تسلا رودستر چگونه به پرواز درآمد؟ فناوری فضایی در دل یک ابرخودرو
فناوری اسپیس‌ایکس چطور می‌تواند تسلا رودستر را در ۰٫۸ ثانیه از سکون به سرعت ۹۷ کیلومتربرساعت برساند؟
فناوری اسپیس‌ایکس چطور می‌تواند تسلا رودستر را در ۰٫۸ ثانیه از سکون به سرعت ۹۷ کیلومتربرساعت برساند؟
عجیب‌ترین فناوری رودستر جدید تسلا، سامانه‌ی پیش‌رانشی است که به‌طور مستقیم از دل اسپیس‌ایکس بیرون آمده؛ شرکت پیشگام در حوزه‌ی موشک، ماهواره و هوش مصنوعی که آن هم به ایلان ماسک تعلق دارد. در خودرویی که در مراسم رونمایی دیدیم، چهار نازل فلزی درست‌بالای سپر عقب قرار گرفته‌اند و ظاهرشان هیچ تفاوتی با اگزوز یک سوپراسپرت معمولی ندارد؛ خروجی‌های اگزوز شورولت کوروت C8 را تصور کنید که کمی دورتر از هم قرار گرفته باشند.
فراموش نکنید با خودرویی تمام‌برقی روبه‌رو هستیم؛ بنابراین از لوله‌های نصب‌شده روی سپر عقب، گاز اگزوز بیرون نمی‌آید. آنچه به بیرون پرتاب می‌شود، هوای پرفشاری است که عمدتا از نیتروژن تشکیل شده که در مخزن کروی سیاه‌رنگ و بزرگی پشت دو صندلی جلو ذخیره می‌شود. این کره در واقع «مخزن تحت فشار با پوشش کامپوزیتی» یا COPV نام دارد. دو لوله، مخزن را به چهار نازل متصل می‌کنند که نقش «پیشران گاز سرد» یا CGT را دارند.
نام COPV تا حد زیادی ساختارش را توضیح می‌دهد؛ مخزنی که گاز را با فشار بسیار زیاد نگه می‌دارد و لایه‌ای از مواد کامپوزیتی دور آن پیچیده شده؛ در رودستر، این مخزن به‌شکل کره‌ی سیاه بزرگی است؛ تقریبا هم‌اندازه‌ی توپ‌های بزرگ ورزشی که در باشگاه‌ها استفاده می‌شوند. روی آن هم بافت براق و آشنای کامپوزیت فیبرکربن دیده می‌شود.
برای درک بهتر، می‌توان مخزن COPV را با مخزن سوخت خودروهای گازسوز CNG یا LPG مقایسه کرد، با این تفاوت که مخلوط نیتروژن در اینجا با فشاری بسیار بیشتر ذخیره می‌شود؛ تا ۱۰هزار پوند بر اینچ‌مربع یا حدود ۶۹۰ بار (۶۹هزار کیلوپاسکال)، یعنی در محدوده‌ی فشار مخزن هیدروژن خودروهای پیل سوختی امروزی.
مخزن COPV را می‌توان شبیه یک کپسول غواصی بسیار قطور با دو سر تقریبا نیم‌کره‌ای هم تصور کرد. آن‌طور که گفته می‌شود، گنجایش مخزن حدود ۲۰۰ لیتر است؛ ذخیره‌کردن گاز در چنین حجمی و با فشار ۱۰ هزار psi، مقدار بسیار زیادی گاز را در اختیار سامانه قرار می‌دهد.
مخزن‌های COPV فناوری تازه‌ای ندارند. از همان آغاز عصر موشک‌های مدرن، مخزن‌های پرفشار بخشی از تجهیزات آن‌ها بوده‌اند. ابتدا از فولاد ساخته می‌شدند و بعدها آلومینیوم و حتی تیتانیوم هم در ساخت‌شان به‌کار رفت. در رقابت برای ساخت مخزن‌هایی هرچه سبک‌تر و مقاوم‌تر، تیم شاتل فضایی ناسا از پیشگامان استفاده از مخزن‌هایی با آستر فلزی و پوشش کامپوزیتی بود.
لوله‌های متصل به مخزن COPV، نیتروژن پرفشار را به نازل‌های پیشران گاز سرد می‌رسانند.
آنچه تحمل چنین فشار بالایی را ممکن می‌کند، پوششی است که به‌صورت پیوسته دور مخزن پیچیده می‌شود؛ برای این کار از موادی مانند کِولار و فیبرکربن استفاده می‌کنند تا با کمترین وزن، بیشترین استحکام را به‌دست آورند. پیوسته‌بودن این پیچش اهمیت زیادی دارد؛ با کنار هم گذاشتن نوارها یا رشته‌های جداگانه نمی‌توان به‌همان استحکام رسید. آستر فلزی داخل مخزن هم جلوی نفوذ گاز از میان دیواره را می‌گیرد.
اسپیس‌ایکس اوایل امسال شرکت هگزاگون مسترورکس، سازنده‌ی مخزن‌های COPV را خرید تا این فناوری حیاتی را در مجموعه‌ی خودش تولید کند. در موشک‌های اسپیس‌ایکس چندین مخزن از همین نوع به‌کار می‌رود.
در دو سوی مقابل مخزن کروی، فلنج‌های بزرگی با ۱۲ پیچ درشت محکم شده‌اند. هر فلنج به لوله‌ای بزرگ متصل است و دو عملگر شبیه پیستون در اطراف آن قرار دارند. ابعاد و ضخامت این اتصالات، همراه با تعداد زیاد مهره‌هایی که با سیم ایمنی مهار شده‌اند، نشان می‌دهد با چه فشار بالایی سروکار داریم.
موتورهای عملگرها هم ظاهرا از مجموعه‌ی مچ پای ربات اپتیموس تسلا گرفته شده‌اند. این عملگرها، شیرهای داخل لوله را باز و بسته می‌کنند تا فشار گازی را تنظیم کنند که با سرعت مافوق صوت از مخزن خارج می‌شود. گاز از دو لوله‌ی بلند عبور می‌کند؛ هر لوله در انتها به دو شاخه تقسیم می‌شود و در مجموع، جریان را به چهار نازل می‌رساند.
در دنیای مهندسی خودرو، CGT کوتاه‌شده‌ی عبارت Cold Gas Thruster یا پیشران گاز سرد است. نازل‌ها مسیر خروج گاز پرفشار مخزن را تعیین می‌کنند.
به‌گفته‌ی لارس موراوی، معاون مهندسی خودرو تسلا، درست‌مانند شاخه‌های هم‌طول منیفولد اگزوز، طول تمام مسیرهای خروج گاز از مخزن، از لوله‌ها تا مجموعه‌ی شیرها، باید دقیقا یکسان باشد. تفاوت طول مسیرها باعث می‌شود گاز به یک اندازه و هم‌زمان به همه‌ی نازل‌ها نرسد.
وقتی قرار است نیرو حاصل از پیشران گاز سرد، خودرو را به جلو براند، وجود ناهماهنگی در میزان گاز خروجی، می‌تواند دماغه را ناخواسته به یک سمت بچرخاند؛ مثلا اگر گاز زودتر از دو نازل سمت چپ خارج شود، خودرو ممکن است به راست منحرف شود؛ اگر سمت راست زودتر وارد عمل شود، نتیجه برعکس خواهد بود.
سامانه‌ی پیشران گاز سرد باید فشار بسیار زیادی را تحمل کند و در عین حال، تا جای ممکن سبک باشد؛ به‌همین دلیل، لوله‌های بلند و نازل‌های پیشران از تیتانیوم ساخته شده‌اند. قطعات انشعاب‌دهنده‌ای هم که در هر سمت، لوله‌ی اصلی را به دو نازل وصل می‌کنند، از سوپرآلیاژ نام‌آشنای صنایع هوافضا، موسوم به اینکونل هستند.
کلکسیونرهای فوق‌ثروتمندی که برای رسیدن به شتاب صفر تا ۶۰ مایل‌برساعتِ کمتر از یک ثانیه سراغ گران‌ترین خودروها می‌روند، خوب می‌دانند که سوپراسپرت‌ها و هایپرکارهای امروزی به یک مانع مشترک رسیده‌اند. تایرها تنها تا حد مشخصی می‌توانند نیرو را به زمین منتقل کنند. در رقابت برای ثبت کوتاه‌ترین زمان درگ، نیروی رانش مستقل از چرخ‌ها می‌تواند برنده را تعیین کند.
محاسبه‌ی سرانگشتی متخصصان نشان می‌دهد دو موتور عقب، با مجموع توان یک مگاوات یا ۱۳۴۱ اسب‌بخار، می‌توانند حدود ۳۲٫۳ کیلونیوتن نیرو برای حرکت رو به جلو فراهم کنند. بخش بزرگی از این توانایی را باید به حساب فن مکنده‌ی کانال‌دار رودستر گذاشت؛ سامانه‌ای که با ایجاد نیروی رو‌به‌پایینی معادل بیش‌از ۲برابر وزن خودرو، تایرها را به‌سطح جاده می‌فشارد.
بدین‌ترتیب پیشران‌های گاز سرد باید ۱۹٫۸ کیلونیوتن نیروی دیگر فراهم کنند تا رودسترِ حدودا ۱۷۰۰ کیلوگرمی بتواند مطابق ادعای تسلا، در ۰٫۸ ثانیه به‌سرعت ۶۰ مایل‌برساعت، معادل حدود ۹۷ کیلومتربرساعت، برسد.
هنوز از شکل و ابعاد گلوگاه نازل‌ها چیزی نمی‌دانیم؛ ضریب درگ و سطح مقطع جلوی خودرو هم مشخص نیست؛ بنابراین نمی‌توان گفت این سامانه تا چه مدت نیروی رانش مؤثری تولید می‌کند یا خودرو در پایان آن به چه سرعتی می‌رسد؛ اما چند ثانیه رانش مؤثر دور از انتظار به‌نظر نمی‌رسد. تا آن زمان، سرعت خودرو باید دست‌کم به محدوده‌ی ۲۱۷ تا ۲۹۰ کیلومتربرساعت رسیده باشد و موتورهای برقی هم همچنان به شتاب‌گیری ادامه بدهند.
رودستر مجهز به راکت در نمایش‌های مراسم رونمایی از زمین بلند شد، در هوا معلق ماند، چرخید و پرواز کرد. برای انجام این حرکات، یک مخزن COPV دیگر با ظرفیت بیشتر به خودرو اضافه شده بود که مجموع ظرفیت ذخیره‌ی گاز را سه برابر می‌کرد و به ۶۰۰ لیتر می‌رساند.
برای بلندکردن خودرو از زمین و اجرای پرش‌ها، پشتک‌ها و چرخش حول محور طولی بدنه، شش نازل دیگر هم لازم بود. چهار نازل درست پشت چرخ‌ها قرار دارند و رو به پایین هستند تا نیروی لازم برای بلندشدن را تولید کنند. دو نازل دیگر در دماغه‌ی خودرو، یکی رو به چپ و دیگری رو به راست، نیروی جانبی لازم برای چرخاندن دماغه را فراهم می‌کنند.
مخزن‌های COPV و پیشران‌های گاز سرد شاید در دنیای خودرو تازگی داشته باشند؛ اما فناوری‌های شناخته‌شده‌ای هستند. توان رانش آن‌ها هم، به‌ویژه درمقایسه‌با نیروی حاصل از واکنش‌های شیمیایی در بوسترهای سوخت جامد، نسبتا محدود است.
روی کاغذ می‌توان گاز فشرده‌ی مورد نیاز رودستر را از تأمین‌کنندگان گازهای صنعتی نظیر ایر لیکویید، ایرگَس و لینده‌گَس تهیه کرد؛ اما ایلان ماسک روی صحنه‌ی مراسم، گاز مصرفی سامانه را عملا همان هوا توصیف کرد و تلویحا گفت خودرو می‌تواند هوای اطراف را بگیرد، فشرده کند و «سوخت راکت» مورد نیازش را خودش ذخیره کند؛ وعده‌ای که باورکردنش چندان آسان نیست.
راستش را بخواهید، حتی برای ما که خوره‌ی خودرو و فناوری هستیم، کاربرد این قابلیت‌های رودستر هنوز چندان روشن نیست؛ اما دیدن چنین مانورهایی از یک خودرو، به وجدمان می‌آورد. این صحنه‌ها یک‌بار دیگر یادمان می‌آورند که مهندسی و فیزیک چقدر هیجان‌انگیزند و به‌کارگیری درست آن‌ها چقدر می‌تواند زندگی را آسان‌تر کند. پس زنده‌باد علم و زنده‌باد فناوری!