Размещаем вторую часть работы Б.Злотина и А. Зусман, посвященной прогнозированию развития автомобиля. С первой частью можно познакомиться, пройдя по ссылке http://metodolog.ru/node/415
ведуший "Кафедры прогнозов" Ю. Даниловский
В Главе 2 этой книги мы пришли к выводу, что в будущем энергетика, особенно энергетика транспортных средств будет основываться на использовании возобновляемого источника топлива в роли которого наиболее вероятно будет выступать этиловый спирт. Применение спирта в качестве топлива позволяет устранить проблему вредного влияния автомобилей на экологию.
Во-первых, оно исключит избыточное производство CO2 При своем росте растения (в том числе водоросли) используют углекислый газа из атмосферы или растворенный в воде и разлагают его на углерод из которого строят свое тело и кислород, который уходит в окружающую среду. При производстве спирта значительная часть углерода из растений переходит в спирт, а при сжигании спирта снова превращается в углекислый газ. таким образом общее количество СО2 не растет. В самом деле оно даже немного уменьшается из-за того, что часть углерода, входящая в твердые отходы спиртового производства переходит в нерастворимое состояние
Кроме углекислого газа при сжигании спирта образуется только вода. Интересно, что недавно была разработана система, способная концентрировать воду из продуктов сжигания бензина или дизельного топлива. Применение такой системы считается перспективным для автомобилей в засушливых районах. Правда вода, полученная из продуктов сгорания нефтяного топлива нуждается в сложной и энергоемкой очистке. А вот из спиртового топлива можно конденсировать совершенно чистую воду без всякого труда.
Во-вторых использование спирта настолько снизит количество вредных веществ в выхлопе, что полностью отпадет необходимость в катализаторах для дожигания выхлопных газов – а ведь само производство катализаторов связано с большим загрязнением природы.
Как упоминалось, попытки широкомасштабного внедрения спиртового топлива в автомобилях оказались неуспешными. Кроме прочего еще и потому что не удалось и обеспечить достаточно высокое качество топлива что привело к повышенному износу двигателей. Вообще, классически автомобиль, созданный и оптимизированный для использования газолина безусловно не оптимален для прямого перевода на спиртовое топливо (хотя это и возможно). Для использования спирта должно быть создано новое поколение автомобилей, но ничего нереального в этом нет, все проблемы или уже решены или могут быть решены при затрате достаточно ограненных средств и в короткие сроки.
Однако, остается главный недостаток спирта – меньшая на 31% по сравнению с бензином энергоемкость, что потребует большего объема топливных баков или более частой заправки автомобилей. Но и эта проблема вполне разрешима. Частично она решается переходом к гибридным автомобилям, обеспечивающим уже сегодня существенно лучшее использование топлива.
Одна из главных проблем связанных с двигателем внутреннего сгорания - он имеет высокий коэффициент полезного действия только в определенном довольно узком диапазоне оборотов, когда обороты ниже или выше – эффективность падает и расход топлива сильно растет. Это и вызывает необходимость сложных трансмиссий, которые увеличивают стоимость и вес автомобиля и сами по себе тратят немало энергии.
Современная гибридная конструкция эту проблему устраняет. Гибридная энергетическая установка - это комбинация двигателя внутреннего сгорания и электропривода, при этом двигатель всегда работает при заданном оптимальном числе оборотов, при этом недостаток энергии например, в момент разгона при входе на фривэй, пополняется отбором энергии от аккумуляторной батареи, а избыток энергии, например, при движении под горку - сливается в нее. Если же батарея полностью заряжена, мотор просто отключается и автомобиль движется используя только электропривод. При этом энергия торможения также может использоваться для дополнительной зарядки батарей, экономя таким образом горючее.
 Однако, с точки зрения Теории Технической Эволюции эти гибриды – только первый шаг в направлении гибридизации, следующие шаги развития должны повысить степень интегрирования элементов и эффективность гибридов за счет привлечения в «интегральную» конструкцию большего количества эволюционных ресурсов. Следующим шагом развития скорее всего станет использование турбины в гибридном автомобиле
В течение десятилетий предпринимались попытки создания массовых автомобилей с экономичным и имеющим малые размеры турбинным двигателем. Некоторое количество турбинных автомобилей было даже представлено на маркете (Крайслер, Мерседес), но широкого распространения не получили из-за ряда существенных проблем:
- Турбина имеет очень узкий диапазон скоростей при которых обладает высокой эффективностью. Эта проблема полностью устраняется уже в существующих гибридных автомобилях
- Высокая температура сгорания газолина или других видов нефтяного топлива приводит к необходимости создания сложных систем охлаждения лопаток и изготовления лопаток из очень дорогостоящих материалов. Все это резко повышает стоимость турбины и снижает ее надежность. При использовании спирта в качестве горючего острота проблемы снижается так как температура сгорания спирта существенно ниже
- Известно, что повысить эффективность двигателя внутреннего сгорания возможно путем добавления в горючее некоторого количества (до 10% - 15%) мелкодисперсной воды. В этом случае часть энергии тратится на испарение воды, общая температура падает, а давление возрастает благодаря высокой упругости водяного пара. Однако, достижение нужной дисперсности воды очяень затруднительно из-за ее высокого поверхностного натяжения и сильной тенденции маленьких капель быстро сливаться в более крупные. А если капли воды слишком велики, горючее вокруг них не полностью сгорает, в результате часть его выбрасывается вместе с выхлопными газами, при этом теряется энергия и отравляется окружающая среда. Использование спирта это проблему полностью устраняет - вода растворяется в спирте и создает совершенно равномерную смесь. То есть использование спирта 80 - 85% концентрации обеспечит дополнительное повышение эффективности и одновременно снижение температуры турбины, то есть возможность ее изготовления из не слишком дорогих материалов и при этом.
- Интересно отметить, что хотя обычная турбина (например, авиационная) – очень сложное устройство, ее конструкция может быть намного проще чем у обычных поршневых двигателей. За последние годы в это области достигнуты впечатляющие успехи, например, ученые из SwRI[1] создали очень эффективные и очень надежные турбины вообще без самого дорогого и ненадежного элемента – лопаток. Эти турбины имеют всего две главные детали – два диска, один неподвижный, другой вращающийся с выступами на них, играющими роль лопаток. Эти турбины можно очень дешево изготавливать методами массового производства.
- Размеры турбины уменьшаются а мощность вырастает при увеличении скорости вращения. Для турбины могут быть оптимальны скорости вращения порядка 30 - 100 тысяч оборотов в минуту. Для обычного автомобиля это создает почти неразрешимые проблемы с конструкцией трансмиссии, но устранить их можно полностью отказавшисяь от механической трансмиссии и перейдя к электрической передаче энергии - электрическому генератору постоянного тока, соединенному с турбиной, который заряжает батарею и питает электричеством электромотор, приводящий во вращение колеса
- Использование электрической трансмиссии позволяет каждое из колес снабдить независимым двигателем, возможно расположенным прямо в колесе или вблизи него[2]. А это, вместе с компьютерным контролем вращения и положения колес, обеспечит существенное улучшение управляемости и устойчивости автомобиля, особенно на поворотах, при больших скоростях, на скользкой дороге и т.п. и позволит обеспечить очень эффективное компьютерное управление работой всей силовой системы автомобиля.
Применение спиртового топлива позволит также очень сильно упростить системы охлаждения и кондиционирования воздуха в автомобиле. Ведь спирт при своем испарении очень сильно охлаждается, а потом пары могут прекрасно использоваться в турбине. Существенно меньшая опасность для окружающей среды спирта и его паров, а так же меньшая взрывоопасность спиртовых паров (по сравнению с бензиновыми) возможно не уменьшат числа взрывов автомобилей в Голливудских боевиках, но повысят степень безопасности автомобиля и его инфраструктур и видимо позволят увеличить количество возимого горючего..
В турбинно-спиртовом автомобиле размеры двигательной системы будут значительно меньше чем сегодня и будут не нужны сложные, дорогостоящие и создающие большие энергетические потери устройства передачи энергии от мотора к колесам. Можно ожидать, что такой автомобиль будет существенно проще и дешевле чем сегодняшние машины, обеспечит большее внутреннее пространство и экономию горючего. Это может оказаться особенно важным для автомобилизации в странах третьего мира.
Учитывая описанную в Главе 2 систему производства спирта как возобновляемого топлива из водяной растительности, можно ожидать что в ближайшее десятилетие появятся промежуточные концептуальные и мелкосерийные автомобили с использованием смеси спирта с водой (вероятно и некоторым количеством неятяного топлива) и турбинными двигателями с электрической трансмиссией и системами «мотор-колесо»
Как автомобиль умнел
В главе 1, мы пришли к выводу о неизбежности появления у человека информационной эпохи множества «умных слуг», среди которых наиболее близким человеку будет «Интеллектуальный партнер» - «Альтер Эго». Другим «умным слугой» станет, безусловно, автомобиль. Хотя, большую часть истории было почти наоборот - автомобиль возил человека, а человек обслуживал автомобиль как преданный и порой тяжко работающий слуга. Например, на знаменитой «Жестяной Лизи» - модели Форд-Т каждые 600 км нужно менять моторное масло которое постоянно текло, каждые 300 км – приходилось менять густую смазку, при запуске двигателя то и дело возникали проблемы и т.п. Каждый владелец автомобиля должен был быть неплохим механиком или постоянно платить механику…
Умный автомобиль снимет с человека необходимость думать и заботиться о себе и об очень многих других проблемах – как быстрее и безопаснее доехать, как запаковаться, как не скучать в дороге, как получить максимальный и комфорт и удовольствие от поездки и т.п. То есть Главной Функцией автомобиля нового поколения становится: друг, защитник, помощник, партнер, компаньон, часть дружественной среды и т.п.
«Умнение» автомобилей продолжалось почти всю историю. В Форд музее можно увидеть автомобили начала века с множеством рычагов и педалей, управлять которыми было большим искусством а на каждый час езды нужно было тратить несколько частов на обслуживание[3] . Но постепенно, с развитием системы автосмазки уменьшили необходимость обслуживания, электрический стартер сделал ненужным упражнения с заводной ручкой, автоматическая трансмиссия сняла с человека заботу о переключении скорости, стало возможно одним нажимом кнопки изменить положение кресел и зеркал и т.п.
Постепенно автомобилю передавались и более «интеллектуальные» функции в том числе управления мотором и расходом горючего, самодиагностика, автоматического включение света и т.п. Автомобиль начал активно помогать человеку - антиблокировочная система торможения предотвращает аварии на скользкой дороге, воздушные мешки спасают, круиз контроль (cruise control) упрощает вождение, системы GPS и особенно созданная Дженерал Моторс система «On Star» облегчают навигациию. И это направление развития сегодня – самое перспективное.
Элементы умного автомобиля
Поумнение автомобиля реализуется через переход практически во всех системах от «управления по тросу» (control by cable) - путем передачи механических усилий к электрическому управлению (control by wire) и далее к использованию оптических датчиков и методов передачи информации (control by fiber). При этом происходит все большее насыщение автомобиля разными датчиками (положения руля, педалей и других устройств управления, положения колес, эффективности торможения, нагрузки в системах подвески (suspension attachment) , величин вибраций, температуры частей автомобиля, состава выхлопных газов, климатические датчики, датчики опознания водителя и контроля за его состоянием, и т.п.) Сегодня в автомобилях используются преимущественно дорогие и крупногабаритные электромеханические или электромагнитные датчики. в будущем очевиден переход к дешевым и маленьким оптическим сенсорам. Безусловно, также будут использованы многочисленные и разнотипные наружные сенсоры – оптические камеры, изображение с которых будет анализировать компьютер, радио или ультразвуковые локационные устройства, Датчики GPS, системы, обеспечивающие двустороннюю связь с другими автомобилями, дорожными указателями, полицией и т.п. Важной окажется и постоянная связь автомобиля с Интернетом, возможность получения апгрейдов управляющих программ, помощи в самодиагностике и решении тех или иных проблем, определении маршрутов движения и т.п.
Естественно, вместо сотен имеющихся сегодня «глупых» электронных блоков и устройств, все элементы «умного автомобиля» будут иерархически организованы и поставлены под управление главного компьютера. Этот компьютер сможет также автоматически заплатить использование платного шоссе и стоянки, вызвать и оплатить заправщик горючим, даже оплачивать штрафы за нарушение правил движения. А также связаться по телефону или компьютеру с хозяином находящемся в другом месте и/или полицией и сообщить когда кто-то пытается угнать машину. А если кто-то ударит или поцарапает машину при движении или на парковке, она сама зарегистрирует все сведения об «напавшем».
Существенно то, что вся эта и многая другая информация (например, от Альтер Эго и других источников) будет постоянно накапливаться, анализироваться, в результате у автомобиля будет достаточно знаний о водителе, его привычках, разных ситуациях в прошлом и т.п., а это позволит автомобилю предвидеть некоторые ситуации, правильно их анализировать и интерпретировать и совершать оптимальные действия.
Поумнение шаг за шагом
Очевидными следующими шагами «повышения умности» автомобиля будет:
· Превращение автомобиля в часть интегрированной транспортно - информационной сети. В процессе движения автомобиль делится информацией и согласовывает действия с другими участниками движения, устройствами управления движением, полицией и т.п.
· Радикальное улучшение систем навигации и выбора путей с учетом реального трафика, приоритетности движения, погоды, даже красоты трассы…
· Использование радарных и телевизионных систем для предотвращения столкновений, повышения безопасности при движении в темноте, движении задним ходом и т.п. выдача предупреждающих сигналов и даже в некоторых случаях перехват управления (хотя бы так как это делает ABS система).
· Возможность движения автомобиля вообще без водителя, например, отъезд после высадки пользователя на ближайшую свободную парковку, с возвратом в заданное время или по вызову.
· «Умная» реакция автомобиля при угрозе аварии и самой аварии, направленная сперва на предотвращение аварии (например экстренное торможение, «уклонение» от опасного предмета на дороге и т.п.). Если аварию уже невозможно предотвратить то автоматика позаботится о сохранении жизни и здоровья людей, снижение «вредоносности» аварии, быстром вызове помощи, ликвидации последствий и т.п. А также регистрация всего, что происходит с автомобилем и в автомобиле («черный ящик») и подготовка нужной информации и документов для медицинской помощи, страховой компании, суда и т.п.
· Контроль ситуации внутри автомобиля, например, размещения груза, его сдвига при движении, попыток украсть или наоборот, подложить внутрь что-то посторонним человеком без позволения хозяев, попыток вторгаться в управление непосредственно или через системы связи, электронные команды, вирусы и т.п.
· Диагностика состояния водителя и пассажиров (здоровья, усталости, скорости и точности реакции и т.п.), состояния дороги, окружающей среды и т.п. и изменение в связи с этим поведения автомобиля и его взаимодействия с человеком с средой (пример – управление освещением снаружи и внутри, управление «дворниками» в зависимости от интенсивности дождя и т.п.Забота не только о людях внутри автомобиля но и о тех, кто снаружи, и не только о том чтобы не задеть человека или животного, но и о том чтобы не обрызгать их водой или не ослепить яркими светом.
Нет сомнения, что главным направлением поумнения автомобиля будет увеличение элементов автоматизации и облегчения вождения и переход сперва к частичному, а потом полностью автоматическому вождению на базе систем GPS, связи автомобилей между собой, систем опознавания и т.п. Переход к автоматическому вождению позволит во многих ситуациях существенно повысить скорости движения и снизить дистанции между автомобилями и что самое главное – исключить стихийно образующиеся на дорогах пробки. Согласование движения разных потоков автомобилей на пересекающихся дорогах позволит уменьшить время теряемое на светофорах, а также сократить расход горючего и износ автомобиля из-за ненужных ускорений и торможений у светофора а также повысить степень сохранности дорог.
«Умнеть» будут и отдельные подсистемы, например:
- Появятся системы автоматического опознавания водителя, членов семьи, других людей, имеющих право на вход в автомобиль и/или на управление им, в том числе и в экстремальных условиях, например полисмена, ремонтника, буксировщика и т.п.
- Появятся фары, способные менять световой поток, (его интенсивность, цвет ширину луча и т.п.) поворачивать его при повороте автомобиля или необходимости рассмотреть что-то сбоку от дороги,
- Появятся системы «самообслуживания», возможно даже «саморемоонта» автомобиля, уменьшающие потребности в обслуживании автомобиля (включая заправку и мытье).
- Появятся системы «заботы автомобиля о своем облике» Вполне возможно появление в автомобиле небольшого робота, который за ночь аккуратно «проползет» по всей поверхности машины, помоет и даже отполирует ее. И который сможет оказывать множество других услуг. А также вполне возможно, что для автомобиля начнут применяться краски с нанодисперсными частицами оксида титана которые обладают свойством самоочистки от многих типов загрязнения. Такие краски уже существуют, но пока слишком дороги
- Появятся системы «блуждающая заправка». Когда запас горючего уменьшается до критического, автомобиль подает сигнал и ближайшая передвижная заправочная машина с запасом горючего, постоянно объезжающая парковки и жилые районы, подъезжает и заправляет автомобиль, выставляя электронный счет владельцу[4]..Возможна даже система «дозаправки на ходу», (как в авиации)
Для человека очень часто «умный» – это тот, кто хорошо к нам относится, кто нам помогает. Повышение «интеллигентности» автомобиля обязательно включает и повышение комфорта, удобства, удовольствия от вождения или нахождения в нем и т.п. Это включает:
- Эффективное приспособление автомобиля к каждому водителю. И не только сидений положения зеркал или руля, но и всего интерфейса. А ключом служит карточка, в которой записаны все наши предпочтения. А может быть ключ и не нужен - просто автомобиль сразу же наладит контакт с «Альтер Эго» и автоматически приспособится к моим вкусам. Это приспособление к человеку не ограничивается «начальной настройкой», а происходит все время на базе множества датчиков, отслеживающих положение в кабине и состояние человека. , Например, когда человек устал от сохранения постоянной позы, меняется слегка положение кресла, ему становится жарковато – температура уменьшается, зачесалась спина – вибратор в кресле почешет…
- Устранение шума, вибраций, толчков, что обеспечивается например, повышением плавности движения, системами пассивного (элементы технологии «Стелс») и активного шумоподавления, стабилизацией салона (как в танках стабилизация орудия) и т.п.
- Управление микроклиматом с более широкими возможностями, например, обеспечивающими изменение влажности, насыщение воздуха полезными отрицательными ионами, повышение содержания кислорода (например, чтобы уменьшить сонливость или при движении в высокогорных районах), управление запахом в кабине и т.п.
- Расширится возможность перемещения и трансформации сидений, например, станет возможным для улучшения обзорности поднять сиденья пассажиров намного выше или развернуть сиденья так чтобы люди сидели лицами друг к другу
- В автомобиле появится и медицинское оборудование, способного при необходимости оказать помощь водителю или другим людям
- Появятся возможности использовать автомобиль как источник энергии например, для кэмпинга или для дома при прекращении подачи электроэнергии. Это позволит повысить степень защиты от аварий и заменит маломощные и неудобные аварийные электрические генераторы, имеющиеся сегодня почти в каждом доме.
- Появится возможность для пассажиров (и для водителя при автоматическом движении) играть, выполнять какие-то работы (например, с компьютером) и даже делать физкультурные упражнения с помощью встроенных в автомобиль тренировочных машин.
- Появится возможность прямо в автомобиле получить нормальную пищу[5], подогретую микроыэйвом, выпить хорошее кофе, даже может быть немного пива или коктейль (конечно, после этого автомобиль ни в коем случае не позволит перейти на ручное управление). Более того, в некоторых автомобилях будет реализованы и устройства, позволяющие помыться или сходить в туалет.
- Будут введены возможности обеспечения удобства и безопасности в автомобиле не только для человека, но, например и для его собаки, кошки или, скажем, попугая
|
