Правильная машина

Об этом автомобиле следовало написать сразу, как только его показали публике. Два года назад мы ограничились кратким упоминанием (www.computerra.ru/offline/2002/471/22049), но сейчас исправляемся и даем полный обзор.

Об этом автомобиле следовало написать сразу, как только его показали публике. Два года назад мы ограничились кратким упоминанием (www.computerra.ru/offline/2002/471/22049), но сейчас исправляемся и даем полный обзор.

Если спросить людей с улицы, в чем разница между автомобилем и компьютером, то правильных ответов мы услышим много, но один наверняка будет пропущен.

В отличие от автомобиля, компьютер — полностью модульная система, стандартизированная настолько, что покупать к ней детали и радикально менять конфигурацию может даже неопытный человек, обычно без печальных последствий. Апофеоз этой модульности — самостоятельная сборка всего компьютера за один выходной день и точно «под себя». Такая сборка немыслима не только в отношении автомобиля — рядовой потребитель не может изменять большинство готовых товаров. Сложные видеомагнитофоны и простые мясорубки одинаково не предполагают, что покупатель захочет их самостоятельно улучшить. Вероятно, единственной сферой со свободой маневра, похожей на компьютерную, является гардероб — одежда и обувь также стандартизированы и «модульны», поэтому даже дети могут «апгрейдиться», менять штаны на шорты или переделывать их, насколько хватает фантазии и подручных средств. Похожая, хотя и меньшая свобода наблюдается в мебели, но мы не будем развивать эту тему, а отметим, что есть вещи «свободные», как компьютер, а есть «несвободные», как фотомыльница с двумя фокусными расстояниями и тремя выдержками.

Очевидно, что нынешние легковые автомобили — это в большой степени «мыльницы». Их владельцы пытаются выделиться на фоне остальных, покупая оригинальные наклейки на бампер, вычурные колпаки, пестрые коврики или сиденья спортивной формы. Люди посерьезнее меняют не форму, а содержание: ставят дорогие шины, диски, свечи, ремни, насосы, фильтры, амортизаторы, аккумуляторы, подогреватели и еще тьму штуковин, о которых пишут в специальных журналах [Например, чтобы не беспокоиться о перегорании разного рода лампочек, их можно заменить сверхъяркими светодиодами, как это делается в новейших моделях дорогих автомобилей (лампы в главных фарах трогать, естественно, не нужно)]. На эксплуатации тяги «водил» к апгрейду кормится целая отрасль автотюнинга, однако все мы понимаем — сколько «Ниву» не вспахивай, «Феррари» она не станет. Даже если, посмотрев фильм «Форсаж», мы решим заменить поршневой двигатель роторным, и тогда не достигнем той глубины модернизации, которую изначально дает своему владельцу обычный ПК. Проводя аналогию с электроникой, свободу конфигурации автомобиля можно сравнить с мобильным телефоном. И тому и другому можно поменять окрас, расходные материалы, прицепить навесное оборудование, но совокупность потребительских качеств — почти неизменна.

Нельзя сказать, что для исправления ситуации (а ее нужно исправлять!) ничего не делается. Уже выпускаются семейные минивэны, в которых сиденья можно не только снимать, но и передвигать по салону, не беря в руки гаечный ключ. Еще больше вариабельность грузовиков, у которых рамная конструкция шасси позволяет устанавливать разные кузова и кабины. Для одной платформы, как для материнской платы, можно постепенно докупать фургоны, цистерны, рефрижераторы, контейнеры и т. д., а поврежденные или ненужные продавать. К сожалению, в легковых авто крупномодульная конструкция встречается только на выставках, и здесь мы переходим к основному предмету нашего разговора.

Осенью 2002 года на Парижском автосалоне компания General Motors представила новый концепт-кар Hy-Wire. Это электромобиль на топливных элементах, но совсем не поэтому в автомобильных СМИ его назвали самым значительным шагом вперед с момента выпуска «Форда-Т».

Уникальность концепта GM заключается в совершенно необычной компоновке. Все узлы автомобиля — двигатель, поворотный механизм, тормоза и пр. — упакованы в плоскую «доску» толщиной 28 сантиметров, по углам которой на амортизаторах крепятся четыре обычных колеса. Чтобы вам было легче вообразить эту картину, представьте скейтборд, увеличенный в 20–30 раз.

Понять, насколько это шасси тонко, можно, поставив вертикально номер нашего журнала и отняв от него толщину мизинца. Вот такая плита четыре на полтора метра не просто ездит, но и разгоняется до 160 км/час, храня в себе запас топлива на 240 км. Этот скейтборд для Гулливера и есть автомобиль Hy-Wire, потому что добавляемый сверху пятиместный салон, по сути, лишь коробка с креслами. На шасси вполне можно ехать без него — лежа, стоя или сидя по-турецки. Вы спросите, как же управляется такое чудо? А это другое достижение его создателей. Начнем издалека.

Раньше всех с проблемой контроля машины в сложных условиях столкнулись конструкторы самолетов. В первых «этажерках» шевелить хвостовым оперением можно было напрямую, как колесами в «Жигулях», — одной мускульной силой. Однако увеличение массы самолета и скорости делало контроль плоскостей все более трудным, а затем и невозможным даже для самых сильных летчиков. Выход был найден в разного рода усилителях, в первую очередь гидравлических. Примечательно, что спустя десятилетия автомобили позаимствовали это изобретение. Не столько в силу необходимости, сколько из-за конкурентной борьбы, но сегодня даже для малолитражек гидроусилитель руля и тормозов стал почти обязателен. Между тем авиаконструкторам гидравлика давно разонравилась, и современные летательные аппараты ее не используют. Вместо сложных компрессоров, магистралей высокого давления и литров ядовитой жидкости на самолетах и вертолетах применяют, грубо говоря, электрокабели с моторами на одном конце и штурвалом-джойстиком на другом. Такое управление у нас обычно называют электродистанционным, а в английском языке употребляют термин by-wire («по проводам» — fly-by-wire, drive-by-wire и т. д.).

Полагаю, читателям очевидны преимущества электроники перед гидравликой. Она не только точнее передает движения рук пилота, но и меньше весит, надежнее (содержит меньше деталей), а также легче дублируется, поскольку проложить второй-третий кабель проще, чем гидравлические шланги [На самом большом самолете в мире — Ант-225 «Мрия» — электронное управление резервировано четырехкратно («Наука и Жизнь», 2/1991)]. В автомобилях «джойстик вместо руля» можно видеть на большинстве крупных выставок, но в серию такое управление пока не запускают. Впрочем, движение в нужном направлении идет, и, например, два года назад компания Siemens представила систему Connected Truck для седельных тягачей. В ней управление агрегатами грузовика сделано электронным, а руль больше не имеет прямой связи с колесами, превратившись в подобие манипулятора для компьютерных игр. По мнению Siemens, ее система в десять раз сокращает количество соединений между шасси и кабиной, экономя место, материалы и время для ремонта или замены неисправных узлов.

Создатели Hy-Wire тоже применили электронное управление, не забыв при этом о сохранении принципа модульности. Мало того что между салоном и шасси Hy-Wire нет никаких механических тяг, гидро- или пневмотрубок, рулевой стойки и прочих «нервных связей», обязательных для стандартного авто. Мало того что команды водителя передаются в виде электрических сигналов. Так еще и все (!) электроконтакты между салоном и шасси сведены в один-единственый разъем, своего рода докинг-гнездо, через которое и осуществляется управление автомобилем.

Конечно, один разъем не может соединять кузов и шасси достаточно прочно. Поэтому салон крепится к «доске» еще в десяти точках, что не умаляет модульности Hy-Wire. Руководство GM подчеркивает, что среди главных черт автомобилей будущего оно видит именно сменные кузова. Будучи воплощенной в жизнь, эта идея позволила бы иметь в гараже одно шасси, а к нему, например, два кузова — универсал для зимних поездок и кабриолет для летних.

Понятно, что кузов не дисковод и так легко его не заменишь. Но если на потолке гаража есть подъемник (пусть и без мотора), то сменить кузов может и один человек. А если конструкторы как следует подумают над узлами крепления, то замена кузова будет не сложнее перестановки колес. Читатели, собиравшие автомат Калашникова, согласятся, что крепкая конструкция, надежно работающая в тяжелых условиях, вообще может обойтись защелками — без всяких гаек, винтов и прочих резьбовых креплений [Впрочем, резьбовые соединения легче стандартизировать. Примером может быть ситуация с креплением сменных объективов в фотоаппаратах, где байонетные разъемы (скажем, от Canon и Nikon) очень удобны, но несовместимы]. Пофантазировав, можно представить, как в субботу утром, перед выездом на природу, глава семейства без чьей-либо помощи за несколько минут превращает седан в минивэн.

Вернемся к Hy-Wire и посмотрим, что содержит его шасси.

Топливо (водород) хранится в центре платформы под давлением 350 атмосфер. Конструкторы могли использовать другой подход и хранить в баках бензин, метан или метанол, а водород выделять постепенно в специальном реакторе. Это позволило бы заправляться на обычных АЗС, однако водородные реакторы пока еще очень «сырая» технология. В результате топливная система Hy-Wire состоит из трех газовых баллонов, которые, хотя и сделаны из углеродного композита, при общем весе 75 кг вмещают только 2 кг водорода. К счастью, килограмм водорода в 4,5 раза калорийнее литра бензина, что, в сочетании с высоким КПД электрогенератора, обеспечивает запас хода в 240 км (По утверждению GM, у нее готовы баллоны с удвоенным давлением, осталось лишь сертифицировать их безопасность).

Сердце Hy-Wire — пакет топливных элементов — расположено между задних колес. Водород подается к ним через газовый редуктор, понижающий давление до безопасных 1,5–2,7 атм. Когда водитель прибавляет или сбрасывает «газ», давление (а с ним и скорость машины) изменяется. В топливных элементах водород соединяется с кислородом, образуя воду и генерируя энергию. «КТ» не раз писала об этих устройствах, поэтому о принципе их работы скажем лишь пару слов. Ячейка элемента состоит из двух пористых электродов, разделенных протонной мембраной. В один электрод подается воздух, в другой — водород. Проходя через мембрану, молекулы водорода теряют электроны, отчего приобретают положительный заряд. Сответственно на одном контакте образуется нехватка электронов, а на другом — избыток, что и делает систему генератором электричества. В GM использовали элементы, испытанные в 2001 году на концепт-каре Hydrogen3. К моменту представления Hy-Wire публике они обладали рекордной энергетической плотностью — до 1,73 кВт на литр объема [1,73 кВт = 2,35 лошадиной силы. На первой самобеглой коляске с бензиновым двигателем — трицикле Даймлера Бенца — литр объема двигателя выдавал примерно 1 л.с. мощности. Спустя сто лет в болидах «Формулы-1» ту же мощность выдавал уже каждый кубический сантиметр объема (речь идет о болидах 80-х гг. прошлого века, в которых был разрешен турбонаддув и полуторалитровый двигатель мог выдать 1500 л.с.)]. Суммарная мощность, генерируемая Hy-Wire, равна 94 кВт, но в пиковые моменты может достигать 129 кВт. При этом размеры энергоустановки сходны с напольным компьютером — 47х25х50 см. Внутри такой коробки содержится двести последовательно соединенных топливных ячеек, выдающих напряжение 125–200 В. Если одна из ячеек выходит из строя, бортовой компьютер может перекоммутировать межсоединения, не останавливая автомобиль.

Хотя в генераторе Hy-Wire нет движущихся частей, около четверти энергии реакции переходит в бесполезное тепло. Как сказано в пресс-релизе GM: «Для защиты от перегрева использована обычная система охлаждения». Подробности ее конструкции неизвестны, можно только предполагать, что для рассеивания 30 кВт тепла применен водяной контур или воздушный радиатор [ По официальным данным, охлаждает систему именно воздушный радиатор, однако в возможность эффективного охлаждения таким способом верится с трудом].

Двигатель Hy-Wire, естественно, электрический, мощностью 60 кВт, трехфазный и асинхронный (Асинхронный двигатель изобретен в 1889 году русским инженером М. О. Доливо-Добровольским. Не вдаваясь в подробности, скажем, что двигатель этого типа не имеет щеток — в нем изнашиваются только подшипники). Специальный конвертер преобразует ток от топливных элементов в переменный, заодно повышая напряжение до 250–380 В. Двигатель размещен поперек шасси, между передними колесами. Его крутящий момент составляет 215 Н/м, а скорость — 12 тысяч об./мин., что сравнимо с бензиновыми двигателями болидов «Формулы-1». Задние колеса с двигателем не связаны, а передние вращаются через планетарный редуктор, понижающий обороты в 8,67 раза, пропорционально увеличивая крутящий момент. Такая силовая установка, в сочетании с мощностью топливных элементов, позволяет дымить резиной, трогаясь с места даже на сухом асфальте. Направление вращения двигателя переключается кнопкой, а скорость движения Hy-Wire вперед и назад — одинакова.

Важнейшие системы автомобиля — тормоза, «руль» и «мозг» — в источниках GM описаны крайне скупо. Указан лишь их разработчик — европейская корпорация SKF. На ее сайте www.skf.com  есть краткие материалы о Hy-Wire, но главное, описаны другие проекты автомобильного wired-управления. Оказывается, еще до работы с американцами SKF сделала целых два бензиновых концепт-кара с электронным управлением. Судя по фотографиям, оно ничем не отличается от управления Hy-Wire, и, собрав все сведения вместе, можно сделать следующие выводы. Исполнительные механизмы по сути являются сервомоторами с редукторами. Это собственная разработка компании (SEMAU — Smart Electro-Mechanical Actuating Unit), сделанная SKF на основе почти пятнадцатилетнего сотрудничества с европейскими авиастроителями. Потребление энергии таким актуатором может превышать 1 кВт, поэтому напряжение в автомобильной электросети повышено с обычных 14 В до 42 В (С начала 80-х годов потребление электричества средним автомобилем растет на 4 процента в год. Переход на новый стандарт напряжения в автопромышленности намечен на 2010–15 гг). Тормозная система разрабатывалась с 2000 года совместно с фирмой Brembo (известный брэнд на авторынке), в результате чего электропривод дискового тормоза получился меньше и легче гидравлического, а скорость его реакции и сила давления — выше. Привод рулевых тяг также представляет собой электромотор, редуктор которого преобразует вращательное движение в поступательное. Все моторы бесщеточные, питаются и управляются по дублированным линиям.

Управление актуаторами можно было бы реализовать и без всяких контроллеров и программ, подобно регуляторам яркости обычных ламп. Но ради гибкости настроек в SKF применили настоящую компьютерную сеть. Обычные сети мало подходят для связи жизненно важных устройств, поскольку передают информацию «по требованию». Иначе говоря, прибор в них молчит, пока к нему не обратятся или ему самому не потребуется связь. Это экономит полосу пропускания, но неисправность обнаруживается только тогда, когда сеть должна сработать безотказно. Другим словами, вы не узнаете, что с тормозами нет связи, пока не нажмете на них. 

В авиации (и теперь в автомобилях) используется другой тип сети — time-triggered network. В ней все устройства выходят на связь через определенные промежутки времени, а когда кто-то замолкает, центральный контроллер поднимает тревогу. Поскольку интервалы между «сеансами связи» измеряются миллисекундами, а, кроме того, система наблюдает за уровнем потребления энергии всех важных агрегатов, неполадки обнаруживаются практически мгновенно после возникновения. Именно это позволяет экспертам утверждать, что автомобиль с электронным управлением, при прочих равных, будет безопаснее обычного. Кстати, софт для своих систем SKF написала сама, он реализован в виде трех независимых блоков (рулевой, тормозной, двигательный).

Таким образом, оснащение «скейтборда» от GM позволяет кататься на нем, сидя на коврике или складном стульчике. Алюминиевому шасси для полной автономности не хватает только управляющих сигналов — искусственного интеллекта в нем нет, поэтому водитель по-прежнему необходим. Очевидно, что способ взаимодействия с Hy-Wire можно изменять в невиданном диапазоне — достаточно подключить к центральному разъему шасси ноутбук, и управлять машиной станет возможно курсором. Надо только написать подходящий «драйвер Hy-Wire». Если курсор кому-то неудобен, его можно легко заменить мышью, джойстиком или рулем — главное, чтобы драйвер переводил их движения в управляющие команды для колес, тормозов и мотора. Конструкторы Hy-Wire вполне могли бы шокировать публику, показывая, как на их детище можно кататься, водя пальцем по тачпаду или крутя трекбол (впрочем, мы еще наверняка это увидим).

Как было сказано выше, шасси — это и есть, по большому счету, Hy-Wire. Его можно показывать публике и без пассажирского салона, однако в GM посчитали, что одно шасси выглядит неполноценно, и решили поставить на него кузов от дизайнерской фирмы Stile Bertone — пятиместный хэтчбек. Двери открываются в стороны друг от друга, что для задних пассажиров удобно, но опасно — при случайном открытии на большой скорости поток воздуха может вырвать дверцу, нередко вместе с человеком. Между дверями нет вертикальной перемычки, что ослабляет жесткость кузова, но подчеркивает просторность салона, пол которого абсолютно плоский и позволяет вытянуть ноги, сидя на любом сиденье.

Самая необычная черта салона — окно под лобовым стеклом. Поскольку у Hy-Wire нет приборной доски, обзор с передних сидений напоминает вертолетный — водитель видит дорожное полотно в полуметре перед бампером (а снаружи, соответственно, видны его ботинки). У машины нет педалей (только подножки, для удобства), управление полностью ручное. То, что заменяет руль, называется X-drive и не похоже ни на привычные джойстики, ни на рули для компьютерных автосимуляторов. В SKF пошли своим путем и создали нечто странное, возможно, механически чересчур сложное. X-drive состоит из двух рукояток, которые поднимаются и опускаются, имитируя вращение руля, — такими движениями поворачиваются передние колеса. Кроме того, рукоятки вращаются, как ручка газа в мотоцикле, отчего Hy-Wire прибавляет ходу. Тормозить надо тоже «по-мотоциклетному», сжимая обе рукоятки. Вроде бы это очень интуитивно — при торможении любой водитель рефлекторно стискивает руль. Датчики движения в X-drive (магнитные) дублированы, а специальный электромоторчик передает движения колес и неровности дороги. На фотографии видно, что в центре «руля» находится дисплей (сенсорный), который, вкупе с бортовым компьютером между сиденьями, заменяет приборную панель. Последний штрих хайтек-интерьера — подвижное основание «руля», которое можно передвигать слева направо. Поэтому нельзя сказать, что Hy-Wire — это машина с правым или левым рулем (впрочем, судя по всему, X-drive работает и в среднем положении).

В завершение укажем размер шин — передние 20 дюймов, задние — 22.

Теперь отвлечемся от деталей и взглянем на конструкцию в целом. Что о ней можно сказать? Очевидно, в GM решились на радикальный отход от традиций автомобилестроения. Сходство Hy-Wire с машинами старого образца есть только там, где условия диктует внешняя среда. А именно — у Hy-Wire четыре колеса, поскольку это оптимальная схема для нынешних дорог; традиционный салон, потому что тело человека не претерпело изменений со времен Даймлера Бенца; а также «обычный радиатор», поскольку термодинамику пока никто не отменял.

Глядя на фотографии этого концепт-кара, представляя, как тихо и плавно он может ездить, и понимая, как здорово менять «руль» (не говоря о кузове) с той же легкостью, с которой меняешь клавиатуру, заядлый компьютерщик может только поднять большой палец и воскликнуть: это правильная машина! В ней не только меньше деталей, чем в обычном авто (GM не сообщает, сколько деталей в Hy-Wire, но мне очевидно, что один лишь отказ от ДВС и коробки передач уменьшает количество деталей на несколько сотен). Главное, что они настраиваются совсем по-другому. Простейший пример: в последних моделях BMW система iDrive, меняющая чуткость руля в зависимости от скорости движения, преподносится как новое слово в индустрии. Но в Hy-Wire эта же функция реализуется написанием подпрограммы для бортовой системы управления! А значит, и регулируется в куда более широких пределах. Причем регулируется прямо из салона — на экране компьютера, как будто речь идет о виртуальной машине из Need4Speed. То же касается и настроек тормозов, антиблокировочной системы, режимов двигателя и т. д. Электронное управление и компьютеризация позволяют радикально менять характер машины одной лишь загрузкой профилей настроек и прошивок BIOS.

Конечно, многие скажут, что если компьютерный руль «зависнет» на скорости даже 50 км/час, это может быть фатальным для пассажиров. И авиационная статистика отказов мало что говорит — самолеты перед каждым вылетом осматривают механики, лично расписываясь в исправности всех систем. Вероятно, именно проблема надежности управления (плюс психологический барьер) станет главной для покупателей wired-автомобилей. Будет ли она решена? Несомненно. Хотя бы потому, что преимущества контроля «по проводам» так очевидны, что его разработкой сегодня занимаются десяток независимых фирм по всему миру. Скептикам же можно напомнить, какие опасения сто лет назад вызывали первые автомобили и как медленно, но верно люди приручали их, постепенно привыкая к ним и сами.