Rozwiązania techniczne i technologiczne z lotnictwa i kosmonautyki w motoryzacji [cz.1]

Kompozyt węglowy (CFRP) przeżywa w motoryzacji swój renesans. Potrzeba było jednak wiele czasu, by materiał ten trafił do samochodów. Włókna węglowe udawało się wytwarzać jeszcze w XIX wieku. Od tamtej pory do momentu powstania pierwszych, wytrzymałych kompozytów minęło kilka dekad. Przełomowe były lata 60. ubiegłego stulecia. Jednym z pierwszych zastosowań w lotnictwie było wykorzystanie kompozytu węglowego przez Rolls-Royce'a w silniku lotniczym Conway. Później włókna węglowe brytyjski producent zastosował w jednostce RB-211. Lekki i sztywny materiał został wykorzystany do budowy łopatek sprężarki, które niestety okazały się bardzo podatne na uszkodzenia np. przez ptaki wlatujące w silnik. Ostatecznie kompozyty węglowe zaczęły masowo trafiać do lotnictwa i kosmonautyki mimo wysokich kosztów produkcji. Istotne były ich właściwości - były lekkie i bardzo wytrzymałe. To sprawiło, że cena nie grała roli.

Kompozyty węglowe trafiły do motoryzacji w pierwszej kolejności przez sporty motorowe. To naturalna kolej rzeczy. Ze względu na trudności technologiczne z początku stosowano ten materiał tam, gdzie nie było konieczne wytwarzanie elementów o złożonych kształtach, np. do budowy spojlerów. W skrzydło z kompozytu węglowego wyposażony został bolid zespołu Embassy Hill w 1975 roku. Niestety, dla zespołu Grahama Hilla skończyło się to fatalnie. Podczas Grand Prix Hiszpanii skrzydło oderwało się od bolidu GH1, a sam samochód wpadł w publiczność, zabijając 5 osób.

Pierwszym zespołem, który zdecydował się na zastosowanie kompozytu węglowego do budowy konstrukcji samochodu był McLaren. Model MP4/1, który został skonstruowany w roku 1981 został wyposażony w monokokpit wyprodukowany przez Hercules Aerospace. Rozwiązanie to stanowiło gigantyczny skok w kwestii sztywności nadwozia oraz bezpieczeństwa kierowcy.

Pierwszym samochodem produkcyjnym, w którym zastosowano pełny monokokpit z włókna węglowego był również McLaren. Mowa tu naturalnie o legendarnym F1, którego historię przedstawiliśmy już kiedyś w obszernym materiale. Teraz, ćwierć wieku po stworzeniu tego niesamowitego sportowego wozu, włókno węglowe stosuje się coraz częściej. Nie jest to już jedynie materiał do budowy egzotycznych wozów ze stajni McLarena, Lamborghini czy Pagani. Włókno węglowe wykorzystuje się tez do tworzenia konstrukcji BMW i3 czy, częściowo - nowej Serii 7. Wciąż nie są to oczywiście przeciętne samochody dla ludu, ale pokazują one postęp w tej dziedzinie na przestrzeni lat.

HUD (Head-Up Display) to rodzaj wyświetlacza, który pozwala na przedstawianie obrazu, w tym przede wszystkim kluczowych w danej maszynie informacji, na przezroczystej powierzchni, przez którą pilot lub kierowca może patrzeć w kierunku, w którym zmierza. Dzięki temu nie musi on odrywać wzroku od trasy, co poprawia jego skuteczność i/lub bezpieczeństwo.

Pierwsze tego typu rozwiązania stosowane były w instrumentach celowniczych, które ułatwiały trafianie w cel w trakcie lotu. Uwzględniały one bowiem prędkość samolotu. Tego typu urządzenia stosowane były jeszcze przed Drugą Wojną Światową. W latach 40. proste HUD-y wprowadzone zostały by ułatwić pilotom loty nocne. Problematyczne było bowiem obserwowanie ciemnego nieba i zerkanie na podświetlone instrumenty.

Rozwój HUD-ów do formy najbardziej zbliżonej do tej, którą znamy obecnie, nastąpił w latach 50. Pierwszym samolotem, wyposażonym w bardzo zaawansowany jak na owe czasy wyświetlacz przezierny, był Blackburn Buccaneer, którego system rozwijany był przez Royal Aircraft Establishment i Clintela.

Obecnie HUD-y lotnicze wyświetlają między innymi prędkość, wysokość, linię horyzontu, kierunek, w którym zmierza samolot, koordynator zakrętu, kąt natarcia (oznaczany grecką literą alfa), znaczniki celu, prędkość zbliżania do celu, odległość do celu i status broni. Samochody naturalnie nie wymagają aż tak obszernego zakresu danych, dlatego wyświetlacze przezierne w autach są znacznie prostsze.

Pierwszym HUD-em zainstalowanym w wozie był układ w Oldsmobile'u Cutlassie Supreme. Wyświetlał on jedynie prędkość. Obecnie stosowane systemy pokazują także bieżące nastawy tempomatu, sygnalizują konieczność zmiany biegu, przedstawiają prędkość obrotową silnika, informacje z nawigacji i dane sczytywane z mijanych znaków drogowych.

We współczesnych samochodach stosuje się dwa typy rozwiązań wyświetlaczy przeziernych. Te przedstawiane bezpośrednio na szybie wykorzystuje między innymi BMW. Citroën, Peugeot, Renault i DS wyświetlają dane na dodatkowych, podnoszonych po uruchomieniu zapłonu płytkach. To rozwiązanie, które poprawia komfort jazdy, jeszcze kilka lat temu było domeną przede wszystkim samochodów luksusowych. Obecnie HUD-y można znaleźć nawet w autach segmentu B (np. Mazda 2).

Sterowanie samolotem przez systemy wykorzystujące sygnały elektryczne zamiast mechanicznych musiało zostać wprowadzone ze względu na rosnące rozmiary statków powietrznych. Póki były one niewielkimi maszynami kilkuosobowymi, stosowanie cięgien, dźwigni itp. nie było problematyczne. Z czasem samoloty znacznie urosły i konieczne było ich unowocześnienie. Nie wystarczyło też użycie systemów hydraulicznych.

Awionika wykorzystująca sygnały elektryczne do sterowania powierzchni sterowych została pierwszy raz przetestowana w 1934 roku w prototypowym ANT-20 konstrukcji Tupolewa. Na pierwszy samolot, który nie był prototypem, a zastosowano w nim fly-by-wire trzeba było jeszcze zaczekać. Był nim Avro Canada CF-105 Arrow z 1958 roku. Kolejny raz system ten wykorzystano dopiero w Concordzie w 1969 roku. Ten wyjątkowy samolot był pierwszą maszyną komercyjną, która wykorzystywała ten system.

Czy mogła być lepsza firma do adaptowania rozwiązań z lotnictwa, niż Saab, który był z tą gałęzią przemysłu silnie związany? W 1992 roku szwedzki producent stworzył prototypowy model 9000 Turbo, który wyposażony był właśnie w system drive-by-wire. rozwiązanie to znacznie wyprzedziło nawet dzisiejsze czasy. Samochód ten był bowiem sterowany za pomocą joysticka.

Ze względu na niską masę systemu sterowania elektrycznego, drive-by-wire zostało przejęte przez świat sportów motorowych, w tym przede wszystkim przez Formułę 1, w której liczy się każdy centymetr przestrzeni ciasnych bolidów i każdy gram ujętej masy. By kierowcy mogli w maksymalnie naturalny sposób korzystać z throttle-by-wire i brake-by-wire, musiały zostać zastosowane elementy sprężynujące, które stawiały stosowny opór pod pedałami.

Pierwszym produkcyjnym samochodem, który został wyposażony w steer-by-wire, jest Infiniti Q50. W autach dopuszczonych do ruchu drogowego tego typu rozwiązania są znacznym uproszczeniem z punktu widzenia inżynierów zajmujących się packagingiem i ergonomią. Nie są oni bowiem w żaden sposób ograniczeni elementami mechanicznymi, które w klasycznych rozwiązaniach narzucały w pewnym stopniu ustawienie i położenie poszczególnych instrumentów. Nie jest to naturalnie rozwiązanie idealne. O ile przekładnia mechaniczna jest systemem stosunkowo niezawodnym, to pod znakiem zapytania stoi bezpieczeństwo rozwiązań elektrycznych. Dlatego systemy drive-by-wire wymagają szczególnej troski o bezawaryjność ze strony ich twórców.

NACA (National Advisory Committee for Aeronautics) to organizacja będąca poprzednikiem NASA. Jaki ma związek z motoryzacją? To za jej sprawą powstał wlot powietrza o tej samej nazwie (NACA). Było to rozwiązanie stworzone z myślą o zasilaniu w powietrze silników odrzutowych. Niestety, nie przyjęło się.

Kształt tego wlotu miał zapewniać pobór dużej ilości powietrza przy jednoczesnym niewielkim wpływie zawirowania wokół siebie. Niestety, wydajność tego rozwiązania nie była zadowalająca, dlatego nie jest ono wykorzystywane w awiacji.

To, co nie przyjęło się w lotnictwie, było wystarczająco skuteczne i nieinwazyjne dla aerodynamiki w motoryzacji. Wloty NACA sprawdziły się na karoseriach samochodów sportowych, które chociaż wyczynowe, poruszają się z prędkościami znacznie mniejszymi niż samoloty odrzutowe, a ich silniki spalinowe nie wymagają aż tak dużej dawki powietrza w jednostce czasu. NACA w autach znajdziecie między innymi na całym nadwoziu Ferrari F40, Saubera C9, Porsche 917, na masce Nissana GTR i Audi R8 LMS, a także w tylnej części dachu Bugatti Veyrona Super Sport.

ABS to system, którego działanie ma poprawić sterowalność samochodu w trakcie hamowania z bardzo dużą siłą. Zapobiega on blokowaniu kół, dzięki czemu kierowca utrzymuje kontrolę nad pojazdem. Co ciekawe, również ten system został stworzony na potrzeby lotnictwa.

Pierwszy raz ABS został zastosowany w 1929 roku przez Gabriela Voisina. Jego rozwiązanie wykorzystywało bęben oraz koło zamachowe z układem hydraulicznym. Dodatkowa wirująca masa, która nie zwalniała tak szybko jak koło z oponą oraz z bębnem, powodowała otwarcie zaworu w układzie hamulcowym, który powodował obejście części płynu hydraulicznego i zwolnienie koła. Dzięki temu udało się nie tylko poprawić wydajność hamowania o 30 procent, ale także zredukować zużycie opon. Skrócenie drogi zatrzymywania samolotu spowodowane było większą łatwością procedury. Pilot nie musiał powoli dodawać siły hamowania, by trafić w granicę przyczepności. Mógł kopnąć w hamulce z pełną siłą od razu po przyziemieniu.

W latach 50. wczesna forma ABS-u została szerzej wprowadzona do lotnictwa. Stosowano je w wielu samolotach wojskowych i cywilnych. Dunlop Maxaret było rozwiązaniem, które wprowadzono między innymi w Avro Vulcanie, English Electric Lightning a także liniowym BAC-111.

Wielu producentów przypisuje sobie pierwszeństwo w użyciu ABS-u w swoich autach. Chrysler twierdzi, że wraz z firmą Bendix opracował pierwszy samochodowy ABS, który zastosował w swoim Imperialu z 1971 roku. Rozwiązanie to nosiło nazwę Sure Brake. Jednocześnie Mercedes-Benz podaje, że w 1978 roku wprowadził do produkcji Klasę S z systemem ABS opracowanym wspólnie z Boschem. Jak podaje niemiecki producent, była to już druga generacja tego rozwiązania. Pierwszą stworzył już w 1970 roku z Teldixem. Wtedy system ten nie był jednak gotowy do wykorzystania w samochodach produkowanych masowo. W tym samym czasie, na początku lat 70. swoje rozwiązania przedstawił także Ford, General Motors, a także Nissan i Toyota.

Kto zatem był pierwszy w motoryzacji? Patent na takie rozwiązanie dla samochodu zdobył w 1928 roku Karl Wessel, ale pozostało ono jedynie na papierze przez lata, ustępując pierwszeństwa działającym systemom z lotnictwa. W praktyce w samochodzie produkcyjnym ABS zadebiutował w Jensenie FF w 1966 roku. Było to wcześniej wspomniane rozwiązanie Maxaret Dunlopa, które wykorzystywane było w lotnictwie. Konstrukcja ta bazowała na systemie z kołem zamachowym, podobnym do opisanego wyżej. Obecnie ABS jest systemem obowiązkowym dla wszystkich samochodów produkowanych seryjnie.