Олег Мушинский. Размышления о шагоходах



Вернуться к содержанию номера: «Горизонт», № 8(10), 2020.


Опыт холиваров на тему «шагающие роботы» показывает, что практически всю конструктивную критику по этому вопросу можно свести к трем базовым пунктам. Остальное — либо вкусовщина, либо специфические детали, относящиеся к конкретной конструкции, а не ко всей концепции в целом. В рамках фантастического произведения подобные вещи можно опустить или разрешить, введя фантастические допущения, не имеющие ключевого значения для сюжета в целом.

Соответственно, для создания реалистичного образа необходимо создать такой образ, который бы выдерживал критику по всем трем пунктам. Рассмотрим их последовательно:

1. Удельное давление на грунт

Есть такое понятие, как «удельное давление на грунт». Оно характеризует силу, с которой объект давит на грунт под ним. Чем выше этот параметр, тем больше вероятность провалиться сквозь землю самым буквальным образом. Именно поэтому все танки и прочая тяжелая техника поставлены не на колеса, а на гусеницы. Рассчитывается удельное давление очень просто:

УдельноеДавление = МассаОбъекта / ПлощадьОпоры (кг/см2)

Когда масса объекта велика, приходится увеличивать площадь опоры. В случае с ногой-опорой все происходит наоборот. Вот как пишет об этом Злобный Ых в статье «Ошибки и штампы в фантастике»: «Конечно, удобно, когда вездеход может переступить через поваленный ствол. Но что толку, если он провалится по уши в болотистую землю задолго до того, как доберется до препятствия?»

Соответственно, текущая задача сводится к тому, чтобы не уступить в проходимости колесно-гусеничной технике. Какое удельное давление будет для этого необходимым и достаточным? Логично утверждать, что такое, каким обладают известные нам серийные образцы этой же самой техники. Для конкретно данного случая в качестве точки отсчета я взял военную бронетехнику первой половины ХХ века. Во-первых, она проверена временем, что отбрасывает необходимость обосновывать ее реалистичность. Во-вторых, для более поздних образцов параметр «удельное давление на грунт» часто не указывается.

Любопытная деталь: в Англии в начале ХХ века танки подразделялись на мужские (male) и женские (female) модели. Мужские модели были с пушкой (а как же иначе!). Женские модели имели только пулеметы.

В таблице приведены характеристики легких и средних танков, делом доказавшие свою проходимость:

МодельСтрана-производительВес (кг)Удельное давление на грунт (кг/см2)
Pz.Kpfw IIГермания89000,62
БТ-2СССР113000,64
Т-34 (образец 1941 г.)СССР265000,62
М.1931 (Т.3) «Кристи»США105000,59
М3 «Стюарт»США127000,60
LT vz.35Чехословакия105000,51

В рамках создания задуманного образа нет необходимости превосходить их, чтобы вытеснить конкурентов. Достаточно им соответствовать, чтобы у обитателей вымышленного мира не возникло желания поискать более практичные средства передвижения и между делом изобрести колесно-гусеничную технику. Как видно из таблицы, для решения поставленной задачи необходимо и достаточно обеспечить удельное давление на грунт порядка 0,60 (кг/см2). Первый параметр уравнения найден.

Реально важное замечание! Шагающий механизм не просто опирается на две-четыре опоры. Он именно шагает, то есть поднимает половину опор в воздух, и его вес опирается на вторую половину. Это значит, что рассчитывать удельное давление надо именно на половину, а вовсе не на полный комплект ног.

Изначально в качестве второго параметра я взял вес советского танка БТ-2. Искомая площадь опоры находится по формуле:

ПлощадьОпоры = МассаОбъекта (кг) / УдельноеДавление (кг/см2)
ПлощадьОпоры = 11300 / 0,60 = 18833 (см2)

Предположим, что опора имеет в сечении квадрат. Тогда его сторона равна:

СторонаКвадрата = корень квадратный из 18833 = 1,37 м

Таким образом, чтобы поставить на две ноги танк БТ-2, ему потребуются две ноги-опоры, каждая из которых будет иметь квадратное основание стороной 1,37 м. Если вытянуть стопу вперед, то можно сделать ее более узкой.

Взяв за основу идею, что стопа шагающего механизма имеет площадь 1 м2, и подставив ее в ту же формулу, получим следующее:

Масса объекта = 100*100*0,6=6000 (кг)

Предельная масса двуногой машины составит 6 тонн.

Предельная масса четвероногой машины составит 12 тонн.

Для сравнения: вес грузового автомобиля лежит в диапазоне от 2 до 5 тонн. К примеру, ЗИЛ 130 весит 4,3 тонны. Грузоподъемность тех же автомобилей лежит в диапазоне от 1,5 до 6 тонн (у того же ЗИЛ 130). Сумма максимальных значений дает 11 тонн, то есть не превышает лимита, рассчитанного для четвероногого шагохода.

Таким образом, двуногий шагающий танк на выбранной основе собрать не получается. А вот легкую бронемашину либо столь же легкий транспорт — вполне. Четвероногая шагающая машина весом 12 тонн уже близка по массе к легким танкам. Учитывая, что массивные опоры сами по себе массивнее колес и гусениц, можно положить на саму машину порядка 10—11 тонн массы.

Подытоживая вышеприведенное, можно сформулировать следующие параметры для шагающих машин:

— Двуногая. Общий вес 6 тонн. Две опоры имеют стопу площадью 1 м2. Используется как легкая бронемашина или столь же легкий транспорт. С учетом приключенческого жанра это, скорее всего, транспорт полицейских и пиратов.

— Четвероногая. Общий вес 12 тонн. Четыре опоры, шагающие парами. Стопа, как и выше, имеет площадь 1м2. Думаю, эта часть ноги может стать взаимозаменяемой, что, в свою очередь, подразумевает стандартизацию. Машина более тяжелая, но менее маневренная. Танк либо тяжелый транспорт.

Учитывая соотношение массы с реальными объектами нашего мира, думаю, будет целесообразным взять и соизмеримые размеры. Для четвероногой машины это будут параметры крупного грузовика (плюс опоры): 7—10 метров в длину, 3 метра в ширину и 3 метра в высоту.

Американские разработки 1973 года (автор — Ральф Мошер), сделанные для правительственного проекта: в 1970-х США задумались о шагоходах всерьез

2. Сложность полевого ремонта

Всякий механизм рано или поздно ломается, причем это всегда происходит не вовремя, вдали от ремонтных центров или вообще на поле боя. Таким образом, задача формализуется в следующем виде: поломку ходовой части необходимо устранить силами экипажа в условиях, когда оперативное прибытие помощи маловероятно, а само ее ожидание нецелесообразно.

Критика в этом направлении сводится к тому, что порванную гусеницу у танка экипаж в состоянии починить прямо на поле боя с помощью кувалды и той самой матери. Починить сломанную ногу шагающего танка в тех же условиях — задача более нетривиальная. Чтобы не распыляться, исключим из рассмотрения ситуации, когда:

а) Произошла поломка других узлов машины. Отказ двигателя одинаково остановит и гусеничную, и шагающую машину.

б) Поломка фатальна. Если ядерный фугас оторвал машине ноги, а экипажу головы — уже не до ремонта. Восстановительные работы а-ля «нанотехнологичный феникс восстает из груды радиоактивного пепла» тоже лежат за пределами принципиальных различий гусеничной и шагающей техники.

Ремонт, как справедливо отмечал М. Жванецкий, — это не действие, это состояние. Состояние имеет протяженность во времени, которую можно условно разделить на два отрезка: до следующего ремонта и во время ремонта.

Первый отрезок характеризует период, который в среднем прослужит среднестатистический экземпляр в типичных для него условиях до поломки. Чем он длиннее, тем, понятное дело, лучше. Второй отрезок — это время, в среднем расходуемое на ремонт механизма. Тут, напротив, чем короче, тем лучше. В общем, интуитивная формула: ломаться пореже, чиниться побыстрее.

Если только это не происки гремлинов, то никакой механизм не ломается весь вдруг. Как правило, из строя выходит самое слабое звено. К сожалению, в добротной конструкции сразу не очевидно, какое именно звено слабое. Нередко бывает так, что на поиск сломанного узла уходит половина всего времени ремонта. На этом основании цепляем к рассуждениям не новую, но по-прежнему полезную мысль: чем больше узлов в механизме, тем сложнее с ним управляться как до, так и во время ремонта.

Стало быть, для нашего фантастического механика, оказавшегося один на один посреди пустыни со сломанной механической ногой его шагохода, предпочтительнее простая конструкция, разделенная на несколько четко выделяемых узлов. С другой стороны, маневренность шагающей машины зависит от того, насколько свободно двигаются ее ноги. Компромиссом здесь становится целесообразность. Круто, если шагающий робот может станцевать твист, но лучше оставить этот трюк для его водителя. Учитывая, что ноги сами по себе сложнее колеса, реалистичность будет лежать в направлении упрощения, пусть даже в ущерб каким-то красивым изыскам.

При этом также следует учесть, что шагающий механизм не должен заваливаться при внезапной остановке с поднятой ногой. Это будет драматичным моментом не только для героев, красиво падающих в кабине, но и для автора, создавшего мир, игнорирующий технику безопасности.

Да и не только в ТБ дело. Ведь упавшую машину после ремонта надо будет поставить обратно на ноги, чтобы продолжить движение, а с учетом рассчитанной в первой части массы в 6—12 тонн могучим движением плеча поднять такую махину никак не получится. Персонаж, способный кантовать конструкцию такого веса, в шагоходе в принципе не нуждается, он его груз на плече унесет и не станет возиться с поврежденной опорой.

Таким образом, при выходе из строя одной ноги машина должна свободно стоять на другой (других). Четвероногая теоретически при повреждении одной ноги может кое-как продолжить движение на трех, используя нерабочую ногу чисто как опору. Все это приводит к мысли о необходимости использования прочных, толстых, возможно тумбоподобных ног.

Они более прочны, что уменьшает их шансы стать слабым звеном на плохой дороге, и способны выдерживать вес всей конструкции в одиночку в течение времени, достаточного для полноценного полевого ремонта. Для уменьшения веса с одновременным повышением прочности возможно использование гофрированной конструкции или иных технических изысков, но суть от этого не меняется. Нога сама по себе является единой прочной конструкцией такой массы, что экипаж в состоянии заменить поврежденную ногу-опору на исправную своими силами.

Возвращаясь к теме в целом, система должна содержать минимум узлов. Каждый из них можно поменять в полевых условиях на аналогичный узел или починить до такого состояния, чтобы добраться до ремонтного центра. Интересным решением в этом ключе видится машина, изобретенная российским математиком Пафнутием Львовичем Чебышевым.

Марка памяти Чебышева. Нет, это не даты жизни (умер он в 1894 г.), просто она выпущена к 125-летию со дня рождения. Растительность на лице академика в духе времени «доработана» на крестьянский манер: судя по всем сохранившимся портретам и фотографиям, при жизни он носил гораздо более короткую и аккуратно подстриженную бородку…

Это первый в мире шагающий механизм, который сам создатель назвал «стопоходящей машиной». Машина получила всеобщее одобрение на Всемирной выставке в Париже в 1878 году, что позволяет считать проект однозначно признанным. Соответственно, наработки Чебышева в этой статье считаются аксиомой и не требуют дополнительных обоснований.

В основу машины положен разработанный ученым лямбда-механизм. Два неподвижных шарнира и три колена равной величины имеют в соединении вид, подобный греческой букве лямбда. Отсюда и название. Сразу, кстати, следует отметить, что и в современных разработках шагающих машин активно используется лямбда-механизм или его вариации.

Принцип движения опять же прост: незакрепленный шарнир ведущего звена вращается по окружности, при этом ведомый верхний шарнир описывает траекторию, похожую на профиль шляпки гриба. Нижнему краю «шляпки» соответствует точно половина (и это важно!) времени движения ведущего звена по окружности. Далее к механизму цепляется нога со стопой (та самая единая прочная конструкция, о которой написано выше), к оси в противофазе — вторая, и пошагали. Модель Чебышева имеет 4 ноги, где механизм первой пары ног является зеркальной копией второй. Фазы вращения согласовываются дополнительными звеньями. Вся система располагается на общей платформе.

Поскольку лучше один раз увидеть, чем сто раз прочесть, то вот ссылка на ролик с действующей моделью:

http://www.youtube.com/watch?v=xUSZ-SIyFp8

Принцип действия раскрыт наглядно.

Для текущего случая стоит обратить внимание на два момента:

а) Механизм каждой ноги состоит из трех прямых секций, пяти шарниров и собственно самой ноги-опоры. Между парой ног — вал, больше похожий на огромный барабан. Плюс система шестеренок, организующая согласование фаз вращения с валом другой пары ног. Скорее всего, слабым звеном здесь окажутся подвижные части, особенно шарниры. Их замена с помощью кувалды и все той же матери представляется вполне реалистичным делом для опытного механика.

б) Интересна стопа, предложенная Чебышевым. Она имеет в сечении прямоугольник, но направлена вовнутрь, к другой стопе. Во-первых, повышается площадь опоры по сравнению с квадратом. Во-вторых, возможно введение дополнительных ребер, повышающих прочность самой опоры, не увеличивая при этом габариты машины. В-третьих, в случае полевого ремонта стопа, размещаясь под корпусом, понижает вероятность того, что шагоход кувырнется на бок. В чистом виде машина Чебышева вообще может устойчиво стоять на трех ногах.

Таким образом, «стопоходящая машина» обеспечивает все требуемые параметры этого пункта. Шагающий механизм прост и потому надежен. Минимизация количества узлов упрощает ремонт и сводит к минимуму поиск неисправного узла. Устойчивая конструкция позволяет стоять на месте продолжительное время, достаточное для замены поврежденного узла. Массивность и монолитность самих ног при этом делает их малоуязвимым объектом. Врагу придется постараться, чтобы разрушить такую ногу. Если же он все-таки преуспеет, то замена ноги сводится опять же к работе с одним из шарниров, креплениям и той самой матери, которая потребуется для перемещения в пространстве запасной ноги-опоры силами экипажа.

Модель машины Чебышева, хранящейся в Музее истории СПбГУ
Тачка с чебышевским «шагоходом» вместо колеса

Вернемся ненадолго к вопросу о функционировании в период «до следующего ремонта». Для шагохода это функционирование заключается в том, чтобы шагать. И как далеко он ушагает, зависит от его скорости.

Взяв за основу заданные в первом пункте параметры и положив их на шагоход в стиле «стопоходящей машины», мы увидим, что длина шага вперед равна половине длины корпуса. В первой части мы определили эту длину равной 7—10 метров.

Сделаем расчет для минимального значения, поскольку увеличение корпуса повлечет увеличение всего механизма, что скажется на массе конструкции. При корпусе в 7 метров величина шага составит 3,5 м. Предположим, что наш шагоход бодро переставляет ножками, делая по одному шагу в секунду. Модель движется несколько медленнее, но для чистоты картины введем такое допущение:

3,5 * 60 * 60 = 12,6 км/час.

В фантастическом произведении можно слегка завысить параметры и вести речь о скорости порядка 15—20 км/час. Не погоняешь! С другой стороны, и шанс налететь со всего ходу на что-то, способное повредить массивную ногу-опору, невелик, что, опять же, повышает время жизни механизма.

Существует и другой тип конструкции, позволяющий многократно повысить вес шагающей машины без ущерба для дела. Он сводится к тому, что массивная машина по сути лежит на брюхе и, опираясь на ноги, переползает вперед. Этакий механический крокодил. По массе его показатели впечатляют. Так, на Уралмаше (г. Екатеринбург) был создан монстр весом в 4000 тонн. Однако его реальная скорость передвижения составляет всего 60—80 м/час. Именно метров в час! Паспортные данные обещают разогнать махину до 200 м/час, но в целом при любом раскладе он еле ползает. Не успеет к месту действия до финала, хотя его меньшие собратья вполне могли бы занять свою нишу в придуманном мире, обеспечивая поставки не скоропортящихся грузов.

3. Избранность

Этот пункт, в отличие от первых двух, встречается редко, но только потому, что и их хватает для разгрома неудачного проекта. Соответственно, если созданный с учетом первых двух пунктов шагоход выдержит первую волну критики, есть большая вероятность того, что во второй волне этот вопрос возникнет. Лучше разобрать его заранее.

Первоосновой постановки задачи является опробованный в тех же сетевых спорах мотив: шагающий танк плох, потому что он может быть уничтожен бесстрашным гранатометчиком. Сам по себе аргумент несостоятелен (см. следующий абзац), но он порождает всю дальнейшую логику рассуждений.

Уничтожить незадорого можно все. Танк, самолет, корабль. Человеку ведь мало сгубить ближнего своего, ему еще хочется на этом сэкономить. Тот же танк можно вывести из строя обычной гранатой. Тем не менее танки продолжают не только производить, но и выпускать на поле боя. Хотя, как утверждается, танк на поле боя живет минуты. Дело в том, что за эти минуты он может выполнить поставленную задачу и ради этой цели им не жалко пожертвовать. Война — это тоже бизнес. Мы вам танк, вы нам — линию обороны.

Отсюда промежуточный вывод: пригодность техники определяется не ее неуязвимостью (существуй такая несокрушимая машина, давно бы только ее и использовали), а ее ценностью относительно решаемой ею же задачи. Если сгоревший танк дешевле взломанной линии обороны, мы выиграли.

В этих рамках напрашивается следующий вывод. Уникальные боевые машины обходятся слишком дорого. Для них сложно получить запчасти, их участие в каждой акции надо просчитывать отдельно, им сложно быстро организовать поддержку из того, что оказалось под рукой. Типовая штамповка с конвейера, неотличимая от тысяч других своих собратьев, этими недостатками не обременена. И если она способна решить ту же задачу, то от уникальной модели откажутся моментально. Штамповка дешевле.

Поэтому в ситуации, когда шагающие роботы докажут свою эффективность, их будут штамповать пачками. Уникальной машину сделает ее экипаж. Вариант производства небольшой элитной группы шагающих роботов может прийти в голову начинающему фантасту, но никак не кадровому военному или администратору инопланетной колонии. Там, где не выручит качество, выручит масса. Там, где не пробьется один танк, пойдут десять.

Окончательный вывод: уникальный шагающий робот может существовать только как прототип на испытаниях. Далее либо он докажет свою полезность и пойдет в серийное производство, либо провалится и пойдет на свалку. Как говорили латиняне, «tertium non datur» — «третьего не дано».

Таким образом, шагоходы в создаваемом мире широко распространены и активно используются всеми, кто может создать или приобрести подобную конструкцию. Есть дорогие элитарные машины, и есть «рабочие лошадки». Их много, и они столь твердо удерживают свою нишу, что у обитателей мира не возникает даже мысли поискать им замену.

Подбивая итоги

Никому не нужен танк сам по себе, каким бы уникальным, многоногим и замечательным он ни был. Нужна машина, решающая конкретную типовую задачу. Именно типовую, поскольку внезапно возникшая нештатная ситуация решается один раз и тем, что есть под рукой.

Какие задачи стоят перед шагоходом? Все они так или иначе проистекают из его проходимости, превосходящей проходимость колесно-гусеничной техники.

Высокая проходимость шагоходов позволяет игнорировать задачу строительства высококачественных дорог между поселениями, сэкономив значительные средства на их прокладке и поддержании в рабочем состоянии. Это становится особенно актуально в условиях агрессивной среды: по земле бродят живые мертвецы и прочие буйные триффиды, а сама земля заражена какой-нибудь химической/биологической гадостью. Подобное сообщение вполне позволяет обмениваться грузами, но объем современного мегаполиса, ежедневно засасывающего целые железнодорожные составы аки пылесос, шагоходы не перетаскают.

Стало быть, как средство доставки шагоход может быть востребован, например, на раннем этапе колонизации другой планеты, обеспечивая связь между первыми небольшими поселениями. Пока они не разрастутся до таких размеров, чтобы потребовалось проложить железную дорогу до космопорта. Или же шагоход может быть востребован на этапе развития цивилизации, предшествующем появлению тех же железных дорог или иного аналогичного массового наземного транспорта. В условиях Земли это Новое время от промышленной революции конца XVIII века и до середины — конца XIX века.

Кроме того, высокая проходимость в комплекте с какой-никакой, а броней делает очевидным использование шагоходов на полях сражений. Осталось разобраться — на каких именно? Как боевая единица шагающий танк представляет собой парадокс. С одной стороны, его создание требует достаточно высоких технологий. С другой, чем выше технологии, тем более уязвим и, соответственно, менее эффективен шагающий танк на поле боя.

Высокий обзор в сочетании со скоростью, превышающей скорость человека, изначально делает шагоход аналогом передвижной башни на поле боя. Поначалу он эффективный истребитель вражеской пехоты и защитник/транспорт своей. Когда пехота получит более совершенные и точные средства борьбы с техникой врага, шагоход начнет получать все более действенный отпор и утратит свою ценность.

Проблема шагохода в том, что высокие технологии никогда не направлены только на один-единственный объект. Они охватывают все сферы общества, и высокая проходимость постепенно нивелируется с развитием летающих механизмов. Могильщиком шагоходов станет не ушлый гранатометчик с полусотней звезд на своей базуке, а скромный работяга-вертолет, способный в любую погоду перевозить за раз 5—7 тонн груза. Борьба между ними развернется именно в суровых условиях перманентно нелетной погоды. И даже там шагоходы будут уступать позицию за позицией, пока наконец не будет создан всепогодный летающий транспорт. Российский всепогодный вертолет Ка-32А11ВС, если верить Интернету, способен нести до 5 тонн груза, то есть требуемый аналог уже существует, и нет никаких оснований утверждать, что подобная летающая машина не может быть создана в принципе.

Таким образом, вопрос с будущим шагохода требует наличия планеты с такой суровой атмосферой, что летательным аппаратам там в принципе ничего не светит. В рамках фантдопущения можно ввести какое-то уникальное атмосферное явление, но наиболее эффективно шагоход смотрится не в будущем, а в прошлом.

Вероятно, оптимальным историческим периодом для шагохода были бы XVIII—XIX века. Вооружение, представленное на поле боя, обладает низкой скорострельностью и такой же точностью, что повышает шансы шагохода на выживание. Грузоподъемность и скорость для того времени вполне достойные, а проходимость дает сильный бонус в сравнении с первыми автомобилями. В качестве двигателя, учитывая эти исторические рамки, можно использовать паровую машину, что окончательно определяет жанр произведения — стимпанк.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s