Архивы: по дате | по разделам | по авторам

Автомобили сегодня и завтра

АрхивТехнологии
16.12.2004

В последнее время автомобильная промышленность осваивает все новые технологии. Он используются для обеспечения безопасности движения, борьбы с заторами, совершенствования систем управления, внедрения новых силовых агрегатов.

Компьютерная и автомобильная промышленность, несмотря на все свои различия, все же имеют одну общую черту. Они, как никакие другие технические отрасли, близки широкому кругу потребителей. Это заметно хотя бы по количеству массовых печатных изданий и веб-сайтов. Если не брать в расчет научно-популярные журналы, пишущие "обо всем", то останутся только два типа действительно массовых изданий, затрагивающих техническую тематику: автомобильные и компьютерные. Ни о производстве тракторов и комбайнов, ни о самолетах, ни даже о столь популярной лет 20-30 назад радиотехнике по-настоящему массовых изданий сейчас практически нет. И в этом нет ничего удивительного - комбайны, самолеты и радиотехника интересны сейчас только специалистам, да и узкому кругу энтузиастов, для которых существуют отраслевые издания. Автомобили же, компьютеры (плюс примкнувшие к ним средства связи и прочие гаджеты) интересны всем без исключения: и специалистам, и простым смертным.

В последние годы тематика компьютерных и автомобильных изданий все чаще перекрывается. Автомобили комплектуются все большим количеством электронной начинки, а компания Microsoft даже выпустила специальную автомобильные версию своей встраиваемой операционной системы Windows CE. Да что далеко ходить, компьютерная система на базе ОС от Microsoft используется в последних моделях BMW седьмой серии, которые вовсю бороздят московские улицы. А представить современный автомобиль без контроллеров, управляющих впрыском топлива, разнообразными датчиками и сервоприводами и вовсе невозможно. Не менее интересной является и проблема поиска новых источников энергии. О топливных элементах и альтернативных топливах твердят на каждом шагу. Достижениям на стыке науки, компьютерных и автомобильных технологий и рассказывается ниже.

Концепт-кар Hy-Wire от General Motors был представлен еще в 2002 году, но до сих пор остается одним из самых передовых достижений в автмобилестроении. Модульная конструкция, силовая установка на топливных элементах, электродистанционное управление - все это станет основой автомобилей будущего. Прочитать.

До сих пор автомобили представляли собой единую конструкцию, с трудом поддающуюся модернизации. Сколько не занимайся тюнингом, изменить тип кузова и многие другие характеристики автомобиля не получится. Однако в будущем автомобили могут стать такими же модульными устройствами, как нынешние компьютеры. На что будет похожа такая машина, читайте здесь.

Технологии электродистанционного управления автомобилем пока используются исключительно в концепт-карах. Но у этой технологии, уже давно завоевавшей признание в авиации, несомненно, большое будущее. Об управлении машиной "по проводам", можно прочитать здесь.

Главный бич автомобилистов, особенно в крупных городах - это пробки. Для борьбы с ними также разрабатываются специальные технологии. А некторые энтузиасты предлагают и более радикальное решение проблемы - летающие автомобили. Впрочем, их появление может привести к возникновению пробок в воздухе. Подробнее о таких разработках читайте здесь.

Среди проблем, над решением которых трудятся производители автомобилей одно из первых мест занимает безопасность. На смену простым решениям вроде мягких накладок на рулевую колонку и ремней безопасности приходят все более интеллектуальыне системы. Это и освоенные всеми ведущими компаниями подушки безопасности и значительно более сложные системы, о которых можно узнать из этого материала.

Тормозная система является одним из ключемых элементов любого автомобиля. Простые тормозные системы постепенно вытесняются решениями на базе АБС, все чаще в тормозных системах применяется электроника. О плюсах и минусах таких решений читайте далее.

Об отказе от бензина в качестве основного автомобильного топлива говорится уже очень давно. Взамен бензина предлагаются альтернативные топлива для двигателей внутреннего сгорания, а также электромоторы, питающиеся от аккумуляторов или топливных элементов. Какие альтернативы бензину и дизельному топливу существуют и какие из них могут применяться на практике читайте в этой статье.

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 журнала "Компьютерра" 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.

Полагаю, читателям очевидны преимущества электроники перед гидравликой. Она не только точнее передает движения рук пилота самолета или водителя автомобиля, 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 - Ан-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.

История создания

Hy-Wire разрабатывался не с чистого листа. В начале 2002 года на Детройтском автосалоне GM показала концепт-кар под названием AUTOnomy. Именно в нем конструкторы впервые попытались "утрамбовать" все системы автомобиля в плоскую платформу-шасси.

Концепт-кар GM Autonomy

AUTOnomy питалась от водородных топливных элементов, используя в качестве привода четыре электродвигателя в ободах каждого колеса. По ряду причин разработка не была завершена и машина не научилась ездить, оставшись, по сути, макетом. Полученный опыт был учтен при проектировании Hy-Wire, работа над которым шла форсированными темпами.

Конструкцию разбили на блоки, которые проектировали несколько отделений GM и сторонние компании, приглашенные для участия в проекте. Силовую установку (топливные элементы, двигатель и их сопряжение) делал немецкий филиал в Майнц-Кастеле, годом ранее создавший на базе Opel Zafira рекордно быстрый водородный концепт-кар. Дизайн кузова и салона был поручен Stile Bertone из Италии. Электронное управление взяли практически готовым у панъевропейской SKF Group, ранее сделавшей вместе с Bertone концепт-кары Filo и Novarta с полным wired-контролем. Два американских отделения сводили узлы в одну платформу, параллельно уточняя требования для дизайнерской фирмы. Параметры агрегатов менялись по ходу дела, поэтому для координации участников использовались спутниковые каналы связи GM. Компьютерная система виртуального проектирования позволяла разработчикам не только переговариваться через океан, но и обсуждать узлы, наблюдая их в трехмерных проекторах. Вероятно, именно отличная коммуникация между полудесятком команд из разных стран позволила построить сложнейшую машину в рекордные сроки - за восемь месяцев. Имя для нее (сокращение от "Hydrogen Wired", то есть "водородо-проводной") придумал четырнадцатилетний сын директора GM по планированию, с типично американским именем Aleksei Dachyshyn.

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).


концепт-кар Hy-Wire

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 Карла 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 - 12000 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 (c начала 80-х годов потребление электричества средним автомобилем растет на 4% 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.

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. 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.

- Владимир Николаевич

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.

Трансформер Mercedes Benz

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.

Модульный автомобиль - сегодня и послезавтра

На наших дорогах не видно машин, собранных из кубиков Lego, однако в современных автомобилях можно выделить сразу несколько видов модульности.

Наиболее распространенный тип - каркасно-модульный. Заключается в создании силового каркаса машины, по сути скелета, оптимизированного для навешивания различных внешних декоративных элементов - крыльев, бамперов, капота, дверей и т. д. Такой каркас облегчает смену дизайна; облик машины можно легко (за месяцы) менять, не затрагивая сути, на разработку которой уходят годы.

Другой вид модульности, как и первый, применяется для удешевления производства и заключается в разработке универсальной платформы, пригодной не только для различных внешних панелей, но разных внутренних агрегатов. На такой платформе можно делать машины нескольких классов (седан, хэтчбек и минивэн), хотя крайние варианты (малолитражки и джипы) требуют все-таки разной основы. Еще на стадии проектирования платформ в них закладываются возможности для будущих изменений конфигурации (увы, не владельцами - только при производстве). Сегодня такая модульность позволяет типичному автоконцерну выпускать весь модельный ряд на основе всего 4–6 платформ. Десятки маленьких кузовных автофирм тоже используют платформы от автогигантов как основу для своих оригинальных мелкосерийных машин. Например, Ford-Mustang выступает донором шасси, двигателя и даже приборной панели для машины Mangusta от фирмы Qvale.

Самые крупные модули, видимые даже со стороны, используются в грузовиках, полугрузовых пикапах и некоторых внедорожниках. Из-за больших нагрузок основа этих автомобилей выполнена в виде жесткой и плоской рамы, на которую легко ставятся различные кузова и кабины. К сожалению, рамные машины менее комфортны и имеют высокий центр тяжести.

Многие автокомпании пытаются создать крупномодульный легковой автомобиль, однако традиционные технологии ставят ряд серьезных препятствий. Помимо малой жесткости конструкции, состоящей из отдельных блоков, очень трудно сделать плоское шасси, несущее мощный бензиновый двигатель. Из-за этого в серию пока идут лишь "трансформеры", вроде Citroen C3 Pluriel, кузов которых меняет параметры салона/крыши/багажника благодаря своей изощренной механике. Впрочем, входящие в моду гибридные (бензино-электрические) машины обходятся очень слабыми (и компактными) двигателями внутреннего сгорания. Поэтому можно ожидать повторения "скейтборда", аналогичного Hy-Wire, на основе более практичных технологий. Поскольку достоинства крупномодульных автомобилей очевидны, вообразим, какой может стать автоиндустрия лет через десять.

Модульный Citroen

Итак, 2015 год. Самую сложную часть машины - плоское шасси с полным набором агрегатов - выпускают крупные концерны, имеющие возможность тратить сотни миллионов на освоение новейших технологий, дорогое оборудование и длительные испытания. Хотя такие "доски" и не являются полноценной машиной, они составляют намного больше половины стоимости всего автомобиля. Верхние кузова, ставящиеся на плоские шасси, не требуют сложных технологий и ценятся за красоту и функциональность. Их разрабатывают сотни небольших фирм, главным человеком в которых является дизайнер. Внутренняя электроника для таких салонов (рули, дисплеи, компьютеры, кондиционеры и т. д.) покупается готовой у сторонних производителей.

Обе половинки автомобиля - нижняя платформа и верхний салон/кузов, поступают на склады дилеров. Покупатель, делая заказ, выбирает оптимальную комбинацию из двух частей. Поскольку на шасси устанавливаются разные кузова, владельцы просторных гаражей покупают сразу полторы машины - одно шасси и два-три кузова к нему. Впоследствии кузова продают и обменивают с доплатой, оставляя шасси у себя (или наоборот). Желающие всегда ездить на самой модной машине часто берут кузова напрокат, меняя их каждый квартал или месяц (это дешевле, чем арендовать машину целиком).

Благодаря требованиям безопасности прочность кузовов не хуже, чем в машинах ХХ века, хотя кузов снимается с шасси в домашнем гараже ручным подъемником. Половинки машин часто меняют хозяев, поэтому ГАИ ставит на учет кузова и шасси отдельно(За чем будут закрепляться регистрационные номера - за дорогим, но незаметным шасси или дешевым, но бросающимся в глаза кузовом?). Правительство Евросоюза пытается провести закон, обязывающий стандартизировать шасси и обеспечить установку одного кузова на платформы разных марок... Другие подробности см. на сайте Антона Виговского modulcar.h1.ru.

 -Владимир Николаевич

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.).

Mercedes Benz с джойстиком вместо руля

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 - Ан-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.

-Владимир Николаевич

Впрочем, чрезмерная "компьютерность" управления может оказаться лишней. Можно сколько угодно восхищаться высокими технологиями, однако сами по себе технологии не цель, а средство (концепт-кар, кстати, это тоже средство, с помощью которого компания не только обкатывает новые решения, но и рекламирует себя, что, впрочем, не мешает запускать многие концепты в серийное производство). Производители автомобилей давным-давно поняли, что техническим достижениям радуется лишь небольшая часть покупателей, а остальных приходится уговаривать и убеждать. Во многом прогресс в области автостроения сдерживается именно консерватизмом автомобилистов. Так, в конце девяностых неоднократно упомянутая в этой теме General Motors тестировала машины, способные самостоятельно ездить по заданному маршруту. Они накатали без единого замечания несколько тысяч миль на шоссе, однако в серию так и не пошли. Причина? Недовольство пассажиров, которые не могли свыкнуться с мыслью, что машина едет сама. Это иррациональное чувство, ведь автоматика заведомо лучше человека справляется с дорожной ситуацией. Тем не менее многие боятся летать, хотя статистика утверждает, что в самолетах гибнет гораздо меньше людей, чем на железнодорожном транспорте. Может, и так. Но если в купейном вагоне мы еще можем воображать, что контролируем ситуацию, "твердо стоим на земле", то на высоте 10 тысяч метров убедить себя в этом трудно. В автомобиле ощущение контроля над ситуацией становится еще крепче, в результате чего некоторые особенно "свободолюбивые" водители даже отключают ABS (антиблокировочная тормозная система).

Концепты Hy-Wire и Autonomy потому остаются концептами (и, скорее всего, останутся ими еще долго), что сильно ограничивают контроль пользователя над машиной. Прежде чем настраивать конвейеры на апгрейд современных автомобилей, следует провести психологический апгрейд водителей, которые не желают уступать дорогу продвинутым электронным системам. К слову, и Autonomy, и Hy-Wire - это исключения. Как правило, концепты от General Motors выполнены с оглядкой на объективную реальность, предназначены для обкатки дизайнерских или непринципиальных технологических решений (и оттого, увы, скучны). То же самое можно сказать о разработках других производителей, предпочитающих вкладывать деньги в развитие пусть и не самые оригинальных, но заведомо непровальных идей.

-Николай Болотов

Терпение, только терпение

Хоть проблема пробок на дорогах и самоценна, она косвенно связана с безопасностью, поскольку частенько причиной загруженности магистралей становятся именно аварии и наоборот - сложная ситуация на дороге может стать причиной столкновения. Проблема эта международная - от пробок в равной мере страдают жители всех мегаполисов, - и, по большому счету, неразрешимая. Если не считать решением платный въезд в деловые районы города, как это сделали, к примеру, в Лондоне (Разумеется, чисто теоретически решение есть - значительное расширение пропускной способности дорожной сети. Однако это будет стоить совсем уж неподъемных денег, так как придется выкупать, а затем сносить недвижимость в городской черте и строить на этом месте магистрали и развязки. А уж об исторических центрах городов и говорить нечего, в угоду автомобилистам памятники и дворцы никто рушить не будет. Логично, что в такой ситуации финансовое бремя борьбы с "затруднениями дорожного движения" перекладывается на конечного пользователя - автомобилиста). Частично справиться с нею могут электронные системы оповещения, предупреждающие водителя о загруженности тех или иных участков. В России роль дорожных оракулов играют некоторые радиостанции, принимающие информацию от слушателей. В США для той же цели используются навигационные системы, получающие информацию непосредственно со спутников. Новая модель Honda Acura RL, например, оснащена специальным навигационным комплектом, способным в реальном времени показывать трафик на улицах города. Разумеется, не любого: пока что спутники XM Satellite Radio Holdings - партнера Honda в этом проекте - отслеживают ситуацию на дорогах двадцати городов Соединенных Штатов. К слову, такое применение спутникового радио может оказаться настоящей соломинкой для неприбыльного, в общем-то, бизнеса - с 1992 года главные игроки на этом рынке (XM Satellite Radio и Sirius) потеряли соответственно 1,5 млрд. и 1 млрд. долларов, без труда "освоив" инвестиции крупнейших автомобильных компаний (Daimler-Chrysler потратила 100 млн. долларов на Sirius. Honda Motor "подарила" 50 млн. долларов XM. General Motors инвестировала в XM 120 млн. долларов и открыла ей 250-миллионную кредитную линию. В настоящее время у XM Satellite Radio 2,5 млн. подписчиков, у Sirius Satellite Radio - 600 тысяч).

Схожую систему разрабатывает и Европейское космическое агентство. В декабре 2002 года успешно завершилось трехлетнее испытание RTMS (Road Traffic Monitoring by Satellite), в рамках которого минивэны, оснащенные GPS-навигаторами и антенной системы мобильной связи PRODAT, колесили по дорогам Германии и Нидерландов.

Впрочем, есть еще один способ борьбы с пробками...

Эх, пролечу!

В это трудно поверить, но о выпуске летающих автомобилей всерьез задумывались еще полвека назад. В 1950-х годах компания Ford, исследовав потенциальные возможности рынка, пришла к выводу, что непреодолимых технических препятствий для выпуска аэрокаров нет, и даже попыталась договориться с правительством. Власти испугались, что выросший воздушный трафик приведет к транспортной катастрофе национального масштаба, и не дали "добро".

Следующая заметная веха в истории летательного автостроения тоже связана с Ford. В начале 1970-х годов на арену вышел Генри Смолински, скрестивший Ford Pinta с самолетом Cessna Skymaster. До запуска гибрида в производство дело не дошло и на этот раз. Во время одного из испытаний изобретатель погиб, что охладило энтузиазм компании AVE, планировавшей продавать Mitzar по 20–30 тысяч долларов.

По слухам, компания Ford примерно в то же время снова рассмотрела возможность выпуска летающих автомобилей, но посчитала затею слишком авантюрной, тем более что никаких принципиальных изменений с 50-х годов не произошло и было непонятно, как избавиться от главных недостатков аэрокаров: сложного управления, низкого уровня безопасности ("поцеловаться" с идущей впереди машиной на высоте несколько сотен метров гораздо опаснее, чем на земле) и невозможности контроля трафика.

Сейчас к идее летающих автомобилей возвращаются снова. Однако подход изменился. Если в прошлом веке изобретатели пытались совместить самолет и автомобиль, то сегодня от этой мысли (по крайне мере в NASA) отказались. Марк Мур, руководитель отдела персонального воздушного транспорта в Исследовательском центре Лэнгли, говорит, что "при таком совмещении вы получаете в одном комплекте худшее из двух миров: тяжелое, медленное и дорогое транспортное средство, которым трудно управлять". Поэтому в NASA решили работать поэтапно, так что в ближайшем будущем ждать аэромобиля от космического агентства не приходится. В течение пяти лет планируется сконструировать недорогой (до 100 тысяч долларов) и тихий (не шумнее мотоцикла) самолет, управлять которым будет так же просто, как автомобилем. Затем (на это уйдет еще пять лет) - сделать транспортное средство, способное доехать по специально оборудованной дороге от аэропорта до домашнего ангара. И наконец, третий этап - разработать четырехместный летающий автомобиль с возможностью вертикального взлета и посадки. В лучшем случае первые прототипы мы увидим лет через пятнадцать.

Разработкой летающих автомобилей занимается и фирма Boeing, недавно представившая прототип гибрида вертолета с автомобилем (концептом это назвать сложно, поскольку речь идет о миниатюрной модели).

Разумеется, никуда не делись и энтузиасты, тратящие на создание летающих автомобилей собственные деньги. Наиболее успешным проектом следует признать SkyCar Пола Моллера (Paul Moller). Моллер уже несколько десятков лет ухитряется находить деньги на исследования, однако для запуска SkyCar в производство средств не хватает. Моллер заявляет, что его детище можно будет приобрести в течение ближайших трех лет. Первое время стоимость скай-каров составит 500 тысяч долларов. Потом - по мере увеличения объемов выпуска - она снизится до 60–80 тысяч долларов, сравнявшись, таким образом, с ценой дорогих автомобилей. SkyCar еще не получил сертификат летного транспортного средства, однако, утверждает Моллер, уже около ста человек заказало эту модель, положив на депозит по 5 тысяч долларов.

Испытания Sky Car

Моллер - самый успешный (в коммерческом и пиаровском плане) изобретатель-одиночка (На самом деле, Моллер не одиночка - разработкой SkyCar занимается основанная им компания, однако по сравнению с Boeing или NASA он, конечно, муравей). Но не единственный. В 2005 году планирует выпустить свой SkyRider X2R компания MACRO Industries (очень похоже на "бумажную" разработку, но чем черт не шутит...); над проектом X-Hawk работает израильтянин Рафи Йёли (Rafi Yoeli); а главный инженер McDonnell Douglas Aerospace Бранко Сарх (Branco Sarh) сконструировал "продвинутый летающий автомобиль" Sokol A400...

-Николай Болотов

Берегись автомобиля

Над повышением безопасности перевозок производители работают с момента сборки первого автомобиля, и перспективы этого направления определены довольно четко. Снизить риск возникновения аварийной ситуации можно двумя способами: контролировать действия водителя "на ходу" и координировать движение машины с учетом ситуации на дороге. Технологии контроля развиты лучше, и уже сейчас отдельные модели предупреждают водителя, если он слишком близко подошел к идущей впереди машине.

Еще более жесткую систему обеспечения безопасности предлагает японская компания Honda. С помощью радара система CMS может увидеть другие автомобили на расстоянии до 100 м. Если дистанция сокращается до опасного предела, оживает зуммер, а на панели управления высвечивается недвусмысленная надпись: "Тормози!". Если водитель не внемлет воплям бортового компьютера, система переходит к плану Б: усиливает натяжение ремней безопасности, готовясь к экстренному торможению, и чуть замедляет машину. Если и это не помогает, а столкновение уже неизбежно, ремни натягиваются по максимуму (остановить машину полностью система не может). Есть у Honda и специальный модуль, выводящий машину из заноса практически на любой поверхности, тогда как, например, Infinity FX45 способна "вырулить" самостоятельно только на более или менее ровной дороге (в деревню Гадюкино, стало быть, придется добираться, рассчитывая только на себя).

Зато Nissan первым научил свои машины держаться полосы. Если Infinity FX45 сходит с полосы, не включая поворотники, в салоне раздается предупредительный сигнал. В общем, усилиями производителей заснуть за рулем становится все труднее и труднее.

По ожиданиям экспертов, системы контроля за ситуацией на дороге станут привычными к 2006 году, а датчики давления, размещенные в шинах, - к 2008-му. Через два года никого не будут удивлять "умные" подушки безопасности с несколькими уровнями внутреннего давления и возможностью полного отключения, если в кресле сидит ребенок. Системы уменьшения ущерба при столкновении, подобные описанным выше, войдут в норму года через четыре. Более того, к тому времени они станут совершеннее: непосредственно перед аварией машина сможет выдвигать бампер или расширять дверные панели, чтобы снизить травматизм и позволить пассажирам быстрее выбраться из салона. А через семь-десять лет автомобили смогут сами уклоняться от столкновения, вовремя перехватив управление у человека.

Внешними камерами сегодня никого не удивишь, а вот внутренние станут стандартом спустя два-четыре года: они, во-первых, будут определять усталость водителя, анализируя движение зрачков и частоту моргания, а во-вторых, смогут определить, живы ли пассажиры, попавшие в аварию, и передать информацию спасателям о том, что происходит в салоне. Не забыли конструкторы и о пешеходах, которые, конечно, "не люди, но ведь и их жалко": например, Honda уже делает бамперы из более мягких, чем обычно, материалов.

Загвоздка в том, что из-за дороговизны многие новинки доступны лишь как опции. И покупают их не очень охотно. "Экспонометр" от Honda, который можно было приобрести с японской версией Accord, стоил 3 тысячи долларов, и раскошелился на него только один покупатель из двадцати. Впрочем, может быть, дело и не в дороговизне. Несколько лет назад в рамках рекламной кампании Honda предлагала покупателям подарок на выбор: либо CD-плеер, либо подушку безопасности. И подавляющее число выбрало плеер.

Когда речь заходит о бюджетном автомобиле, вопросы безопасности отходят на второй план. "Со мной такого никогда не случится", - думают покупатели, а потому средства безопасности, даже в минимальном объеме, внедряются чуть ли не в административном порядке (по-хорошему, нужно было бы рассказать о системе OnStar от General Motors, но это уже привычная и отработанная технология, а General Motors мы и так уделили много внимания. Поэтому ограничимся упоминанием и ссылкой: www.onstar.com).

Берегись, автомобили

Описанные выше разделе технологии довольно просты и во многих случаях неэффективны, поскольку предохраняют водителя от собственных ошибок, но не могут защитить от чужих. Поэтому наряду с совершенствованием систем, отслеживающих состояние водителя, разрабатываются системы, анализирующие ситуацию на дороге в целом и предотвращающие возникновение опасных ситуаций на корню. Другими словами, системы, заставляющие водителей соблюдать правила дорожного движения.

В прошлом году, благодаря усилиям газеты The Sun (конечно, тот еще источник, но позднее информация подтвердилась), стало известно о намерении британского правительства установить на автомобили миниатюрные микрочипы, информацию с которых будут считывать сканеры, установленные по обочинам дорог. Таким способом правительство рассчитывает в десятки, а то и в сотни раз увеличить поступления от штрафов за нарушение ПДД (штрафы будут выписываться автоматически, и любая нелегальная парковка может влететь в копеечку), повысить раскрываемость угонов и - сегодня это модно - бороться с террористами, которые, как известно, ездят на авто даже в булочную.

План, превращающий "каждого водителя в преступника", вызвал гнев правозащитников. Британские транспортники даже чуть было не получили приз "Большого брата".

Проект этот очень дорог, однако правительство вполне может решить, что будущие поступления от штрафов не только окупят затраты, но и слегка порадуют казну. И даже если британское правительство придет к выводу, что овчинка выделки не стоит, за продвижение схожего плана возьмется Европарламент. В Брюсселе вариант тотальной слежки за водителями тоже рассматривают всерьез. Схожие планы есть и у американцев, благо Ливерморская Национальная лаборатория на RFID-чипах собаку съела, так что никаких технических сложностей здесь не ожидается. Главное - убедить избирателя, что это делается исключительно ради его же блага.

-Николай Болотов

Электронику в критических системах автомобилей начали применять давно: даже если не брать в расчет электронный впрыск, эксперименты с которым велись еще в 1960-х, попытки заменить механику c гидравликой на электронику предпринимаются постоянно. Сейчас, например, уже не редкость "электронный газ", когда педаль акселератора только дает команду контроллеру двигателя, а уже он открывает дроссельную заслонку, но на тот угол, который допустим для данных условий движения.

DaimlerChrysler, разумеется, остается в числе флагманов этого процесса: его совместное с Bosch нововведение называется SBC (Sensotronic Brake Control). В этой системе педаль тормоза напрямую не связана с тормозными механизмами посредством гидравлики, как в обычных автомобилях, а лишь указывает на желание водителя снизить скорость (обратную связь обеспечивает специальный привод). Компьютер, учитывая скорость, положение автомобиля, условия движения, обороты двигателя, скорость вращения каждого колеса, положение руля и другие параметры, сам распределяет тормозное усилие по колесам, где установлены электрогидравлические приводы тормозных колодок. Периодически прижимая колодки к тормозному диску, эта система обеспечивает просушивание тормозов в мокрую погоду (данные приходят с датчика дождя на лобовом стекле), при резком отпускании педали газа она выбирает зазоры между колодками и тормозным диском, снижая тормозной путь на 3%, содействует системе поддержания курсовой устойчивости и т. п. Срабатывание ABS здесь не вызывает характерную вибрацию педали тормоза - ведь она напрямую не связана с тормозными контурами! Кроме того, система обеспечивает "прозрачное" для водителя торможение на подъеме, и "игра" ручным тормозом такому автомобилю уже не нужна...

У читателя может возникнуть вопрос, а что произойдет, если "умная" электроника откажет (например, при обрыве цепи питания). В этом случае к педали тормоза снова подключится главный тормозной цилиндр, который в обычном режиме отключен компьютером. Однако он управляет лишь передними тормозами и не снабжен усилителем (давление в "умных" тормозах создается специальным насосом, обеспечивающим давление 140–160 атм.), из-за чего, разумеется, эффективность падает и ради безопасности электронный блок управления двигателем ограничивает скорость автомобиля.

К сожалению, первый блин вышел комом: для замены блока управления пришлось отозвать 680 тысяч автомобилей престижных Е- и S–классов в связи с вероятным отказом системы SBC. Компания вынуждена была пойти на этот шаг после нескольких инцидентов: так, некий владелец "Мерседеса" Е-класса, разворачиваясь задним ходом, въехал в другие машины, поскольку у него неожиданно отключилась система, а эффективности тормозов без усилителя было недостаточно, чтобы резко остановить почти полуторатонную машину. В другом случае водитель, доверяя системе "старт-стоп" (она позволяет двигаться в пробке, не дотрагиваясь до педали тормоза, - компьютер, основываясь на данных "парктроника", сам останавливает машину перед препятствием), - ударил впереди стоящий автомобиль, опять же из-за неожиданного отказа SBC...

- Константин Курбатов

Проблема отказа от использования нефтяного автомобильного топлива поднимается уже не первый год и даже не первое десятилетие. Еще лет 20-30 назад автомобильные компании рассматривали возможность использования электрических двигателей вместо ДВС. Велись такие работы как за рубежом, так и в СССР, но дальше опытных образцов дело так и не продвинулось. В то время единственным источником электрической энергии были аккумуляторы, которые устанавливались на электромобили большими и тяжелыми батареями. В итоге, грузоподъемность электромобилей была в лучшем случае раза в полтора меньше, чем у машины с двигателем внутреннего сгорания, а запаса хода было достаточно разве что для перевозки товаров со склада в близлежащие магазины. О дальних перевозках и речи не было. А из-за высоких затрат на электроэнергию, традиционные бензиновые машины оказывались намного выгоднее.

Развитие аккумуляторных электромобилей продолжается и сегодня. Например, в этом году в мелкосерийное производство была запущена спортивная машина Venturi Fetish. Отличаясь неплохими разгонными характеристиками она, тем не менее, не слишком быстра - максимальная скорость ограничена 170 км/ч. Ионно-литиевые аккумуляторы обеспечивают запас хода до 350 км, но весят при этом 350 кг. Стоит такая машина 450000 евро.

Venturi Fetish

Однако очевидно, что аккумуляторные электромобили постепенно уйдут в прошлое. Им на смену придут машины на топливных элементах, разработка которых всячески поощряется в США. В Европе и Японии топливные элементы тоже в центре внимания автопроизводителей, и даже "АвтоВАЗ" демонстрировал машины на топливных элементах на базе "десятки" и "Нивы".

"Нива" на топливных элементах

Рассказ о топливных элементах требует отдельного цикла статей, который обязательно появится в "Компьютерре-Онлайн". Пока же ограничимся кратким описанием принципа их работы. Топливные элементы - это класс химических источников тока, причем в этом классе имеется множество разновидностей. Наиболее перспективными считаются топливные элементы на основе протонообменных мембран. Эта мембрана служит в качестве электролита и проводит только протоны, не пропуская через себя электроны. По разные стороны от мембраны расположены анод, катод и катализатор, в качестве которого чаще всего используется платина. Водород подается в топливный элемент со стороны анода и, контактируя с катализатором, распадается на два протона и два электрона. Электроны не могут пройти через мембрану и поступают во внешнюю электрическую цепь. Протоны же через мембрану уходят на катод, где вступают в реакцию с кислородом, образуя воду. Необходимые в реакции образования воды электроны поступают на катод из внешней цепи.

Таким образом, на первый взгляд, топливные элементы являются чуть ли не идеальным источником энергии. Их, в частности, отличает высокий - до 80% - КПД, отсутствие вредных выбросов (единенный отход - вода), меньшая, по сравнению с аккумуляторами, масса. Однако проблем при использовании топливных элементов тоже хватает. Одной из главных из них является использование в качестве топлива водорода. Этот газ чрезвычайно тяжело хранить и транспортировать. Как правило, для этого используются баллоны с давлением 350-500 атмосфер. Для сравнения, обычные российские гелиевые баллоны, из которых надувают воздушные шарики, имеют максимальное рабочее давление в 150 атмосфер. К тому же водород крайне взрывоопасен и отличается высокой текучестью, способностью просачиваться сквозь самые небольшие неплотности. В этом отношении он намного хуже метана или пропан-бутановой смеси, также часто используемых в качестве автомобильных топлив.

Автобус на топливных элементах

По сути, машина с водородным баллоном - это своеобразная бомба. И если взрывы бензиновых автомобилей встречаются чаще в боевиках, чем в реальной жизни, с водородом все обстоит по-другому. Поэтому в системе питания водородных машин используется сложная запорная арматура. Решить проблему высоких давлений в баллонах пуем сжижения водорода также нереально - машины придется комплектовать мощными криогенными установками, при нормальной температуре водород сжижить нельзя, как его ни сжимай.

Решить эту проблему пытаются путем отказа от заправки машин с топливными элементами водородом, а использования жидкого топлива, которое можно разложить и получить водород. Чаще всего таким топливом является метанол, но имеются сообщения и об использовании обычного бензина. Однако в этом случае машину нужно комплектовать реакором для разложения жидкого топлива, а в качестве побочного продукта реакции будет образовываться углекислый газ, вызывающий парниковый эффект. Наконец, надо учитывать и тот факт, что водород в промышленности получают из метана, метан является исходным веществом для синтеза метанола, причем синтез этот является многостадийным. Все это делает водородное топливо очень дорогим, да и сокращению выбросов в атмосферу никак не способствуют. Разве что выбросы переходят с автотранспорта на заводы по получению топлива. Альтернативный способ получения водорода - электролиз воды - требует огромных затрат электричества, что опять же дает в итоге увеличение вредных выбросов от электростанций. Перспективным может оказаться получение водорода из биомассы но такие процессы пока не покинули пределов исследовательских лабораторий. Наконец, активно ведутся работы и над топливными элементами, работающими не на водороде, а на том же метаноле. В таком случае целый ряд проблем сразу отпадает, хотя КПД такого топливного элемента ниже, чем у водородного, а кроме воды в реакции получается и углекислота.

Впрочем, химические источники тока - не единственный способ запитать электродвигатель. Существуют и другие варианты: солнечные батареи или миниатюрные ядерные реакторы. Но первые являются пока лишь экзотикой, а вторые - фантастикой, причем фантастикой опасной.

Солнечный электромобиль Aurora

Таким образом, можно прогнозировать, что, как минимум, в ближайшие десять лет электромобили не станут массовым явлением. В лучшем случае, ближайшее десятилетие будет своеобразным переходным периодом. Об этом, в частности, свидетельствует постепенное распространение гибридных автомобилей, использующих и двигатель внутреннего сгорания, и электромотор. Пионером здесь стала компания Toyota c машиной Prius, в скором будущем начнутся продажи в США "гибридов" Honda, готовят такие машины и американские производители. Основным достоинством гибридных машин является сокращение вредных выбросов, за которые приходится расплачиваться усложнением и утяжелением силового агрегата.

Toyota Prius

Однако списывать на свалку истории двигатель внутреннего сгорания тоже еще очень рано. Рост цен на нефть в последние месяцы заставил вновь заговорить об использовании в ДВС альтернативных горючих вместо бензина и дизельного топлива. Вообще под альтернативными топливами понимается иногда очень широкий перечень продуктов. В него, в частности попадают сжиженные нефтяные газы (та самая пропан-бутановая смесь, на которой чуть ли не поголовно ездят "Газели" и такси) и сжатый природный газ - метан. Такое топливо прекрасно чувствует себя в современных двигателях и достаточно популярно. Поэтому интереснее будет поговорить о других видах топлив, менее известных широкому кругу людей.

Самым популярным альтернативным топливом, безусловно, являются спирты и их смеси с углеводородами. Без внесения модификаций в конструкцию двигателя вместо бензина можно использовать метанол или этанол. ничего нового в этом, кстати, нет. Метанол давным-давно используется в спортивных автомобилях и мотоциклах, а на этаноле и его смесях с бензином (такое топливо называется газохол) ездят в Бразилии. В последнее время спиртовым топливом активно интересуются в КНР. Впрочем, этанол для этих стран привлекателен по одной простой причине - они имеют возможность производить его в огромных количествах из растительного сырья, для Бразилии - сахарного тростника. Для стран, где тростника нет, этанол подходит лишь как добавка к бензину. Причем в таких странах, к ним относится и Россия, это будет не дешевый тростниковый, а довольно дорогой синтетический спирт, получаемый, опять же на базе нефтяного и газового сырья. Метанол поимо указанных недостатков характеризуется и высокой токсичностью. С другой стороны, при удорожании нефти и исчерпании ее запасов, метанол, получаемый на азе природного газа может стать привлекательным топливом.

Для дизельных двигателей нефтяное топливо - тоже не единственный выход. В качестве альтернативы ему предлагаются продукты, как растительного, так и синтетического происхождения. В первом случае можно использовать рапсовое масло, которое, по некоторым данным, можно использовать в любых дизельных двигателях хоть сейчас (возможно, нужно будет сделать некоторые регулировки, не затрагивающие конструкции двигателя). Другой альтернативой является диметиловый эфир, который уже окрестили дизельным топливом XXI века. Это газообразное при обычных условиях вещество, и для его применения двигатели придется несколько модифицировать. Использование диметилового эфира позволит повысить экологичность дизельного транспорта, устранив выбросы сернистых и других вредных соединений.

Наконец, топливом для ДВС может служить и водород. О связанных с ним проблемах уже говорилось выше. В случае двигателей внутреннего сгорания их становится еще больше. Очень высокая теплота сгорания водорода неизбежно повлечет за собой повышение тепловой нагрузки на двигатель. И если моторы И если моторы "семерок" BMW водородное топливо воспринимают "на ура", то у двигателя машины попроще запросто могут прогореть поршни и цилиндры. Высокие температуры в двигателе могут свести на нет и безвредность выбросов от сгорания водорода. Дело в том, что при высоких температурах значительно активнее будет происходить окисление азота с образованием его оксидов, ядовитых самих по себе и вызывающих кислотные дожди.

Водородный суперкар BMW

Итак, постараемся резюмировать все вышесказанное. Пока ни электромобили, ни "гибриды", ни машины на альтернативных топливах не способны конкурировать с традиционными бензиновыми и дизельными автомобилями. И даже при высоких ценах на нефть использование нефтяного топлива оказывается выгоднее применения водорода или метанола. Разумеется, в будущем ситуация будет потихоньку меняться. Но в ближайшие десять лет руки шоферов будут пахнуть бензином как и десятилетия до этого. Если же говорить о перспективах того или иного топлива, то пока наиболее многообещающе выглядит все же метанол. Его можно применять в двигателях внутреннего сгорания, так и в топливных элементах. Кроме того, перевести заправочные станции на метанол значительно проще, чем на водород. Да и вероятность взрыва тут значительно меньше - ни персоналу заправочных станций, ни автомобилистам не придется чувствовать себя сидящими верхом на бомбе.

- Иван Карташев

© ООО "Компьютерра-Онлайн", 1997-2024
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на "Компьютерру" обязательна.