加装火箭推进器的特斯拉Roadster,打破了地表极限

汽车之心

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· 2020.06.30

特斯拉是如何实现百公里加速 1.1 秒的?

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加装火箭推进器的特斯拉Roadster,打破了地表极限

00:00 06:57

文丨汽车之心(微信 ID:Auto-Bit),作者丨叶方,编辑丨王德芙

几天前,一段添加了特效的新款 Roadster 加速视频在国外的社交网站火了起来。

安装了 SpaceX 低温气体助推器的特斯拉新超跑,居然将本就相当恐怖的 0-60 英里/小时(即百公里加速)成绩从 1.9 秒刷到了极度惊人的 1.1 秒!

坐在百公里加速 1.1 秒的车上,你的感受可能是这样的:

凭借 SpaceX 的推进器,新款 Roadster 毫无疑问能拿到全球加速最快量产车的头衔。

即使没有这个变态的升级包,1.9 秒的加速成绩也能让它跻身世界最快跑车的行列。

好奇的你,可能还想知道:特斯拉是如何实现百公里加速 1.1 秒的?

图片来源: Engineering Explained | YouTube

图片来源: Engineering Explained | YouTube

最近,油管博主 Engineering Explained 利用牛顿力学的基本原理揭开了这背后的秘密。

事先声明,本文的结论并非臆想,而是基于 Elon Musk 不时在推特上透露的各种信息综合而来。

1、重量比 Model S 还轻?

众所周知,加速与车重、轮胎、动力等息息相关,那我们先来弄清楚新款 Roadster 到底多重。

需要注意的是,Roadster 肯定不会像传统内燃机超跑那样减重到 1 吨左右,毕竟这款车带着大电池。

要计算出 Roadster 的车重,我们得依靠已知的几个数据,比如基础版 0-60 英里/小时 1.9 秒的加速能力以及 10000 N·M 的轮上扭矩。

在这里,我们要用到一个物理学公式:F = m x a。

其中,F 代表力,m 代表车重,a 代表加速度。

先来算算加速度:

60 mph=26.8 米/秒,鉴于其 0-60 加速只需 1.9 秒,因此 26.8=a x(1.9),由此推导出 a=14.1 m/s²,换算成 G 值则为 1.44。

知道了加速度 a,我们下一步要计算出 F。

在这里,我们要用上另外一个物理学公式,即 T = F x r。

其中,T 为轮上扭矩,F 为轮上牵引力,r 为轮胎半径。

从曝光的原型车图片来看,Roadster 前轮规格为 265/35 R20,而后轮则是 325/30 R21。

通过计算可得出其轮胎平均直径为 710 毫米(28 英寸),所以这里的 r 为 355 毫米。

将数据套入公式,即 10000 N·M=F(0.355),最终得出 F=28170 N。

接下来,我们就能算出车重了,带入上面所得数据可得 28170 N=m(14.1 m/s²),因此 m 车重约为 2000 公斤。

不过,想想搭载 100 kw 电池的 Model S,这个车重好像又有点不对。

因为性能版的 Model S 续航只有 350 英里(车重 2240 公斤),而 Roadster 官方则宣称有 650 英里续航。

至于 Musk 到底用了什么黑科技,可能要等量产上市后的拆解了。

2、SpaceX 推进器有多狂?

SpaceX 推进器的安装位置

SpaceX 推进器的安装位置

说完了车重,我们开始进入正题,讲讲 SpaceX 推进器。

作为一台超跑,Roadster 自然舍弃了两个后座,而腾出的空间则留给了高压气罐,里面的气体压力高达 10000 psi,车辆周围则设置了 10 个助推器。

那么,这套推进器的工作原理是什么呢?

原来,车里设置了一块专用电池来驱动泵,而泵则负责控制高压气罐,需要的时候就能通过助推器喷出高压气体,助推车辆提速。

现在问题来了,选装包的助推器能为车辆加速提供多大力?

要解释这个问题,我们需要用到另一个公式——F=G x ISP x m。

其中,F 代表火箭推力,G 是重力值,ISP 为比冲,而 m 则是质量流率。

鉴于公式里有 4 个变量,因此找到其中 3 个就能解开谜题。

但可惜的是,我们只知道重力值(9.81)。

从技术角度来讲,ISP 值主要基于设计和燃料。

一般来说,宇宙飞船的比冲可达 350s(用了化学燃料),而低温气体助推器最大则为 70s 左右(氮气最大为 73s)。

所以,这里的 ISP 我们暂时用 70s 来代替。

现在,想算出 F 值就差 m 一个变量了。

Musk 曾发推文表示,SpaceX 推进器开启的时候,能让 Roadster 保持悬浮状态。

所以,其推力至少等于车重乘以重力值,即 2000 公斤乘以 9.81 m/s²,也就是 20000 N。

当然,要想算上驾驶员和行李等,推力就得更大一些。假设为 21000 N,其向上的 G 值为 1.05。

3、突破轮胎瓶颈

那么,马力无限大就能加速快吗?

当然不是,一切还得看轮胎的抓地力,而火箭助推就没这个烦恼了。

说了这么多,我们还是先来算算加了 SpaceX 推进器的 Roadster 为什么能在 1.1 秒完成 0-60 mph 加速。

还是之前的公式:26.8=a x 9.81 x(t)。

这里的 a 为 1.44+1.05,因此 t(时间)为 1.1 秒。如果推进器超过 25000 N,那么其加速就能跑进 1 秒之内。

对于一辆超跑来说,速度能加的起来就得能刹得住。

借助火箭反推的话,Roadster 是不是刹车就更有信心了?

当然是。

目前刹车最强悍的保时捷 911 GT2 RS,60-0 mph 的刹车距离为 27 米。

经过计算,有了火箭反推助力的 Roadster 能在 14 米内稳稳的停下来。

是不是很疯狂?

4、一罐高压气体能助推多久?

那么,要实现如此强悍的性能,Roadster 的高压气罐里得存多少气体呢?

这里还是要用到 F=G x ISP x m 这个公式,推导出 m 为 30 公斤/秒。

也就是说,想用上火箭助推,每秒就要喷出 30 公斤的气体。

显然,一罐气最多也就够 Roadster 维持一两秒时间,毕竟它消耗太猛了。

如果想维持十几秒,那么车辆增重就会抵消一部分加速性能了。

当然,无论这个 SpaceX 推进器是否是炫耀专用,它对极限的冲击都让我们心生敬佩。

2017 年,特斯拉首席设计师 Franz von Holzhausen 试驾第二代 Roadster 原型车

2017 年,特斯拉首席设计师 Franz von Holzhausen 试驾第二代 Roadster 原型车

欧洲巨头们折腾了一百年的加速性能,被特斯拉在几年内彻底碾压,而且提升的还不止一点点——Roadster 的这个记录,几乎将最强性能车的成绩提升了一倍。

参考资料:

https://www.youtube.com/watch?v=4PRi4B1APj0&feature=emb_title

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