把航空航天技术装进一辆车,需要几步?

摘要

在很多人看来是「黑科技」的东西,最终也会走入大众,为人们带来普惠。

1980 年,一位美籍华裔博士所研究的航天技术得到了一次突破。

这位博士名叫唐鑫源,将在美国学习的高分子化学和太空服结合在一起,产生了一个绝佳的功能:可吸收储存 1400 毫升液体。

这个功能可以说是解放了所有宇航员。因为在此之前,宇航员的排泄问题一直困扰着无数人。

第一位上太空的加加林,登上发射架之前穿着宇航服尿在了汽车轮胎上;同年,美国首位宇航员谢泼德成为了人类历史上第一个在宇航服里尿裤子的人。这个尴尬的现象得以打破,宇航员也终于不用带着塑料袋排便了。

「尿不湿」之父唐鑫源 | 图源网络

高分子材料和太空服,这两样东西看着离我们日常的生活太远,可现在它以一个随处可见的产品展示在人们面前——尿不湿。仅 30 年左右的时间,一项用在宇航员身上的黑科技就被婴幼儿使用,科技传播的速度不可谓不惊人。

在科技界,英特尔创始人之一戈登·摩尔提出以自己命名的摩尔定律,意为集成电路上可容纳的元器件的数目每隔 18-24 个月便会增加一倍,性能也将提升一倍,且价格不变。

而在历经百年的汽车产业看来,航天技术一直像是拥有雄厚研发实力的高科技装备,可望而不可及。但这些科技却在历史发展中不经意间回到民用,加持在了汽车的创新功能中。于是,越来越多的航天科技开始落地,更重要的是他们找到了更多同属性的汽车产品,成为了汽车产业技术革新的「加速剂」。经过逐渐有序的引导,让这种落地速度不断加快。现在,航天科技的应用已经成为了汽车科技发展不可缺少的一环。


战斗机「点燃」HUD

1918 年,德国为了让飞行员更好地瞄准目标,在战斗机座舱正前方加装了瞄准具。这个反射镜瞄准具能够覆盖飞行员的平视视野,因此也被称为平视显示器或抬头显示器(Head Up Display,HUD),这是最早的 HUD 形态。

时间线拉到二战时期,20 世纪 40 年代早期,负责英国雷达开发的电信研究机构(TRE)将雷达显示界面投射到飞行员驾驶视线内,在夜间也可以瞄准,以便更好地操作飞机的同时观察和打击目标。由于其独特的光学结构,标记与目标的相对位置不会随观察角度改变有较大变化。

反射镜瞄准具的纵向横截面(1937 年德国战斗机搭载) | 维基百科

战争在一方面促进了科技的发展,另一方面,科技本身发展速度也在加快。二战之后,有了更先进的机载计算机的帮助,HUD 可以显示的信息也更加丰富。飞行员可以在 HUD 中读出飞机的各种状态,例如航向、航速、雷达提供的敌机信息等,HUD 可在飞行员视野中跟随敌机位置显示各种辅助符号。

1958 年,英国皇家海军首次在 Blackburn 舰载攻击机上将高度、空速、枪瞄准、炸弹瞄准集成在一台显示器中,并通过 HUD 投射到飞行员视野内;同年,美国海军的 A5 Vigilante 攻击机实现了搭载能够为驾驶员提供丰富信息的 HUD 系统的量产,这才算是我们现在常说的 HUD 系统的初代完整形态。

一般来讲,我们把 HUD 系统分为四代,第一代 HUD 系统使用阴极射线管(CRT)显示器在荧光屏上生成图像。很多 HUD 系统目前仍在使用 CRT 显示器,而它的缺点在于,荧光屏涂层的质量会随着时间的推移而下降。

当战斗机普及 HUD 之后,商用飞机也渐渐开始启用。1975 年由法国达梭飞机公司首先使用在 Mercure 飞机上面率先安装 HUD 系统;到了 70 年代末,美国一些飞机生产商干脆把 HUD 作为标配系统装在了客机上。

20 世纪 90 年代飞机上的 HUD 显示器 | 维基百科

在商用飞机之后,HUD 技术得到了成熟的认证,越发快速地探入寻常百姓家。

1988 年,HUD 第一次登上了汽车的舞台。通用把 HUD 作为一项安全驾驶辅助配置安装在 Cutlass Supreme 车型上。

         1988 年推出的 Cutlass Supreme 成为了首辆搭载 HUD 的汽车 | 维基百科

在当时,汽车上的 HUD 系统可以说是黑科技配置,尽管最开始采用的是战斗机的 HUD 显示技术,仅能显示时速信息,并且颜色单一,但它出现的意义重大,1918 到 1975,再到 1988 年,长达 70 年的 HUD 技术发展经历了完整的三个阶段,开始向汽车方面进攻。

与飞机一样,驾驶汽车时如果用平视取代低头看到仪表盘上的信息,司机会更加集中注意力,这是 HUD 的天然优势之一。

然而,应用光学折射原理的 HUD 系统虽然能够达到平视,但显示内容单一,且位置靠近司机视线前端,需要司机的眼睛在近处对焦,时间一长容易造成视觉疲劳。

因此,W-HUD 和 AR-HUD 成为了目前最适合的替代产品。前者使用汽车的挡风玻璃为显示设备,显示效果更为一体化,可以将显示数据的焦距调整为无限远。这样,驾驶者长时间使用对视觉不会造成疲劳。

         大陆推出的 HUD 产品 | 大陆官网

AR-HUD 则是 AR 技术的延伸应用,导航时可以直接将信息显示到 HUD 上,并融合实际的路况场景进行显示,更加形象生动。对于厂商和消费者来说,这两种方案成本略高,且技术并不成熟,目前还没有被车企大规模应用。

         AR-HUD 导航 Demo | 图源网络


两条时间线「引爆」导航系统

相比 HUD,定位系统的出现则要更晚一些,但应用的速度反而更快。

20 世纪 60 年代,GPS 系统就开始投入使用。第一个卫星导航系统是 Transit,这是美国军方部署的系统。Transit 的操作基于多普勒效应:卫星在固定的路径上行进并在固定的无线电频率上广播其信号。由于重力场和雷达折射等变化,卫星轨道位置会有一些误差。卫星相对于接收器的移动,接收频率将与广播频率略有不同。1970 年至 1973 年,佛罗里达州航空航天部团队解决了这些问题,使用实时数据同化和递归估计,将系统误差和残差误差缩小到可管理的水平,以允许精确导航。

GPS概念图 | 维基百科

卫星导航的最初动机是用于军事应用。卫星导航可以精确地向目标运送武器,大大提高了杀伤力,同时减少了误导武器造成的无意伤亡。在 20 世纪 80 年代早期,有多颗精确导航的卫星,大多涉及军事用途。但直到 2000 年,精确的 GPS 导航才开始向公众开放。

值得注意的是,自 20 世纪 80 年代初以来,公共可用的 GPS 设备已经存在。但军方增加了对信号的干扰,以确保他们的版本是唯一可以用于任何精度的版本。经过四年的审议,当时的美国总统克林顿于 2000 年签署了一项法案,要求军方停止争夺平民使用的卫星信号。这使得已经存在的定位系统的准确度立即提高了 10 倍,并为后来导航系统的繁荣定下了基础。

自 1978 年以来,有超过 50 颗卫星进入轨道 | 维基百科

从 2000 年的时间点回头看,其实汽车在卫星导航出现之前就开启了尝试,尽管现在看来这些方法很拙劣,但也有它相应的应用价值。

比如第一个在汽车上出现的导航系统——Iter Avto。这是一个「地图引导工具」,没有卫星,没有语音提示,甚至没有方向。它是 20 世纪 30 年代的产物,主界面是一张纸质地图,通过显示器,也就是一个框来滚动纸质地图卷轴,并连接到速度计的电缆控制滚动速率。这套导航系统的优势在于,如果你标记对了起点位置,它在路上总是能给出车辆所在的准确位置。缺点在于,换一条路的时候,就要拿出一套对应新路线的卷轴。

         第一个在汽车上出现的导航系统——Iter Avto | 图源网络

80 年代,本田推出的 Electro Gyro-Cator 导航装置被看作是第一个真正的导航工具。它的内部搭载了一颗小型氦气陀螺仪,只要手动标记好起点和方向,6 英寸的单色屏幕上就会显示出车辆所在的位置。问题在于,这套装置太贵了,2750 美元,是车辆本身价格的 25%。

         Electro Gyro-Cator | 图源网络

从 Electro Gyro-Cator 起,丰田、马自达、通用、Garmin 都在 80、90 年代推出了自己的导航定位系统,甚至有些已经使用上了卫星定位,但由于美国政府在 2000 年之前故意限制 GPS 功能,才有了这个时间点的交集。

此后,卫星定位导航技术只能用突飞猛进来形容,用一个智能手机就能获取精确的交通信息,成为了无数司机的首选。

从航空航天发迹,逐渐应用到汽车领域的例子还有很多。这个大号移动空间产品搭载的功能与航空航天技术的结合,可能要比其他领域更紧密一些。尤其在智能汽车时代,智能网联、智能驾驶、材料轻量化等层面都可以为汽车带来全新的体验,诸如线控技术、ACC 自适应巡航与碳纤维材料,均是航天领域经过成熟应用带来的便利。在很多人看来是「黑科技」的东西,最终也会走入大众,为人们带来普惠。

而从以上两个例子,不难看出科技发展、下放到大众的速度越来越快。HUD 从一战就开始出现雏形,直到 1988 年才应用到第一辆汽车内;卫星定位 60 年代才正式投入使用,80 年代已经搭载在汽车上供消费者们解决刚需问题。

速度成为了汽车技术发展的其中一项标准。在世界各国大力发展航天科技的阶段,中国航天也不例外,甚至直接与汽车品牌合作,争取用最快的速度达到助力作用。

2019 年 4 月 24 日「中国航天日」,WEY 品牌与中国航天基金会、中国运载火箭技术研究院正式签署战略合作协议,汽车品牌首次成为中国航天事业合作伙伴,达成中国首次海上发射合作伙伴关系,同时将今年进行海上发射的验证火箭命名「CZ11-WEY」号,也是长征系列运载火箭首次与企业品牌联名命名。 

         WEY 品牌与中国航天战略合作 | 现场拍摄

同时,中国航天与中国汽车首次联手打造的「联合技术创新中心」, 旨在促进彼此领域尖端技术的相互融合。二者将联手把用在航天的技术融合进汽车内,双方科研技术打通,助力航天事业发展的同时,也将技术逐步应用于 WEY 品牌后续产品中。 

         中国航天与 WEY 合作达成的四个「首次」 | 现场拍摄

具体到产品应用方面,WEY 将结合航天科技的空气动力学,为车辆带来更低的风阻系数,以提升燃油经济性;同时借鉴航天安全结构设计的流程、经验及标准,从安全结构设计、整车安全试验验证等多方面开展技术合作,从航天安全结构设计中汲取经验,以此提升 WEY 品牌车型安全性能。 

         WEY成为中国航天事业合作伙伴 | 现场拍摄

当前,航天技术应用在汽车上已经不是一件新鲜事,但对国产品牌来说,这个领域还有很长的路要走。WEY 与中国航天的合作算是一次典型的「互补」,弥补了汽车行业的一些创新,也在某种程度上减少了科技从一个产业到另一个产业的过渡层级。

而在未来,我们可以预见到的 5G、自动驾驶、智能汽车等一系列科技的结合,会不会与导航定位系统一样,创造出一个能让历史铭记的时间点?

答案呼之欲出。但首先我们可以确定的是,国产品牌之间的合作,势必会让科技「落地」的时速飙增,成为一股不可忽视的「中国力量」。

此次「中国力量」的彼此携手,就展示了双方对于技术融合发展的信心,相信过不了多久,我们就能见证一项科技的「中国速度」。

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