«Простота — это то, что труднее всего на свете; это крайний предел опытности и последнее усилие гения.» Леонардо да Винчи
Сейчас часто смотря на соревнования солнцемобилей в Австралии можно увидеть одинаковость некоторых машин форма которых напоминает катамаран. С чем это связано? Какие преимущества содержит эта форма не только для солнечных машин?
Об этом, и многом другом будет эта статья.
Для начала немного теории.
Аэродинамическое сопротивление автомобиля можно свести к трем параметрам.
1. Сопротивление лобовой площади автомобиля
2. Сопротивление формы (трение воздуха об боковые поверхности автомобиля)
3. Завихрение воздуха около колес и под кузовом.
В данном случае будет рассмотрен только 1-й параметр. Так как предел по второму — капля, был уже частично рассмотрен в предыдущих статьях о «хвостах на автомобиле» и будущей амфибийности электромобилей, третий же в основном зависит от ширины шины и формы диска, и не сильно влияет на конечный результат (по сравнению с первыми двумя).
Под лобовой понимают площадь F наибольшего вертикального поперечного сечения АТС, т.е. контура его фронтальной проекции. В приближенных расчетах реальный контур упрощают отрезками прямых линий, позволяющими представить площадь совокупностью простых геометрических фигур, не требующих сложных расчетов.
В случае автомобиля с зависимой подвеской лобовая площадь приближенно равна сумме 3-х элементарных площадей, м2:
Где
— площадь кабины по крылья, м2;
— площадь балки передней оси, м2;
— открытая площадь передних колес, м2.
Автомобили с независимой подвеской не имеют выступающей балки под автомобилем, и поэтому расчет становится проще. От величины лобовой площади зависит форма кузова, и чем меньше эта площадь, тем лучше можно «вывести» правильные формы кузова в длину для снижения Сх (сопротивление формы).
За счет пространства «С» машины с катамаранной компоновкой способны снизить общую лобовую площадь автомобиля.
В погоне за солнцем и аэродинамикой.
Принцип экономии лобовой площади за счет катамаранной конструкции в последние годы хорошо виден на примере одноместных солнцекаров WSC.
Эти гелиомобили, как и многие другие не представленные на картинке, используют один и тот же принцип организации формы, напоминающий катамаран. Необходимость в этой форме — желание экономии энергии на высокой скорости.
Рекорды скорости благодаря обтекаемости, впрочем, были характерны для такой формы кузова и раньше.
Так в 1949 году гонщик Пье́ро Тару́ффи построил сразу два автомобиля катамаранной конструкции — Tarf I, Tarf II. Внешне они практически ни чем не отличались.
–
В 1949 году Таруффи получил патент на свой двухкорпусный рекордный автомобиль в США. За период с 1951—1952 машина была построена компанией Gilera с использованием её самого мощного мотоциклетного двигателя. Выдавал он 65 л.с. при 10400 об/мин.
Двигатель располагался в правой гондоле, пилот и система управления — в левой. 14 октября 1954 года Таруффи установил мировой рекорд для машин в классе до 500 см3 — 201 км/ч.
Но это был только Tarf I. Параллельно, лишь с небольшим отставанием, Таруффи строил второй автомобиль аналогичного дизайна — Tarf II. На нём стоял мощный 1720-кубовый 290-сильный двигатель Maserati. Из-за очень маленького кокпита в машине не нашлось места для руля, и управление осуществлялось двумя рычагами, справа и слева, расположенными у опущенных вниз рук пилота. Машина имела обратную первому поколению компоновку — гонщик сидел справа, мотор находился слева.
Поразительно, ноTarf II, который начали строить позже Tarf I, закончили раньше. Первый рекорд — средней скорости на расстоянии в 50 миль, 231,744 км/ч — Таруффи поставил на нём 15 января 1952 года.
От одноместных к 2-4 местным сухопутным катамаранам.
Автосалон 1967 года был богат на сюрпризы, и одним из них стал странный концепт OSI Silver Fox.
На первый взгляд его конструкция была нерациональной — ведь кузов явно нуждался в жесткости в центральной части, дабы тот не просел под воздействием внешних сил. Еще и пассажир с водителем сидели на огромном расстоянии друг от друга.
Тем не менее, двухпонтонная схема Silver Fox имела одно большое преимущество — она позволяла пропускать под машиной ровно тот объем воздуха, который требовался на конкретной трассе для устойчивого движения. Проще говоря, кузов позволял настраивать уровень прижимной силы. Чтобы объем пропускаемых воздушных масс можно было регулировать, у Silver Fox было целых три перемычки-антикрыла: задний «спойлер» был стационарным, центральный — адаптивным, меняющим угол атаки в зависимости в момент инерции, а передний — настраиваемым механически, как большинство современных стационарных антикрыльев.
В результате концепт, оснащенный 1-литровым 4-цилиндровым двигателем Alpine и обладающий снаряженной массой в 500 килограммов, мог разгоняться до 250 километров в час! При этом расход топлива не был черезмерным, что тоже было важно для участия в суточных марафонах для которых и готовилась машина.
К другим интересным особенностям OSI Silver Fox можно отнести изначальное «лемановское» расположение руля (с правой стороны) и своеобразное уравновешивание между сторонами — двигатель, находящийся в левом понтоне, балансировался водителем и запасным колесом, которые находились справа.
Форма автомобиля, напоминающая в профиль букву «П», не была забыта и в наше время. Исследовательская лаборатория PrISUm, состоящая из студентов Университета штата Айова построила прототип “солнечного» электромобиля Penumbra Р14, который можно эксплуатировать на обычных дорогах.
У этой машины еще остался потенциал для снижения лобового сопротивления, если разработчики применят идею «горбов» от Dodge Viper на крыше.
Конструктивно кузов очень прост, остекление и колеса самые обычные, даже есть магнитола как у обычного автомобиля. Единственное явное отличие это солнечные панели на крыше и капоте. По задумке авторов проекта этот автомобиль должен быть определенным переходным этапом между специализированным солнечным автомобилем и обычным электромобилем для семейного использования. Среди спонсоров проекта числится Siemens и Boeing что можно считать совсем не лишним, так как стоимость разработки и постройки оценивается в сумму не менее $750 000. Дальность хода Penumbra — 322 км. Кузов этого автомобиля выполнен из композитных материалов на основе углеродных волокон, как и большинства солнечных электрокаров что позволяет рассчитывать на хорошие соотношение прочности к массе.
Кроме Penumbra есть еще 2 модели солнцекаров имеющих похожую форму.
Stella Lux
Ardingly Solar Car
Эти электромобили хуже приспособлены к обычному пользовательскому использованию, но обладают лучшими характеристиками.
Иногда минус на минус дает плюс...
Датская компания RUF International активно прорабатывает проект совмещающий личный и общественный транспорт. На сайте проектапредставлены различные варианты концепции нового монорельсового транспорта.
Согласно проекту небольшие участки пути можно будет преодолеть по обычным дорогам, но в основном планируется более экономичное передвижение по рельсам оригинальной конструкции.
Такой гибридный транспорт планируется сделать полностью автоматическим, но при необходимости водитель все же сможет управлять машиной самостоятельно. Правда скорость передвижения по рельсам будет иметь лимит — не более 120 км/ч, который нельзя будет отключить.
Согласно проекту RUF International, сеть дорог для таких автомобилей будет состоять из 25-километровых рельсовых участков со специальными «переходами» через каждые пять километров, чтобы одни водители могли присоединиться к движению, а другие свернуть или съехать с рельсов. Максимальная скорость между «переходами» (150 км/час) при приближении к развязкам автоматически будет снижается до 30 км/час.
Планируется что энергию П-образные электромобили будут получать при движении по монорельсу беспроводным способом, и этого должно хватить и для непродолжительного передвижения по обычным дорогам. За счет такой гибридизации можно будет снизить вес и габариты аккумуляторов электромобилей что положительно скажется на остальных характеристиках этого автоматизированного личного транспорта.
Рассматривается два варианта использования таких электромобилей.
1. Личный электромобиль с автопилотом 5 уровня.
2. «Каршеринг» на основе личной карты пользователя.
Система RAF проектируется с большим уровнем универсальности и поэтому планируется что ее смогут использовать машины разных классов. Грузовики, Автобусы и легковые автомобили в этом случае просто должны быть адаптированы к передвижению по рельсам за счет V-образного канала, проходящего по днищу кузова машины.
«Прорезь» проходит посередине и внутри делит салон на две части. Разработчики предлагают использовать «бугор» в качестве подлокотника или «места для ребёнка».
Монорельсовая система предназначена для крупных городов, но авторы проекта не забыли и о жителях пригородной зоны: предусмотрен гибридный транспорт с электрическим и топливным двигателями.
Основным преимуществом от внедрения системы гибридного транспорта RUF будет ее экологическая составляющая, которая будет выражена в снижении энергетических затрат на передвижение транспорта и затрат на поддержание дорог.
Например, общественный пригородный транспорт, названный Maxi-RUF, — это автобус, который может перевозить десять пассажиров, не считая водителя.
Компания работает над своей концепцией с 1988 года. У RUF International 16 спонсоров, в числе которых есть датский филиал Siemens и датские же министерства энергетики и окружающей среды.
На первый взгляд концепция датчан вызывает сомнения, хотя этот проект имеет на самом деле очень древние корни. Так еще в 19 веке французский инженер Шарль Лартинг разработал похожий по внешнему виду рельс для передвижения паровозов.
Этот рельсовый транспорт получил название — Монорельс системы Лартига.
Это один из первых монорельсов вообще, и одновременно один из первых монорельсов, имевших практическое применение. Одна из самых известных дорог, на которой он использовался, называлась Listowel and Ballybunion Railway.
В поперечном сечении путь был похож на букву «А» высотой около метра. Поверху шёл основной (несущий) рельс, снизу по бокам шли два направляющих рельса. Этот путь устанавливался на поверхности земли на шпалах. Секции в форме буквы «А» устанавливались на расстоянии примерно метра друг от друга. Так как длина «ног» секций может быть произвольной, то при строительстве нет необходимости выравнивать землю под путями!
Кроме основных колёс, опиравшихся на верхний рельс, паровозы и вагоны имели поддерживающие колёса, опиравшиеся на направляющие рельсы и предохранявшие поезд от опрокидывания. Система Ларинга имеет высокую технологичность, ее легко разбирать и переносить с места на место.
Важнейшим фактором при эксплуатации такой дороги — обеспечение равновесия поезда. Перед отправлением кондуктор следил за тем, чтобы количество пассажиров в половине вагона с одной стороны рельса соответствовало количеству пассажиров в половине вагона с другой стороны рельса. Проект RUF в данном случае то же не обойдет это «препятствие» при внедрении, но автомобили и автобусы по весу конечно не идут не в какое сравнение с поездами.
Земноводные «катамараны».
Катамаран это первоначально транспорт для воды? Так неужели не было земноводных гибридов такой конструкции?
Были! И особенно оригинальные самоделки можно найти в период СССР.
Универсальный катамаран СССР по воде — льду — земле. Заметка о нём была в журнале Техника-Молодёжи 1962 номер №4, и в полном виде выглядит так.
«Как быть любителям водного спорта и дальнего туризма, живущим вдали от рек и водоемов? Где хранить моторные лодки и катера, как доставить их к воде, куда девать колесные пары и другие транспортные средства, необходимые для перевозки и ненужные, когда начинается путешествие по воде?
Размышляя над этими вопросами, я убедился, что наилучшее решение — вездеход-амфибия, способный передвигаться по земле на колесах, плыть по воде, а зимой скользить на лыжах по снегу. На таком вездеходе ничего не стоит проехать несколько десятков километров по дороге. Добравшись до водоема, достаточно снять колеса и продолжать путешествие по воде.
Чтобы придать амфибии возможно большую остойчивость, я решил сделать ее в виде катамарана. Для этого нужно было изготовить две одинаковые обтекаемые оболочки. 12 шпангоутов из 10-миллиметровой фанеры я установил на стапель, врезал в них 12 наружных стрингеров из сосновой рейки размером 8x18 мм и 6 внутренних. После Этого каркас каждой оболочки оклеил одним слоем березового шпона.
Затем из эпоксидных смол приготовляется состав для оклейки каркасов бязью и стеклотканью: (ЭДФ-1 — 60 частей, ЭДФ-3 — 40 частей; дибутил-фталата— 13 — 15 частей, поли-этиленполиомила — 16—18 частей). Чтобы избежать попадания состава на руки, лицо, необходимы резиновые монтерские перчатки и глухой комбинезон с завязками на обшлагах.Эпоксидные смолы выливаются в ванну из белой жести и нагреваются до 80—90°С. После этого ванна устанавливается на весы и в нее добавляется пластификатор (дибутилфталат). Смесь тщательно перемешивается и одновременно охлаждается до 24°С. Теперь в охлажденную смесь нужно добавить отвердитель (полиэтиленпо-лиомил), сильно перемешивая ее, чтобы избежать комкования. Все это равномерным слоем наносится на поверхность оболочки, причем температура должна быть около 24—30°С, так как в противном случае смесь быстро густеет и плохо проникает в плетение ткани. На слой покрытия натягивается бязь или стеклоткань и тщательно прокатывается шпателями. По березовому шпону производится наклейка одного слоя стеклоткани и одного слоя бязи. Только в местах будущих отверстий для связующих рам наклеиваются дополнительные поперечные пояса из 4 слоев стеклоткани, ширина каждого — 20 см.
После того как неровности сглажены и зачищены, каждая оболочка оклеивается целиком одним слоем стеклоткани, а на днище наклеивается дополнительно еще одна полоса.
Затем две обтекаемые оболочки связываются между собой четырьмя сварными разъемными рамами из тонкостенных хромосилевых труб. На выступающие концы двух передних рам навешиваются съемные вилки, к которым крепятся либо колеса от мотороллера «Тула-200», либо подводные крылья, либо лыжи.
Два передних колеса связаны шар-нирно и являются поворотными. Третье колесо, укрепленное между двумя задними рамами на трапецеидальной ферме, — ведущее. Предусматривается установка мотора с воздушным винтом для передвижения по воде или снегу.
В настоящее время для движения по воде кронштейны передних колес и ферма заднего колеса снимаются. На место фермы крепится кронштейн с передвижной кареткой для установки руль-мотора «Москва».
Летом 1961 года начались пробные испытания катамарана на воде. С мотором «Москва» в 10 л. с. и
4 пассажирами катамаран свободно обходил дюралевые лодки типа «Мир» с таким же мотором и 2—3 пассажирами. На полном газу катамаран выходил на режим глиссирования, спереди появлялись две струйки усов, а между «хвостами» оболочек —, два небольших веерообразных, расходящихся шлейфа воды. Водоворотов, характерных для моторных лодок с плоской кормой, не наблюдалось.
Катамаран, оказался весьма устойчивым благодаря своего рода «саморегулированию» за счет давления расходящейся струи воды на хвостовые части оболочек. Осадка при нагрузке 800 кг оказалась всего 120 мм. Вес катамарана с мотором «Москва» составляет примерно 120 кг. Управление поворотом мотора «Москва» вынесено в заднюю левую кабину. Газ регулируется поворотом гибкого шланга.
При испытаниях была выявлена жесткость и достаточная механическая прочность оболочек. Можно предполагать, что по остойчивости и скорости катамаран не уступит существующим типам моторных лодок. В случае необходимости оболочки катамарана могут быть разъединены для перевозки автотранспортом или по железной дороге.
В дальнейшем будут проведены испытания с подводными крыльями, лыжами, 30-сильным мотором М-61 и гидроприводом на заднее колесо.
При постройке катамарана я пользовался опытными эпоксидными смолами Нижне-Та-гильского завода пластмасс. Несмотря на несовершенство ручного изготовления оболочек, они хорошо оправдали себя по механической прочности и водостойкости. Хотя эти смолы имеют темный цвет, их можно окрасить так, как понадобится. При постройке катамарана некоторую помощь мне оказал Уральский лесотехнический институт, а в испытаниях помогли члены Свердловского морского клуба ДОСААФ.
В. ДОРОГОЙ, инженер.
Жаль автор не стал думать об воздушном варианте использования своего «вездехода-катамарана», но об авиа-катамаране задумались уже в наше время.
Летающие «катамараны».
Компания Carplane GmbH создала специфический летающий автомобиль.
Эта летающая машина имеет не один, а целых два фюзеляжа, и имеет свойство перевоплащаться из автомобиля в самолет. Как это происходит? Когда Carplane движется по земле то крылья и воздушный винт сложены в средней части машины, как раз между двумя одноместными фюзеляжами. Если летающей машине надо взлететь, то эти крылья быстро раскладываются с помощью электроприводов, и также удлиняется более чем на два метра задняя часть летающего автомобиля с двумя килями.
Carplane имеет двигатель в 150 лошадиных сил, на автодороге может разогнаться максимально до 176 км в час, а в воздухе его максимальная скорость 222 км в час. Крейсерская скорость летающего авто Carplane составляет 200 км в час, и если лететь на нем именно с этой скоростью то бака бензина на 100 литров хватит именно 830 километров.
Carplane не единственный в своем роде авиа-катамаран и есть еще более совершенный с точки зрения аэродинамики аппарат.
BiPod – это самолет- автомобиль, способный передвигаться по обычным дорогам. Корпус машины разделен на два объема. В каждом из «поплавков» есть место для водителя и гибридного привода, а крылья способны складываться в проем между корпусами.
Аппарат имеет последовательную схему гибридного привода. Так в каждом фюзеляже размещен 450-кубовый ДВС, вращающий генератор. В носу расположены литиевые АКБ, а в хвостовой части — 15-киловаттные электромоторы привода задних колес. Управляемые колеса спереди.
P.S. — История часто движется по кругу, и возможно переход на раздвоенную форму автомобилей сможет решить не только проблемы экономии энергии, но и безопасности пешеходов, устойчивости в поворотах, и даже выживаемости при боковом ударе. Все это пока лишь концепты идей на уровне теории, и некоторых аналогий с уже испытанными технологиями, но как и с идеей RUF принципиально тут ничего сложного нет — вопрос только в необходимости таких доработок.
Автор: GeorgKDeft
