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超音速推进号,是一个通常用来为一级方程式赛车提供动力的福特·考斯沃思发动机



时速1 0 0 0英里的汽车研发取得进展

据《每日邮报》报道,它们看上去好像只是模型爱好者的梦想,但一旦组装成型,它便能以超过1000英里/小时的速度运行。而图片上的这套零件,就是“寻血猎犬”超音速汽车(Bloodhound
Supersonic Car)被分解成3500块配件之后的样子。

今年八月,一辆产于英国的“寻血猎犬”会顺着南非绵延的沙漠,进行世界陆上极速测试的预热。如果一切顺利的话,它会在2016年的正式测试中突破1,609km/h的目标速度,将此前世界陆上极速纪录保持者——“超音速推进号”甩在身后的沙浪中。声音在15℃空气中的速度约为1224km/h,在这辆贴标“超音速”的猛犬面前,即便是声呐设备也已相形见绌。

在英格兰西面的托基市外的一个空军基地,一枚为预计在2014年打破最高时速纪录的汽车提供动力的火箭上周大显身手。

零件中包括由劳斯莱斯公司研制的EJ200发动机,这一发动机在欧洲战斗机“台风”中予以采用。此外,车身还将搭载一枚纳莫混合火箭,以及由钛合金制造的车身底架。

图片 1“寻血猎犬”(Bloodhound)

在火箭第一次全部点火前,“猎犬号超音速汽车”项目总监里查德·诺布尔言简意赅地评估说:“有可能成功运转,也可能一败涂地”。火箭将来要为这辆超音速汽车提供动力,让它在南非的平原上以超过每小时1600公里的速度行驶20公里。

▲在猎犬超音速汽车完成破纪录挑战之前,工程师共将组装3500个零件

一辆新车,两位旧识

汽车有三个不同的动力系统。“小”喷气式发动机是通常会在欧洲战斗机有限公司的喷气式飞机上看到的EJ200,它可以让汽车从0加速到约每小时50
0公里。随后火箭将开始启动,使汽车一下突破音障达到1.4马赫,比一颗飞行的子弹速度还快。第三个发动机是燃油泵,是一个通常用来为一级方程式赛车提供动力的福特·考斯沃思发动机。

这台由劳斯莱斯公司制造的发动机功率可以达到135000马力,相当于180台一级方程式赛车的功率。它需要一台超动力的捷豹V8引擎,将燃料输送到车身搭载的火箭中。

飞机是人类向往天空的产物,超音速汽车是地面工具对音障的破除。创下首个超音速记录的汽车即为上文提及的“超音速推进号”(Thrust
SSC)。1997年,设计者Richard
Noble将这辆车拉进黑岩沙漠,跑出了一英里内1227.986m/h的成绩,刷了世界记录的榜单。

最终,一切按计划进展顺利。

由碳纤维和钛合金制成的底架和顶棚将使用22500枚航天级别的铆钉固定,并全部由该团队人员手动完成。然而,这辆由火箭发动机推动的汽车价值约为100亿欧元,如此不菲的造价,恐怕大多数模型车狂热者只能望洋兴叹了。

图片 2芬特里交通博物馆中的“超音速推进号”(Thrust
SSC)

福特·考斯沃思发动机预热到80摄氏度,然后发动,达到每分钟5 0 0
0转。系统随后启动离合器,同时将发动机加速到每分钟1.66万转。燃料阀门打开,让过氧化氢以每秒钟50升的速度和每平方厘米57公斤的压力与火箭后端的银色催化剂发生反应。火箭是由科学家丹尼尔·朱布发明的。

驾驶者安迪·格林,英国皇家空军战斗机驾驶员,将于2016年前往南非西北部的亥克斯金·潘进行试驾,并试图突破1000英里/小时的大关。格林是皇家空军中校,他曾驾驶Thrust号超音速汽车,并创下了763英里/小时的记录。

从外形看,“超音速推进号”酷似折去机翼的飞机。车身两边各有一只的大型“风扇”,正是这辆车使用的劳斯莱斯“斯佩”系列涡轮引擎。驾驶该车打破记录的Andy
Green时任英国皇家空军的战斗机驾驶员。“超音速推进号”俨然就是超音速飞机的地面姐妹版。

随后发生化学反应,过氧化氢分解成水和氧气,产生大量的热能。这种高达600摄氏度的超热蒸汽足以点燃火箭内的固体燃料一种称为H
TPB的化学混合物。随着火焰升腾不到10秒,就产生达6441公斤的推动力。

▲在南非进行破纪录挑战时,猎犬超音速汽车将在两分钟之内行驶12英里,达到2g的加速度,减速时驾驶员所受最大加速度则将达到3g

把“超音速推进号”安置在位于英格兰工业城Coventry的柯芬特里交通博物馆后,Richard
Noble迷上了“更快”的游戏,他启动了“寻血猎犬”项目,并担任了负责人。今年8月的试车人仍然是老搭档Andy
Green,这次猎犬要破“超音速推进号”的记录,像是两位旧识对自己下的战书。

控制中心内,朱布抬起手,点火程序开始。观众通过扬声器可以听到福特·考斯沃思发动机启动的声音,突然一声轰鸣,火箭点火了。

▲在进行破纪录挑战时,猎犬超音速汽车必须能承受极大的撞击力,比如与鸟相撞

图片 3Richard
Noble和Andy Green

火箭点火不到1
0秒钟后熄灭。随着研发小组的成员跳起来互相拥抱,进行此次火箭点火测试的飞机库内响起一片欢呼声和掌声。这是6年工作取得的完美结果。

猎犬项目的一名发言人表示,他们对打破这项记录抱有充分的信心,并相信能首次实现在陆地上达到1000英里时速的目标。该项目至今已进行了七年之久。对于身为前英国皇家空军驾驶员的安迪·格林来说,自从他于1997年创下这项记录,实现这一新目标便一直是他的梦想。

也许是基于减轻阻力的考量,再次挑战世界纪录的战车已经瘦身成为了铅笔型。车身长14米,宽1.8米,重7吨。配合惊人的车速,车身全部用航空级铝锻造,底座和车轮则选用了高强度钛合金。除此之外,Richard
Noble还为动力系统加上了砝码。

此次测试成功后,研发小组将到南非的平原上进行这辆车的高速行驶测试。

该发言人称:“猎犬超音速汽车包含了超过3500个组件,其中很多都是专门定制的。”

动力双雄:涡轮增压发动机+火箭混合动力系统

“我们已经在猎犬超音速汽车的设计和制造上投入了数不清的时间,我们也已经做好准备,将于今年年底前往南非的卡拉哈里沙漠,挑战现有的陆上最快速度记录。”

猎犬车的动力系统由涡轮增压发动机和颇有特色的火箭混合动力系统组成。

2014年12月上旬,猎犬团队的火箭合作商纳莫公司对首批三台大型混合火箭发动机进行了测试,它们都将被装载在该超音速汽车上。猎犬号将在2015年的高速试驾中先安装一枚纳莫混合火箭,然后在2016年的1000英里时速挑战中同时使用三枚火箭。

这款代号为EJ200的涡轮增压发动机,是劳斯莱斯打造的强大动力心脏,同时还被搭载在欧洲“台风”战斗机上。与它配合的是一台550马力的捷豹V8引擎,它的作用仅仅是将燃料输送到车身搭载的火箭中。

这是在除主引擎之外另外安装的组件。而车身使用的主引擎通常安装在欧洲战斗机“台风”上,重达1吨,能产生20000磅的力量,或是9吨的推力。主引擎和搭载的火箭加在一起,共能创造135000马力的推力,相当于180辆一级方程式赛车的总和。

起步阶段,由EJ200为猎犬者提供动力,当车的加速到560km/h后,位于车顶的混合火箭发动机将启动并继续为车辆提供加速动力。过氧化氢溶液在催化剂的作用下,泵送通过滤网后迅速分解,生成的氧气为火箭燃料助燃。另外过氧化氢本身就是一种燃料,在分解为水和氧气的过程中提供少量能量,整个过程是一个放热反应。

2014年年初,该超音速汽车的设计者们公布了其极富未来感的座舱造型。它使用了五种不同的碳纤维编制方法,以及两种树脂。设计和制造共计耗时超过了10000小时。两层碳纤维中间夹有三种不同厚度的蜂窝状铝合金,进一步提升了结构强度。材料最厚处包含13层结构,但仅仅厚达0.9英寸。

这个火箭引擎来自挪威的Nammo。2014年12月上旬,猎犬团队的火箭合作商纳莫公司对首批三台大型混合火箭发动机进行了测试。以下的测试视频里,火箭的尾部火焰喷射到水面,高温下镜头前扬起了湿热的水汽。

座舱重约441磅,直接与金属制成的车身后底盘相连,那里也是装载战斗机引擎、火箭和汽车引擎的地方。座舱本身必须足够强劲,因为作为车身前部,它承受的空气动力学压力也最大。时速1000英里时,它承受的压力将达到3吨/平方米。此外,前轮和悬架也会对其造成很大压力。另外,座舱还将被防弹外壳包裹起来,防止前轮高速转动时卷起的石块击中驾驶员格林。

Nammo混合火箭发动机测试视频

座舱后面安置了三台噪声很大的发动机——战斗机发动机,一组混合火箭和一台用来驱动火箭氧化剂泵的赛车引擎,它们制造的噪声级别将达到140分贝,和手枪发射子弹时的声音大小差不多。格林中校将佩戴一套特制的入耳式通讯系统,在保护听力的同时,确保他能和任务控制中心保持联络。

今年8月的沙漠试驾中,“寻血猎犬”只会安装一枚火箭,等到2016年会添上两枚。关于火箭为什么变成了3个,造车人的解答是,阻力会随着速度增加呈立体几何倍数飙升,车子需要更加强大的推力。

猎犬项目的总工程师马克·查普曼表示:“将汽车拆成若干主要部件实在是整个项目中一个激动人心的时刻。”

不怕跑不快,就怕停不下来

“它证实了我们团队的赛车工程师和航天工程师们多年辛勤劳动的价值所在。”

世界陆上极速测试会记录任何附有轮子的汽车在陆地上所能达到的最高速度,标准为经过一段特定距离,取来回两次的平均速度。所以“寻血猎犬”不是蒙头狂飙,而要在开出一段距离后调头返回。

如何给世界上最快的汽车减速

车辆的加速将分为两个阶段,12秒内从0加速到160km/h,然后的25秒内,速度从160km/h飙到1609km/h。当达到560km/h时,发动捷豹V-8引擎,泵入浓缩的过氧化氢,过氧化氢分解为水和氧气,点燃舱内的燃料,启动火箭助推。车辆将在3.6秒、一英里的距离内,达到1609km/h的速度。这时,车身也会受到20吨的推力,以及15吨的空气阻力。

猎犬超音速汽车团队还公布了让其从1000英里时速减速到零的方法。汽车达到最高时速之后,气闸和减速伞便会将时速降到160英里/小时。在减速过程中,汽车将以3g的加速度做匀减速运动(相当于一辆普通轿车在一秒内将速度从60英里/小时——这一减速过程将持续20秒。即使是在减速之后,车轮仍会进行每分钟10000转的高速转动。

在调头之前需要进行制动,整个制动首先停止供应过氧化氢溶液从而停止火箭开始,随后输往涡轮增压发动机的燃料流也被切断。制动前段依靠强大的空气阻力,速度每秒会下降96km/h,大约3秒之后,在20秒内维持3个g的减速度。在1,287.5km/h驾驶员打开空气制动,使车辆保持3个g的减速度。在沙地上滑行5-6英里速度降到约260km/h时,踩刹车制动。

但如果采用战斗机上使用的、和普通汽车上的盘式制动器形式相同的碳制转子,即使速度只有这辆超音速汽车的一半,它也会发生破裂。因此,研发团队需要寻找新的解决方案。最终,他们决定改用钢制转子。

吉尼斯世界纪录公布的“寻血猎犬”介绍视频

在测试中,这些钢制转子可以承受850摄氏度的高温,而且能重复利用。接下来,人们将在每分钟10000转的转速下进行测试,为最终的挑战做准备。

停止整个传动装置后,猎犬车会在山地上来个U型甩尾调头,在地面画出直径为240米的刹车圆后,驾驶员给车辆再来上一吨过氧化氢,半吨航空煤油,向捷豹的引擎加入一点无铅汽油。然后卯足劲再来一次。

什么是猎犬号超音速汽车?

可能你在为猎犬能否跑出目标速度捏一把汗,但项目发言人Jules
Tipler对“寻血猎犬”的速度很有信心。目前整个团队在操心的,却是如何制动(古话说上山容易下山难不是木有道理的)。“这片沙地长达19km,约3.22km宽,没有那么多距离留给我们减速”。而且这个流程安排还是一切顺利的情况。如果不那么幸运,可以开启两个降落伞制动。但这只是权宜之计,因为下次测试前还要把降落伞收回去,会浪费不少时间。计划上一天会跑上几趟,如果省下收伞时间,或许就可以多跑一两次。

该汽车有四个车轮,由一台新近安装的发动机引擎和一架火箭驱动。它能以时速1000英里的速度行驶。

在硅谷测试一辆超音速汽车

纤瘦的车身长约44英尺,使整个车身符合空气动力学的要求。车身重量仅为7吨,引擎的功率将超过135000马力。这比一次一级方程式比赛发车点上所有赛车的功率加起来的六倍还要多。

碍于猎犬车的特殊性,正式上路前的实验修正成了难题:每一次实验,要用不同的速度,在不同的温度和风力条件,车还必须要保持适度漂移——既不会像飞机一样飘得太高,也不会死死抓着地面奔不起来。而且有别于传统汽车的极速,决定了“寻血猎犬”不能采用传统的风洞测试和图纸模拟,它的每一项处理细节都必须经由一组功能强大的超级计算机矩阵来模拟。

在接下来的一两年里,这辆超音速汽车会先以低速进行试驾,然后才迎来最后的挑战——创造新的陆地最高时速记录。目前的陆地最高时速记录是753.035英里/小时,由前英国皇家空军驾驶员安迪·格林于1997年驾驶Thrust号超音速汽车时创下并保持,而在此次的猎犬计划中,他仍将担任驾驶员一职。

“寻血猎犬”的实验会在硅谷进行,将尽可能采取低风险和小成本的方式——CFD分析。这项技术经常被用在发动机的设计过程中,工程师利用它作为工具,代替飞行员“驾驶飞机”,从而调整空气动力学参数。“测试结果是根据模型测试获得的”,项目系统工程师Joe
Holdsworth介绍道,“所以你还需要将模型结果和实际动力学参数作对比”。

图片 4对“寻血猎犬”进行CFD分析

考虑到这一点,测试的猎犬车目前还只是搭了一个骨架。车上将会搭载500个传感器,包括一系列可为工程师拍摄感兴趣镜头的摄像机,还有三块驾驶舱内的屏幕。屏幕上的画面可以帮助驾驶员弥补狭窄视域里看不到的内容,这些内容会从小型可延展亚克力窗处获得。不过这个窗户的开口会尽可能的小,这主要是考虑到表面铝制材料的脆弱性。另外,在车身铝制材料的表面,还扎了192个密密麻麻的小洞,每个洞都连接着空气压力传感器,用以测量车身周围的空气压力情况。

这些传感器会收集两种数据。一种极为详细,储存后用于日后模型制造,另一种用于实时交换的数据量比较小,用来辅助驾驶员在行驶过程中保持安全。实时数据同样会传送到网络云端,但不是用于事后分析,而是为未来设计提供依据。

“寻血猎犬”在硅谷的测试会与公众分享。英国机械工程师学会伦敦总部已经公布了“寻血猎犬”的总设计图。图纸将会分发给英国的5,700所中小学以及全球数千个科研组和个人分享。项目中至少有10人在学校中做过讲演或是参与了公共活动。这辆车以开源方式向学术界科普了技术内容,同时也收到了充足的资金赞助。

车云小结

好奇“寻血猎犬”这个名字的人,八卦下来的收获,估计是下面这个关键词——不屈不挠。恰好就把它赠给执着于超音速汽车的造车人吧。

图片 5

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