Колесо, которое невозможно проколоть, – мечта автомобилиста. Но при этом колесо должно быть ещё и практичным, и надёжным, и недорогим, и красивым. А безвоздушные колёса таковыми назвать нельзя.
От велосипеда до лунохода
Вообще, идея безвоздушных шин появилась давно. И она не могла не появиться, потому что первые пневматические шины получились не слишком-то удобными. Да, кататься на велосипедах (автомобили тогда находились в зачаточном состоянии и ездили в основном не быстрее велосипедов) на пневматических шинах, отцом которых считают Джона Бойда Данлопа, было намного комфортнее, но в случае прокола оставалось только плакать: шина была приклеена к ободу, и фактически колесо получалось неразборным. Съёмную шину придумали в Michelin в 1891 году, то есть, через два года после того, как пневматические шины обрели некоторую популярность с подачи Данлопа. Ну а дебютом воздушных шин на автомобилях принято считать их появление на Peugeot L'Eclair, что произошло только в 1895 году.
Представьте дороги того времени. На чём по ним ездили? Да на всём, куда можно было впрячь коня или лошадь. Или несколько лошадей или коней. И всех этих непарнокопытных надо было подковывать. Периодически подковы отваливались, вследствие чего на дорогах валялись и их обломки, и ухнали – специальные гвозди для подковки лошадей. Увы, всё это железное добро легко дырявило пневматические шины.
Во время Первой мировой войны смешались в кучу не только кони и люди, но и шины. А Первая мировая – это как раз то время, когда автомобили на фронте стали играть существенную роль. В их числе оказались и броневики, и как раз они страдали сильнее остальных: стреляли по ним с особенным азартом, а они от одной пули или осколка в шине сразу теряли подвижность. И тогда появились первые безвоздушные шины – гусматиковые. Обычно их называют просто гусматиками. Конструкция шин отличалась своей простотой: вместо воздуха внутри них был гусматический состав, который обычно представлял собой смесь глицерина и желатина. А иногда внутри шины укладывали пористую резину, но при этом всё равно называли её гусматиком.
С одной стороны, проблема проколов была решена: гусматики даже после выстрела в упор сохраняли работоспособность. Но с другой стороны, они обрели множество недостатков, основные из которых – огромный вес, невозможность балансировки, крайне низкая эластичность и склонность к очень сильному нагреву. Всё это накладывало свои ограничения при использовании гусматиков, в первую очередь – при эксплуатации на высокой скорости. В итоге от них со временем отказались даже военные, которые в середине прошлого века получили новую технологию – регулируемое давление в шинах с возможностью централизованной подкачки. В случае небольшого повреждения шины можно было её подкачать и доехать до цели, причём ехать можно было существенно быстрее, чем на гусматиковых шинах.
Однако идея себя не изжила, и попытки создать шину, которая не боится проколов, продолжались. Пожалуй, самая успешная попытка – это шины с многослойными усиленными боковинами или с дополнительными внутренними ребрами жесткости в них. То есть те шины, которые мы привыкли называть Runflat. Формально, конечно, Runflat безвоздушной шиной не является, поэтому в рамках этого материала подробно на ней останавливаться не будем, но тут важно отметить одну деталь: пока в этой шине воздух есть, она с некоторыми оговорками может считаться вполне приличной шиной (только излишне жёсткой, шумной и дорогой). Но вот когда она испускает дух, ездить на ней можно только с серьёзными ограничениями по скорости. Причины во многом те же, что и в случае с гусматиком: сильно греется и с огромным удовольствием передаёт на автомобиль и позвоночник водителя все неровности дороги.
Очевидно, что перед создателями Runflat не стояла задача сделать безвоздушную шину, от них требовалось всего лишь освободить багажник от запаски. И всё же так получается, что новая шина без воздуха получила те же недостатки, которыми страдали и более ранние конструкции. А так как желание сделать непрокалываемую шину не снизилось в отсутствие на дорогах лошадок и подков, требовалось пойти каким-то другим путём: простое обматывание диска резиной толкового результата дать не способно. И хотя состав резины постоянно становился всё более совершенным, нужно было найти принципиально новые материалы и конструкции.
Ещё до гусматиков многие пытались сделать колесо принципиально другой конструкции, в которой использовались бы металлические пружинящие элементы. Трудно представить, но в конце XIX и начале XX некоторые инженеры на полном серьёзе изобретали колёса, причём в огромном количестве и именно металлоупругие. В таких колёсах связать ступицу и обод пытались металлическими пружинами или пластинами, которые сделали бы колесо упругим без воздуха. Как правило, получались очень тяжёлые, шумные, дорогие и сложные в производстве механизмы. Но баловались ими самозабвенно и долго. Такие колёса пытались ставить на самую разную технику – от британских мотоциклов Quadrant до «жестянки Лиззи» Ford T. Получалось из рук вон плохо, но желание придумать колесо с внутренней амортизацией, но без воздуха, было сильнее здравого смысла. Со временем, наломав кучу дров и пружин в попытках сделать что-то толковое, про идею металлоупругих шин стали забывать. Может быть, забыли бы навсегда, но тут на головы изобретателей свалилось освоение космического пространства и вместе с ним – необходимость сочинять колеса для луноходов и прочих марсоходов. Разумеется, ни о каких пневматических шинах речь не шла – им в космосе не место. А вот конструкции, в которых ступицу и обод связывают упругие элементы, вспомнили сразу.
С Земли на Луну и обратно
В 1965 году в ОКБ 1 (сейчас – РКК «Энергия» им. С.П. Королёва) родилась идея создания лунохода. В 1970 году существовало уже несколько прототипов колёс, и все как один – металлоупругой конструкции. Похожее решение использовали и на американских луноходах (роверах) LRV программы Apollo. Однако все они имели один недостаток: упругие элементы изготавливали из металла, отчего колёса получались тяжёлыми. На Луне, конечно, вес такого значения не имеет (всё-таки сила тяжести там в шесть раз меньше, чем на Земле), но ведь луноход ещё надо как-то туда доставить, а это уже проблема. Впрочем, не так часто возникала необходимость отправлять в космос аппарат с металлическими колёсами, так что из-за этого, скорее всего, переживали не слишком сильно. Да и альтернативы не было, ездили на том, что получилось.
Тем временем военные многих стран наблюдали за развитием безвоздушных колёс очень внимательно. Металлические колёса им, конечно, не очень подходили: тяжело, шумно и очень медленно. А ещё, как ни странно, не слишком прочно: эти колёса не отличались стойкостью к поперечным нагрузкам. И это было проблемой до тех пор, пока развитие химии не позволило перейти на новые материалы – композитный каучук, полимерное стекловолокно, а в последних разработках – и на никель-титановые сплавы с памятью формы.
Несмотря на то, что тему безвоздушных шин особенно упорно продвигали военные, им ничего толкового до сих пор не досталось, хотя попыток было много. Первыми достаточно массово такие шины получили либо лёгкие транспортные средства (велосипеды, электросамокаты, моноколёса и всё прочее, что у нас называют средствами индивидуальной мобильности), либо техника, которая ездит мало и медленно (погрузчики, мини-тракторы). Хотя есть и хорошие новости: на автомобилях они тоже иногда появляются.
Пластины, соты или магнитное поле?
Наиболее известная и более-менее массовая безвоздушная шина последних лет – это творение Michelin под маркой Tweel. Само название Tweel содержит в себе смысл концепции: оно состоит из слов tire и wheel, которые переводятся как шина и колесо соответственно. Действительно, тут всё в одной куче: шина является частью неразборного колеса со съёмным протектором.
В компании Michelin пошли очевидным путём: заменили воздух на полиуретановые пластины, которые соединяют ступицу и обод, на который надет резиновый протектор. Презентовали эту шину ещё в 2004 году, но хотя бы как-то использовать в жизни начали только в 2012. А с 2018 года даже попытались продавать их в России. Это был странный шаг безумных мечтателей-утопистов, учитывая, что стоило такое колесо в два раза дороже пневматического и предлагали его только на мини-погрузчики.
Разумеется, очередей за эти колёсами никто не видел. Да и сами колёса – тоже, хотя пиарили их очень активно и на лёгкую технику всё-таки ставили. А вот на машины – нет. И хотя на испытаниях их всё-таки прикрутили к Audi A4, дальше с автомобилями счастливой жизни не сложилось: оказывается, не такие уж эти колёса крутые, как заявляли оптимисты из Michelin. Недостатков у этой конструкции с пластинами, выполняющими роль спиц, много.
Во-первых, стоимость, о которой уже говорили. Во-вторых, так и не удалось решить проблему локального перегрева: та часть протектора, которая контактирует с дорожным покрытием, на высокой скорости нагревается быстро и сильно, но сделать отвод этой теплоты достаточно эффективным не получилось. В итоге на технике, которая ползает со скоростью до 20 км/ч по плохим дорогам, колёса Tweel вели себя неплохо, а вот на обычных машинах их применение было сильно ограничено скоростью. Впрочем, некоторого успеха достичь удалось: шины показали хорошее сопротивление боковой деформации, что раньше считалось серьёзной проблемой. И это уже был некоторый успех.
В Michelin работают упрямые ребята: в прошлом году они в испытательных целях всё-таки обули сразу 50 автомобилей службы доставки DHL Express в безвоздушные шины Uptis, которые стали развитием Tweel. Принцип у них остался прежним: спицы заменяют пластины из смеси композитного каучука и полимерного стекловолкна. Эти колёса должны были начать производить уже в этом году, но что-то хороших новостей пока нет. Хотя и плохих тоже нет, так что ждём ещё четыре месяца: вдруг успеют?
В отличие от Michelin, в некоторых других компаниях (Resilient Technologies, Polaris, Hankook) пошли другим путём: вместо пластин использовали ячейки, то есть сотовую структуру. Причём Hankook пошёл ещё дальше и в своих колёсах iFlex выполнил шину одним целым с колесом. Как ни странно, испытания показали, что у такой конструкции какое-то будущее всё-таки есть. Впервые шины iFlex появились в 2013 году, а летом 2015 года в Hankook заявили нечто фантастическое: их продукт способен выдерживать скорость до 130 км/ч! Для безвоздушных шин это стало ошеломительным прорывом. А ещё в 2013 году iFlex стали ставить на электрические Volkswagen up! с тюнингом от ателье ABT. Вот только тут опять промашка вышла: ни о какой массовости речи не шло, а коллаборация с Volkswagen нужна была лишь для того, чтобы продемонстрировать, что микроскопический электромобиль на колёсах из переработанного пластика – это верх экологичности. Который, правда, толком никуда не едет.
Разумеется, не мог не блеснуть своими безвоздушными шинами и Goodyear. Плотная работа над ними началась в 2019 году, и изначально в компании пытались сделать что-то с пластинами, как это делали в Michelin. Но со временем шины Goodyear тоже приобрели сотовую структуру. Как ни странно, первый успешный продукт, появившийся в 2021 году, попал на дорожные испытания тоже на автомобилях службы доставки. Но – на беспилотных. Три года назад в Goodyear сетовали на то, что их безвоздушные шины способны работать на скорости только до 80 км/ч, поэтому и испытывать их лучше на медленном беспилотном транспорте – всё равно быстрее ездить на них невозможно, так что пусть себе ползают и наматывают тестовые километры в лайтовом режиме.
Но этот компромиссный ход не смог преодолеть искушение поставить их не на что попало, а на Tesla Model 3, и втопить на них 160 км/ч. Результаты испытаний в Goodyear признали положительными, хотя маневрировали на них на скорости до 88 км/ч. Сказали, что получилось просто здорово, но раньше 2030 года ждать безвоздушных шин Goodyear на серийных автомобилях не стоит. В Michelin, напомню, обещали свои шины раньше – в текущем году. Тем не менее нужно отметить, что испытания шин Goodyear на Tesla стали первыми, где на безвоздушных шинах ездили быстро, а машина при этом сохраняла достойную управляемость. Это можно считать хорошим знаком, который вселяет хотя бы какой-то оптимизм в отношении пластмассовых колёс на массовых автомобилях. Да-да, массовых, потому что Tesla Model 3 по сравнению с луноходом LRV – обычная бричка для среднего класса.
У всех этих шин с пластинами или сотами между ступицей и ободом (или протектором – в зависимости от конструкции) есть ещё три существенных недостатка, которые нужно прибавить к тем, о которых говорили выше. Во-первых, у них нет возможности регулировать жёсткость и площадь контакта. И это очень плохо, потому что теоретически шины, которые невозможно порвать о камни, хорошо подошли бы внедорожникам и вездеходам, а на практике в них нельзя стравить давление и съехать с камней на песок. Второй момент – это то, что внутри такого колеса, особенно состоящего из сот, легко собирается грязь. А значит, нарушается балансировка. Само собой, по трассе с камнями и кусками грязи в колёсах много не накатаешься, поэтому и применение безвоздушных шин на дорогах общего пользования пока не кажется хорошей идеей. Ну и последнее: у безвоздушных шин получается ограниченная грузоподъёмность. Вместе с ростом грузоподъёмности стремительно растёт жёсткость, а колесо всё-таки должно быть эластичным.
Однако есть и хорошие новости. Кроме каучука и полимеров в природе есть ещё множество интересных штук. Например, чуть меньше года назад появилась информация от том, что компания SMART Tire Co начала выпуск шин METL, в основе которых лежит технология использования сплавов с памятью формы. Резиновые у этих шин только протектор и боковины, а внутри у них расположены не каучуковые соты или пластины, а пружина из никель-титанового сплава. Особенность этого сплава заключается в том, что он способен пережить в тысячи раз большее количество циклов сжатия и разжатия, чем другие материалы, и не боится остаточной деформации. Теоретически у такой конструкции какая-то перспектива может существовать, но вот ведь незадача: эти шины предназначены пока только для велосипедов. Ну и в порядке исключения – для марсохода, который в 2026 году должен полететь на этот самый Марс. Как вы поняли, инициаторами этой разработки были не шинники, а NASA, которым до автомобилей дела нет. Странно, что они хотя бы про велосипеды вспомнили.
Ну и в качестве совсем дикого бонуса можно вспомнить колесо MagTrac от Hankook. Это старая разработка 2013 года, ведущая в никуда: проект с тех пор не стал серийным продуктом. Оно и понятно: магнитное поле между ступицей и ободом – это как-то совсем футуристично, дорого и непонятно тем, кто смазывает шпильки литолом. Но в Hankook не унывают и периодически изобретают новые невероятные колёса. Чего только стоит их концепт Shiftrac, в которых части протектора могут двигаться поперёк колеса относительно друг друга, имитируя движения конькобежца. Вообще, концепты Hankook выглядят как баловство, но они доказывают, что колесо всё-таки ещё изобретено не до конца и там есть, над чем работать.
* * *
Говорить о том, что скоро безвоздушные шины станут реальностью, преждевременно. Не зря в Goodyear даже при довольно успешном испытании безвоздушных шин на Tesla в 2021 году заявили, что раньше 2030 года ждать серийного выпуска таких шин бессмысленно. А ведь это долгих девять лет…
Ну а сейчас многие высказывают мысль о том, что поиск ресурсов для изготовления безвоздушных шин (в первую очередь – каучука, которого требуется больше, чем для резиновой шины) в нынешнее время очень сложен. Страны, где шинная промышленность развита, не могут похвастаться запасами каучука. А там, где есть каучук, не очень хорошо с промышленностью. А так как многим шинным предприятиям сейчас и без того тошно, сходить с ума в попытках придумать действительно рабочую безвоздушную шину многие считают несвоевременным занятием. Желание бросать работу в этом направлении никто публично не озвучивал (в конце концов, на газонокосилках, некоторой строительной технике, гольфкарах и СИМ безвоздушные колёса уже используются), но и форсировать её в ближайшее время тоже вряд ли будут. Что же, будем ездить на пневматических шинах – это не так уж и плохо. По крайней мере, не так дорого: воздуха у нас пока хватает на всех.