요약:
SpaceX 로켓 기술은 '과속 자동차' 로드스터의 비장의 전부는 아닙니다
. Tesla Engineering No.1은 블로그 프로그램에서 로켓 분사 시스템, 지면 효과 흡입 컵, 능동 변형 몸체 등 모든 기술적 세부 사항을 설명했고 처음으로 공개했습니다.Tesla의 휴머노이드 로봇 Optimus의 기술은 자동차에도 적용됩니다
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로켓의 검은 기술, 자동차 작업 방법은?
먼저
팟캐스트에 참여하고 있는 Lars Moravey에 대해 간단히 소개하겠습니다
, 노스웨스턴 대학교 기계공학과를 졸업하고 초창기부터 오랫동안 Honda에서 섀시 서스펜션 시스템을 담당했습니다. 2010년 Tesla에 합류한 그는 섀시 서스펜션 관련 업무를 시작하여 Tesla의 차량 엔지니어링 부문 1위 부사장이라는 현재 직위까지 올랐습니다.
그의 모든 결과는 하나의 질문을 중심으로 이루어집니다. 자동차가 이미 너무 빨라서 사람들이 삶을 의심한다면, 다음 단계는 어떻게 한계를 깨뜨릴 수 있을까요?
Qubit Robo는 Roadster가 SpaceX와 공동 개발한 고압 저온 가스 추진 시스템을 사용한다고 이전에 설명했습니다. 고온 가스를 생성하기 위해 추진제를 태울 필요가 없습니다. 주로 노즐을 통한 고압 가스의 신속한 방출에 의존하고 반력을 사용하여 차량을 추진합니다.
이러한 일련의 원리, 즉 작용력과 반력은 항공우주 분야에서 낯설지 않습니다.
차량에는 먼저 고압 가스 저장 시스템인 COPV가 필요합니다. COPV는 최대 10,000PSI(약 68.9MPa)의 압력으로 질소를 저장할 수 있습니다. 일반 승용차의 타이어 공기압은 대개 수백 킬로파스칼에 불과하며, 이는 두 배 정도의 차이입니다.
모라비가 제공하는 시스템 추력은 80kN을 초과하며, 이는 보다 친숙한 장치로 환산하면 약 8.2톤의 힘에 해당합니다.
——애프터버너를 켠 MiG-29 RD-33 엔진의 추력과 동일——퍼포먼스 버전은 약 1.6초 만에 0초에서 100초까지 가속되고, 스러스트 버전은 약 0.85초가 걸리며, 로켓 버전은 0.55초에 도달한다고 합니다.
이런 무시무시한 출력 성능은 사실 내연기관, 전기모터 등 전통적인 자동차 산업으로는 이룰 수 없는 일이다. 그 뒤에 있는 로켓 추진기의 도움을 받습니다.
추력을 결정하는 요소에는 가스 질량 유량, 노즐 구조, 가스 온도 및 압력, 밸브 개방 속도가 포함됩니다.
처음으로 관계자들은 시스템이 지상에서도 여전히 온라인 상태임을 분명히 밝혔습니다.
:이것은 그 뒤에 있는 폐쇄 루프 제어입니다. 즉, 상태를 측정하고, 편차를 계산하고, 제어를 적용하고, 피드백을 기반으로 지속적으로 수정합니다.
차량이 가속할 때 안정된 자세를 유지하려면 추력 작용선과 차량의 질량 중심 사이의 관계를 고려해야 합니다. 요(yaw)와 피치(pitch)도 제어하려면 서로 다른 방향의 노즐이 함께 작동해야 합니다.
그래서 추진 계획에는 차체 네 모서리에 있는 노즐과 요 제어를 위한 전면 노즐이 포함됩니다.
로켓 뒤집기를 예로 들면, 시스템은 먼저 로켓 본체의 현재 자세와 회전 속도를 결정하고 적용해야 하는 토크를 계산한 다음 해당 냉기 추진기 분사를 제어합니다. 로켓 본체가 회전하기 시작한 후 IMU는 계속해서 새로운 회전 상태를 피드백하고 컴퓨터는 이에 따라 분사 시기와 지속 시간을 조정합니다. 목표 자세에 접근할 때 시스템은 추력을 줄이고 필요한 경우 역 토크를 적용하여 로켓 본체의 속도를 늦추고 목표 각도에서 정지해야 합니다.
그러므로 프로펠러가 추력을 낼 수 있다는 것은 기본에 불과합니다. 실제로 로켓이 정확하게 뒤집히는 것은 제어 시스템이 로켓 본체의 상태를 지속적으로 측정하고 피드백을 기반으로 실시간으로 추력을 조정하는 능력입니다.
Roadster는 추진기를 사용하여 유사한 공중 자세 조정을 완료합니다. 제어 로직도 동일한 유형의 문제를 해결해야 합니다. 즉, 차체의 자세와 회전 속도를 실시간으로 결정하고, 다양한 위치에서 노즐을 조정하여 필요한 합력과 토크를 생성하고, 목표 자세에 도달하면 적시에 회전을 중지해야 합니다.
기본적으로 로드스터는 SpaceX와 동일한 기술적 기본 프레임워크를 사용하지만 차량 자체의 물리적 특성과 노즐 레이아웃을 기반으로 다시 적용되었다고 추론할 수 있습니다.
이쯤 되면 하늘을 나는 슈퍼카 로드스터의 프로펠러 하드웨어와 자세 제어 알고리즘의 뿌리가 밝혀졌다.
사람들은 일반적으로 이것이 로드스터의 모든 비밀이라고 생각했지만, Moravey가 방심하여 또 다른 검은 기술을 공개했습니다——
실체화된 지능의 핵심 구성 요소도 탑재되어 있습니다
얼핏 보면 좀 불안해 보이는데요.
로봇은 걷고, 서고, 자세를 조정해야 하는 반면, 자동차는 빠른 속도로 이동해야 합니다. 두 제품의 작업 환경은 매우 다릅니다.
그러나 액추에이터의 관점에서 보면 한 가지 공통점이 있습니다. 즉, 모두 기계 구성요소의 위치와 움직임을 정확하게 제어하고 부하가 변할 때 제때에 반응해야 한다는 것입니다.
휴머노이드 로봇의 다리 관절은 걷거나 점프할 때 순간적으로 엄청난 충격력을 견뎌야 합니다.
물론 높은 출력 밀도, 엄청난 토크 출력, 밀리초 수준의 응답이라는 장점을 가지고 있습니다.
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Tesla는 로봇의 핵심 구성 요소를 슈퍼카에 재사용했습니다. 이는 극도의 기계적 부하 하에서 제어 문제를 해결했을 뿐만 아니라 제품 라인 전반에 걸쳐 Tesla가 자체 개발한 기본 하드웨어의 궁극적인 재사용 가능성을 보여주었습니다.
첫 번째 적용은 리어 스포일러를 능동적으로 조정하는 것입니다
: 시속 200마일의 초고속 주행에서는 액티브 에어로다이내믹 리어 윙이 엄청난 바람 저항과 최대 수천 뉴턴에 달하는 다운포스를 견뎌야 합니다.그러나 일반 자동차의 소형 모터는 그렇게 큰 기계적 부하가 가해지면 자세를 빠르게 조정할 수 없습니다.
테슬라는 옵티머스 휴머노이드 로봇의 다리에서 높은 토크의 액추에이터를 직접 빌려 리어 윙을 강력하게 구동하고 기계식 브레이크 잠금 메커니즘(브레이크)을 추가해 리어 윙이 밀리초 단위의 정밀도로 높은 다운포스 모드(High Downforce Mode)와 로우 드래그 모드(Low Drag Mode) 사이를 전환할 수 있을 뿐만 아니라 극심한 공기 흐름 충격에도 단단히 고정될 수 있습니다.
두 번째 애플리케이션은
SpaceX의 냉기 주입 시스템을 제어하는 정밀 고압 가스 밸브
입니다. .내부 공기압은 10,000PSI에 달합니다. 밸브 자체의 유체 구조 설계는 사실상 SpaceX에서 파생되었지만 지상 환경에서는 밀리초 단위로 10,000PSI의 압력을 견딜 수 있는 가스 밸브를 밀어서 열고 정확하게 미세 조정해야 하며 이는 극도로 높은 구동 토크가 필요합니다.
그래서 Tesla는 고압 밸브의 개폐 및 스트로크를 제어하는 Optimus Leg Actuator를 다시 한 번 도입하여 초음속 제트 기류 및 벡터 추력을 정밀하게 제어할 수 있게 되었습니다.
Roadster 섀시와 Sanden에는 어떤 다른 혁신이 있습니까?
로켓 추진 장치와 로봇 액추에이터는 신선한 느낌을 주고 자동차 물리학의 한계를 뛰어넘는 역할을 합니다.
그러나 성능 기반은 여전히 전기 구동 장치, 섀시 및 타이어에 의존하여 이를 지원합니다.
섀시와 세 가지 전기 구성 요소에는 여전히 많은 혁신이 이루어졌습니다.
먼저 로드스터는 멀티모터 사륜구동이 아닌 후륜 듀얼모터 레이아웃을 사용한다. 공식적으로 공개된 총 전력은 1MW를 초과하고 토크는 1400N·m를 초과한다. 유성 기어 감속 메커니즘과 약 8.4:1의 감속비를 통해 차량은 왼쪽 및 오른쪽 뒷바퀴의 구동력을 독립적으로 조정할 수 있습니다.
이를 통해 코너에서의 전력 분배를 더욱 효과적으로 제어할 수 있습니다.
배터리 측면에서 로드스터는 4680셀, 알루미늄 셀 케이스, 양면 냉각 설계를 사용하며 약 800V의 고전압 플랫폼을 사용한다.
양면 냉각의 중요성은 비교적 간단합니다. 배터리 코어에 더 많은 열 방출 경로를 제공하면 열 전달 및 온도 균일성이 향상됩니다. 고성능 전기차의 경우, 고출력을 출력할 때 배터리와 전기구동장치에서 많은 열이 발생하고, 온도 조절이 시스템의 안정적 작동 여부에 영향을 미치기 때문에 이는 중요하다.
10분 충전의 경우 최종 효과는 배터리 용량, 충전 곡선, 주변 온도 및 충전 장치의 실제 출력 성능에 따라 달라집니다.
섀시는 또 다른 실제 문제에 직면해야 합니다. 성능이 급진적일수록 신체는 무게와 자세를 더 많이 제어해야 합니다.
기존 데이터에서 제시한 차량 중량 목표는 1700kg 미만입니다
; 트랙 모드 진입 후 서스펜션도 약 40mm 정도 낮추고 강성을 조절할 수 있다.하체와 더 단단한 서스펜션 설정은 차체 움직임을 제어하는 데 도움이 되지만 최종 성능은 여전히 전반적인 차량 튜닝에 의해 결정됩니다.
다음 단계는 Roadster의 가장 상상력이 풍부한 혁신인
액티브 공기역학
입니다. .자동차의 리어 윙, 섀시, 차체 형태는 주로 차량과 공기 사이의 상대적인 움직임에 의존하여 다운포스를 생성합니다.
속도가 높을수록 공기역학적 효과가 더욱 뚜렷해지므로
Roadster에는 조정 가능한 전면 윙, 측면 공기 편향 장치 및 액티브 후면 윙도 장착되어 있습니다.
, 다양한 속도와 주행 조건에 따라 공기 흐름을 조정하려고 합니다. 액추에이터는 앞서 언급한 구현 지능과 동일한 모델입니다.공식 성명에 따르면 차량은 200mph를 초과하는 속도에서 최대 약 2G의 다운포스를 얻을 수 있습니다.
그러나 여기서 2G는 다운포스와 차량 중량 사이의 관계를 설명합니다. 코너링 시 자동차가 2G 횡가속도를 견딜 수 있다는 의미로 직접적으로 이해될 수는 없다.
차량이 코너링할 수 있는 속도는 여전히 타이어, 노면, 서스펜션, 차량 제어와 같은 요인에 의해 제한됩니다.
능동적으로 조정 가능한 공기역학 키트는 고속 기류 하에서 성능 요구 사항인 '패시브' 그립 문제를 실제로 해결합니다.
그러나 로드스터는 저속에서도 더 강한 접지력을 원하며, 이는 차량 아래 팬 시스템으로 이어집니다.
Moravey는 섀시에 약 20kW의 팬 4개가 장착되어 있으며, 차량 아래의 공기 흐름은 독립된 스커트를 통해 제어된다고 밝혔습니다.
팬은 섀시 아래의 공기를 빨아들이고 자동차 바닥과 외부 세계 사이에 압력 차이를 만들어 차체를 도로에 밀어 넣습니다. 이 메커니즘은 차량 속도에 전적으로 의존하지 않기 때문에 이론적으로 저속에서 추가적인 다운포스를 제공할 수 있습니다.
그러나 팬 전력을 다운포스로 직접 변환할 수는 없습니다. 실제 결과는 압력차, 공기 흐름, 스커트 밀봉, 노면 상태 및 서스펜션 움직임의 영향도 받습니다. 팬은 또한 추가 무게, 에너지 소비 및 열 관리 부담을 가져오므로 액티브 리어 윙을 사용하는 방법은 전체 솔루션이 해결해야 하는 실제 문제입니다.
이러한 기술을 함께 살펴보면 Roadster의 아이디어는 더욱 명확해집니다.
전기 구동 시스템은 지속적인 동력 출력을 담당하고, 능동형 공력 구성 요소는 주로 고속 주행을 담당하며, 팬은 저속에서 다운포스를 보충하려고 하며, 냉기 추진 시스템은 단기적인 추가 추력을 제공합니다.
몇 가지 극단적인 시나리오에서 이러한 기술이 어떻게 함께 작동하나요?
먼저 가속 시작부터 살펴보겠습니다. 뒷바퀴에 달린 듀얼 모터가 노면으로 동력을 전달하는 역할을 하고, 냉기 추진 시스템은 단시간에 추가적인 추력을 제공하려 한다. 두 시스템은 가속 중에 차량의 제어할 수 없는 자세 변화를 방지하기 위해 출력 타이밍과 방향을 조정해야 합니다.
고속 코너링에서는 액티브 리어 윙과 차체 편향 구조가 작동하여 차량의 다운포스를 구축하는 데 도움을 줍니다. 또한 좌우 뒷바퀴의 독립적인 구동력 제어를 통해 차량 자세 조정을 위한 더 많은 공간을 제공합니다. 차량이 저속으로 작동하는 경우 언더바디 팬은 기존의 공기 역학을 보완할 수 있는 기회를 갖습니다.
고속 제동 후 코너링의 정점에 접근하는 과정을 다시 살펴보세요. 차량 속도가 감소하면 공기 흐름에 의존하는 리어 윙에서 생성되는 다운포스도 약해집니다. 팬 시스템은 이론적으로 이 단계에서 일정량의 흡착력을 계속해서 제공할 수 있습니다. 하지만 실제 주행에서 안정적으로 작동할 수 있는지 여부는 시스템 응답 속도, 스커트와 노면 간의 협력, 차량 제어 전략에 따라 달라집니다.
지상에서 단기간 이륙하는 경우에는 공조 추진 시스템이 단연 가장 눈길을 끄는 부분이다. 그러나 충분한 상향 추력을 생성하는 것은 차량을 지상에서 이륙하기 위한 전제 조건일 뿐입니다. 또한 차량은 피치, 요, 롤링을 제어하고 지면을 떠난 후 착륙 충격에 따른 자세 변화를 처리해야 합니다. 최대 추력 데이터만으로는 차량이 이 과정을 반복적이고 안정적으로 완료할 수 있는지 판단하는 것이 불가능합니다.
이러한 장면은 로드스터의 기술 솔루션이 단순히 여러 고성능 부품을 동일한 자동차에 탑재하는 것만이 아니라는 점을 보여줍니다. 다양한 구성 요소의 작동 시간, 제어 속도 및 작동 조건이 다릅니다. 이를 신뢰할 수 있는 차량 시스템에 통합하는 방법이 엔지니어링 구현의 핵심입니다.
한 가지 더
Q: 머스크의 방귀는 얼마나 강력한가요?
이제 공식 답변이 나왔습니다. 등가 추력은 8.1톤입니다.
그리고 라오마가 직접 확인한 공신력 있는 데이터입니다.
Roadster는 큰 히트를 쳤고 Qubit 독자들에게 매우 친숙한 딥 러닝의 3대 거인 중 하나인 LeCun을 포함하여 각계각층의 사람들이 이에 대해 논의했습니다. 그는 로드스터의 추진 방식의 효율성에 의문을 제기하고 직접 공격했습니다.
라오마는 이해가 될 만한 어떤 데이터도 제시하지 않았지만 직접적으로 다음과 같이 대답했습니다.
엉덩이를 날려버릴 것입니다
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테슬라의 공식 데이터에 따르면 이제 이 방귀의 추력이 8.1톤이라는 것을 알게 되자 레쿤은 반격을 가했습니다.
"이 방귀는 당신을 쓰러뜨릴 것입니다."
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