость превышает 230 миль/ч. По словам компании, такого показателя сможет достичь только версия Rocket, но мы сомневаемся, что на максимальной скорости ракеты сильно помогут.

На высокой скорости шинам не приходится слишком усердно работать, чтобы разгонять автомобиль (нагрузка на них всё равно велика, и для скоростной езды нужны шины с соответствующим индексом скорости, но именно шины уже не ограничивают разгон). Большая часть мощности расходуется на преодоление сопротивления воздуха, которое растёт экспоненциально вместе со скоростью, а сила сцепления между шинами и дорогой относительно невелика.

Так что здесь пропадает всякий смысл ракет и системы вентиляторов: нет необходимости искать другой способ снизить нагрузку на шины, ведь скорость ограничивает не сцепление шин, а сопротивление воздуха.

Использование задних двигателей для дополнительного ускорения на максимальной скорости может прибавить несколько миль в час, но мы не знаем, какова вместимость баллонов, поэтому такой прирост скорости может оказаться кратковременным. На мой взгляд, ракеты лучше использовать в поворотах.

Так что, когда Tesla заявляет, что версия Rocket способна развивать скорость 230 миль/ч, но не указывает максимальную скорость для других комплектаций, причина может быть в чём-то другом. (Во время презентации Маск также поинтересовался, сможет ли автомобиль развить хотя бы 0,5 Маха — то есть около 380 миль/ч на уровне моря. Это маловероятно, учитывая, что нынешний рекорд составляет 308,34 мили/ч, да и к нему есть оговорки.)

Возможно, версия Rocket легче благодаря отсутствию второго сиденья (хотя часть этой экономии нивелируют баллоны и бесполезные двигатели, направленные вниз). Возможно, на ней установлены шины с более высоким индексом скорости или менее строгий программный ограничитель. Или же у неё другая, более ёмкая батарея. Пока мы этого не знаем, но надеемся скоро получить больше информации.

Насколько практичны эти двигатели?

Другая компания, Dreame, китайский производитель роботов-пылесосов, также предложила использовать двигатели в электрическом гиперкаре, но собиралась установить твердотопливные ракетные ускорители, а не двигатели на холодном газе. Они были бы одноразовыми, и их пришлось бы перезаряжать после каждого использования. Ускорители развивали бы тягу в 100 кН и позволяли разгоняться от 0 до 60 миль/ч за 0,9 секунды, но Dreame отменила проект — и это казалось неизбежным.

Двигатель на холодном газе — гораздо более удачное решение: его не нужно каждый раз перезаряжать твёрдым ракетным топливом.

Но баллоны всё равно нужно заправлять газом под давлением. Мы не знаем, сколько времени и энергии это займёт. Сможет ли автомобиль заправлять баллоны на прямых участках, а затем расходовать газ в поворотах? Если да, какой длины должна быть прямая? И не будет ли на высокой скорости сжатый воздух отбирать мощность у колёс, когда батарея и без того работает на пределе?

Или этот трюк можно будет показывать лишь раз в несколько минут, после чего автомобиль не сможет выполнить больше нескольких поворотов, пока не вернётся в боксы?

Tesla, похоже, считает, что этой системы хватит для установления рекордов на трассах, но, судя по всему, и одной системы вентиляторов достаточно. McMurtry устанавливает рекорды на своём Spierling, хотя у него нет двигателей ни сзади, ни по бокам.

И наконец, можно ли будет вообще использовать эти двигатели где-либо, кроме закрытых трасс? Во время сегодняшней демонстрации публика находилась в нескольких сотнях ярдов от автомобиля — вполне разумная мера предосторожности при первом показе машины, выполняющей кикфлип.

Но опасения вызвал не только кикфлип. Струя газа, вырывавшаяся из задней части автомобиля при разгоне и в поворотах, казалась огромной. Она разлеталась на десятки метров.

Так что на дорогах общего пользования такую систему, похоже, использовать нельзя: поднятый с дороги мусор будет лететь в другие автомобили, пешеходов и куда угодно ещё. Tesla заявляет, что комплектация Rocket будет доступна только по приглашению и «не одобрена для использования на дорогах общего пользования». Но в описании комплектации Thrust ничего подобного не говорится, хотя у неё тоже есть задние двигатели, способные причинить немалый ущерб.

Даже на закрытой трассе не хочется разбрасывать в сторону зрителей резиновые крошки с шин, сбивать маршалов и тормозные указатели или сдувать всю шерсть с чересчур любопытных белок, подобравшихся слишком близко к трассе. Всё это кажется непрактичным.

Да и сможет ли человек вообще пользоваться такими системами? Во время демонстраций в автомобиле никого не было. Перемещения в воздухе казались невероятно быстрыми — гораздо быстрее, чем можно ожидать от объекта весом в несколько тысяч фунтов.

Скорость ускорения в воздухе была бы как минимум дезориентирующей для обычного человека. Истребительные пилоты годами тренируются, чтобы выдерживать подобные нагрузки. И мы просто позволим людям покупать автомобиль с режимом Rocket и управлять им — пусть даже эта версия доступна «только по приглашению»? Где? Как? Что будет, если водителю станет плохо? Будут ли автомобили комплектоваться противоперегрузочным костюмом, чтобы водитель не потерял сознание в режиме полёта?

Но вопрос практичности отчасти теряет смысл. Судя по многочисленным упоминаниям SpaceX во время сегодняшней презентации, одна из главных причин недавних анонсов продуктов Tesla — продвижение идеи слияния SpaceX и Tesla. Это позволило бы Маску получить больше власти и денег, фактически не выполняя поставленные перед ним задачи.

Вот и всё — краткий разбор показанных возможностей, причин их появления и того, насколько они кажутся практичными. Если у вас есть вопросы (а если вы физик или инженер — какие-нибудь не занудные поправки: я стараюсь сделать материал доступным для широкой аудитории) или вы просто хотите поделиться мнением о том, что нам известно о технических возможностях этого автомобиля, оставляйте комментарии ниже.