گلوله برقی روی‌ چهار ‌چرخ

آنها سه سال پیش یک خودروی پیل سوختی هیدروژنی را بازسازی و آن را به نوعی خودروی برقی تندرو با حداکثر سرعت 480 کیلومتر بر ساعت تبدیل کردند. اما اکنون بولت باک آی قصد دارد خودروی جدیدی طراحی کند که بتواند به‌سرعت افسانه‌ای 650 کیلومتر در ساعت دست پیدا کند. این خودروی برق‌آسا قرار است در مسابقه دشت نمک بونویل در نزدیکی وندور ایالت یوتا از کشور آمریکا شرکت داده شود.

تاکنون فقط 9 خودروی چهار چرخ متحرک بنزینی به این سرعت دست یافته‌اند. از آنجا که مقاومت آیرودینامیکی وسیله نقلیه در چنین سرعتی بشدت افزایش می‌یابد، موتورهای برقی بولت برای غلبه بر آن به جریان فزاینده‌ای از برق نیاز خواهند داشت. به همین دلیل سازندگان مجبور خواهند شد باتری بیشتری در خودرو کار بگذارند که موجب سنگینی بیشتر خودرو می‌شود. این در حالی است که اگر آنها بخواهند رکورد سرعت 650 کیلومتر در ساعتی را بشکنند باید خودرویی کاملا سبک طراحی کنند. مشکل دیگر، نیروی گریز از مرکز است.

تایرهای خودرو چنان سریع خواهند چرخید که ممکن است نیروی گریز از مرکز، آنها را متلاشی کند. این حلقه‌ناتمام مشکلات آنقدر پیچیده و بزرگ است که حتی مهندسان کهنه کار را ناامید می‌کند چه برسد به یک گروه مهندس جوان و تازه کار.

طرح سریع

سال 1372 خورشیدی ژیورژیو ریزونی اولین تیم دانشجویی را برای شرکت در سری مسابقات خودروهای برقی دانشگاهی کوتاه مدت تشکیل داد. وسیله نقلیه آنها به نام باک آی اسموکین بیشتر مسابقات را برد، اما چندسال بیشتر نگذشته بود که این سری مسابقات کنسل شد. ده سال بعد، این تیم سه وسیله نقلیه پرسرعت را که رکورددار جهان شد، ساختند. سپس آنها با همکاری چند نفر دیگر به فکر ساخت خودرویی افتادند که بتواند 650 کیلومتر در ساعت سرعت بگیرد.

دو سال بعد، آنها خودرویی با نام بولت باک آی ونتوری 3 را که 11.5 متر طول داشت و چهار چرخ آن نیرو را منتقل می‌کرد، ساختند. از آنجا که تامین نیروی مورد نیاز برای دستیابی به چنین سرعت باور نکردنی‌ای برای یک موتور خیلی زیاد است، آنها تصمیم گرفتند چهار موتور برای هر چهار چرخ این خودرو در نظر بگیرند. هر کدام از موتورها نیرویی معادل 400 اسب بخار تولید می‌کرد. یعنی این گلوله چهار چرخ با توان 1600 اسب بخاری خود، زمین را گاز می‌گرفت.

آنها نمای کلی ابعاد ایده‌آل، ویژگی‌های اجرا و دیگر جزئیات خودرو را به طور مجازی طراحی کردند و روی صفحه نمایشگر رایانه به بررسی طرح سه بعدی بال قسمت عقب عمودی خودرو پرداختند. برای جهش از سرعت 490 به 650 کیلومتر در ساعت، موضوع آیرودینامیک مشکل مهمی بود. برای دستیابی به حدود 33درصد سرعت بیشتر، آنها باید بر حدود 2 برابر نیروی مقاوم آیرودینامیکی غلبه می‌کردند. دو سال طول کشید تا طراحی آیرودینامیکی بولت باک آی ونتوری‌3 (vbb3) بخوبی انجام شد. شکل آن را تغییر دادند و ویژگی کم کردن مقاومت آیرودینامیکی مثل باله‌های منحرف کننده هوا را به آن افزودند. روی چرخ‌ها را پوشاندند و یک چارچوب فولادی با بدنه‌ای از جنس فیبر کربن به آن افزودند که با پوششی ضدآتش پوشانده شده بود.

اما چند موضوع مهم دیگر نیز مطرح است. این گروه اکنون روی بخش بال عقب خودرو کار می‌کند. هرچیزی که ممکن است خودرو را به جهتی بکشد باید از آن وسیله خارج شود. اما تیم سازنده برای ایمنی راننده‌ای که خودرو را آزمایش می‌کند مجبور است روی عقب آن یک بال تعبیه کند.

تمام نیروهای آیرودینامیکی اعمال شده بر وسیله نقلیه می‌تواند به طور متوسط روی یک نقطه قرار گیرد که به آن نقطه، مرکز فشار گفته می‌شود. وقتی این نقطه درجهت عقب خودرو و مرکز جرم وسیله نقلیه به جلو نزدیک‌تر باشد، این دو با متعادل نگه داشتن همدیگر می‌توانند وسیله نقلیه را روی یک خط مستقیم حفظ کنند. قرار است چند چتر و ترمز بادی به‌عنوان سیستم پشتیبان فرآیند متوقف‌سازی روی این غول ساکت تعبیه شود. اما اگر وسیله نقلیه منحرف شود و دور خودش بچرخد، هیچ کدام از این سیستم‌ها کمک چندانی به راننده نخواهند کرد.

تیم سازنده قصد دارد با قرار دادن بالی شبیه دم دلفین که به صورت افقی روی یک بال عمودی قرار می‌گیرد، وضع آیرودینامیکی خودرو را تامین کند.

همچنین قرار است یک گیرنده جی پی اس و دو دوربین ـ یکی رو به جلو و دیگری رو به عقب ـ به وسیله نقلیه اضافه شود تا هنگام رانندگی اطلاعات مسیر ثبت شود.

سپس آنها به سراغ باتری‌ها رفتند و به آزمایش باتری لیتیوم یونی نانو فسفات آهنی پرداختند. این باتری‌ها قبلا در سیستم‌های A123 استفاده می‌شدند. طراحان معتقد بودند باتری‌های مدور، فضای بیشتری اشغال می‌کنند و این به مفهوم خودروی بزرگ‌تر، آیرودینامیک ضخیم‌تر و در انتها سرعت کمتراست.

سپس تیم سازنده یکسری باتری‌های جیبی شکل آماده کردند که با وجود حجم کمتر، جریان بیشتری تولید می‌کردند. هریک از این باتری‌ها 25 سلول جیبی در خود داشتند و بدون فاصله کنار یکدیگر قرار می‌گرفتند و بسیار بیشتر از باتری‌های سیلندری در فضا صرفه‌جویی کردند. تیم سازنده در تلاشند تا آنجا که می‌توانند وسیله نقلیه را باریک درست کنند. خودروهای رکوردشکن به خاطر سبک شدن معمولا از سیستم تعلیق صرف‌نظر می‌کنند. اما از آنجا که ضربه روی دشت نمک ولو یک لحظه می‌تواند در چرخ‌ها نوسان به‌وجود آورد و از انرژی باارزش باتری بکاهد، گروه تصمیم گرفت شوک‌های ناشی از ضربات را که سیستم تعلیق کنترل می‌کرد به زیر موتور و جعبه دنده منتقل کند. اما بعد متوجه شد شوک‌ها ممکن است از مرکز ثقل وسیله نقلیه به سمت بالا منتقل شود. وقتی از وزن جعبه دنده و موتور صحبت می‌شود در واقع موضوع چند صد کیلو وزن است و از این وزن باید تا آنجا که تعادل خودرو از دست نرود، کاست.

گروه برای چرخ‌های ماشین، تایری انتخاب کرد که فقط 1.5 میلی‌متر ضخامت داشت. وقتی وسیله نقلیه از سرعت 300 مایل در ساعت بگذرد، لاستیک‌ها چنان سریع می‌چرخند که نیروی گریز از مرکز باعث ترکیدن آنها می‌شود.

هرچه ضخامت لاستیک بیشتر باشد جرم نیز بیشتر شده و نیروی از هم متلاشی کردن آن جرم هم بیشتر می‌شود. تایر نازک‌تر، جرم کمتری دارد بنابراین احتمال متلاشی شدن آن در سرعت‌های بسیار بالا نیز کمتر می‌شود.

شمارش معکوس

سازندگان بولت سیستم تعلیق را مجدد طراحی کردند و موتور و مرکز جاذبه را پایین‌تر آوردند، اما بخش عقبی آن هنوز محل بحث و گفت‌وگو بود. تیم سازنده برای ایمنی تصمیم گرفت سه یا چهار چتر بازدارنده در خودرو تعبیه کند. این ابزارهای اضافه باعث می‌شوند عقب ماشین بسیار بزرگ شود و مقاومت آیرودینامیکی را افزایش دهد. شبیه‌سازی رایانه‌ای خودرو نشان داد دما در اینجا مساله‌ساز است. موتورها در این سرعت بسیار بالا، بیش از حد گرم می‌شوند؛ بنابراین آنها تصمیم گرفتند سیستم خنک‌کننده موتور را مجدد طراحی کنند. آنها سیستم خنک‌کننده را طوری قرار دادند تا با موتور به‌طور مستقیم در تماس باشد و با گرفتن گرمای بیشتر از موتور، آن را خنک‌تر کند.

مجموعه‌ای از ابداعات فناوری کمتر، اما موثر و کنار زدن محدودیت‌های فناوری موجود میراث طرح بولت است.

طرح بولت توانسته است طی گذر سال‌ها بیش از 50 مهندس را تربیت و شغل آنها را در کارخانه‌های خودروسازی، بخش‌های هوافضا و فناوری باتری تضمین کند. آنها هنوز روی این طرح کار می‌کنند و معتقدند بالاخره روزی خودرویی خواهند ساخت که بتواند با سرعت 650 کیلومتر بر ساعت حرکت کند.

درون یک‌گلوله برقی

وقتی برای آزمایش قطعات خودروی مسابقه‌ای، آن را وارد تونل هوا می‌کنند، طراحان زیر وسیله نقلیه، تسمه‌ای چرخشی قرار می‌دهند تا بتوانند تقابل میان خودرو و زمین را مدل سازی کنند. اما بیشتر این تسمه‌ها تا سرعت 150 مایل در ساعت کار می‌کنند؛ بنابراین گروه سازنده بولت باک آی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی به مدل‌سازی آیرودینامیکی خودرویشان پرداختند. طرح باریک بولت جدید به وسیله باتری‌های جیبی مسطح ممکن شد.

سومین طرح بولت باک آی از ابتدا مجدد طراحی شد. بدنه آن از جنس فیبر کربن و یک شاسی از جنس فولاد است که مدل تغییر یافته طرح خودروهای مسابقه ایندی کار است. یک باله دم ماهی تعادل خودرو را حفظ می‌کند بخصوص در برابر باد مخالف. اما به کشش آیرودینامیکی‌اش می‌افزاید.انرژی آن از 80 باتری با طراحی معمول و چهار موتور که هر یک 400 اسب بخار نیرو تولید می‌کند، تامین می‌شود. پس از حرکت، حداقل سه چتربازدارنده از سرعت وسیله نقلیه می‌کاهد. ترمز‌های بادی نیز در مواقع اضطراری به عنوان پشتیبان وارد عمل می‌شوند.

ScientificAmerican / مترجم: نادیا زکالوند