Аэродинамика авиационная и автомобильная
Аэродинамические исследования — важнейшая часть проектирования летательных аппаратов тяжелее воздуха. Эта сравнительно молодая наука накопила обширную теоретическую базу, и математические модели обтекания реального самолета весьма совершенны. Машину рассматривают поэлементно — крылья, фюзеляж, хвостовое оперение, а потом сводят результаты воедино.
Аэродинамические исследования в разработке автомобиля играют не столь важную роль, хотя заниматься ими стали почти одновременно с авиационными. Теория в данном случае не так важна, как эксперимент. Попытки использовать авиационные выкладки очень часто проваливались. Например, внутреннее обтекание объекта в авиации почти не рассматривается (корпус самолета герметичен), а в автомобиле постоянно циркулируют воздушные потоки. В авиации не нужно бороться с забрызгиванием окон и стекол фар. И наконец, никто в авиастроении не будет настаивать на сохранении габаритов и дизайна опытного образца, если его аэродинамические характеристики не устраивает конструкторов. Когда речь идет об автомобиле, маркетинговые соображения часто берут верх над другими.
Исторический аспект, дизайн
До начала 20-х годов лишь немногие, преимущественно рекордные автомобили получали обтекаемые кузовы. Наиболее известные примеры — электромобиль Камилла Женатци (Camille Jenatzy) 1899 и Alfa Romeo с кузовом Рикотти 1913 года. Их дизайн был позаимствован не у самолетов, а, скорее, у кораблей и дирижаблей. Появлялось и множество псевдоаэродинамических кузовов, разработчики которых добивались скорее эстетических преимуществ, нежели лучшей обтекаемости. После первой мировой войны положение изменилось: Германии запретили разработку военных самолетов, и немецкие авиаконструкторы решили попробовать себя в автоконструировании.
Представления о том, какой должна быть конструкция автомобиля (узкая рама, вынесенные за кузов колеса) не только ограничивали художников-кузовщиков, но и сбивали с толку аэродинамиков. Немецкие авиационные специалисты Клемперер (Klemperer), Нойманн-Неандер (Neumann-Neander) и Ярай (Jaray), комбинировали кузов из знакомых им самолетных элементов — профилей крыльев, тел вращения. Они совершенствовали форму, не трогая компоновку. Поток воздуха пускали по бокам кузова, как будто это был самолетный фюзеляж. Кузовы получались неимоверно высокими, узкими, у них была длинная заостренная задняя часть. В небольшой автомобиль Ярая, например, с трудом помещались пассажиры.
Первым догадался изменить компоновку известный немецкий авиаконструктор Эдмунд Румплер (E. Rumpler). Его автомобиль 1924 года с несущим основанием и задним расположением двигателя имел сравнительно небольшие размеры. Румплер получил замечательный даже по сегодняшним меркам результат — Cx равнялся 0,28 (аэродинамические испытания закрытого автомобиля его конструкции 1924 года в 1979 году провел Volkswagen). Но автомобиль этот не пользовался успехом — конструкция была слишком непривычной.
В 30-е годы сотрудник Мичиганского университета Лей (Lay) озаглавил одну из своих статей вопросом, который сегодня кажется наивным: "Можно ли проехать 50 миль на одном галлоне горючего, улучшив аэродинамику?". Экономичность автомобиля за прошедшие полвека улучшилась в большей степени благодаря совершенствованию двигателя и трансмиссии, а не аэродинамических показателей.
Последовательно изменяя форму, Лей пришел к сенсационному выводу — заостренную заднюю часть, которая досталась первым обтекаемым автомобилям в наследство от самолета, можно обрезать, а основной поток направить не по бокам, а поверх кузова. Обтекаемость практически не ухудшится.
Еще один немецкий исследователь, Кам (Kamm) создал на материале исследований Лея обтекаемый автомобиль "К-формы". В 1938 году был построен ходовой образец на базе шасси BMW. Он был вместительным и относительно компактным. С этого изделия и началась современная автомобильная аэродинамика. Конструкторы наконец поняли, что в результате аэродинамической проработки можно избежать шума, забрызгивания окон и стекол фар или попадания пыли в салон.
В 70-е годы сделали еще одно важное открытие: улучшать аэродинамические показатели можно не только уменьшая сопротивление потоку, но и увеличивая — принудительно направляя его по нужному пути. Появились спойлеры (от to spoil — портить) и антикрылья.
"Зализанные" кузовы, которые воздушный поток обтекает плавно, без завихрений, сегодня почти не применяются на серийных машинах, поскольку редко отвечают современным эксплуатационным и эстетическим требованиям. Вольный полет дизайнеров в клетке безотрывного обтекания, как метко охарактеризовал увлечение "зализанными" формами московский дизайнер Сергей Ивакин, автор формы концепткара АЗЛК "Истра", завершился.
Суть дела
Существует несколько формул расчета силы сопротивления воздуха. Различаются они, главным образом, методикой оценки обтекаемости — учетом тех или иных факторов. Например, немецкая, ее приводит в книге "Аэродинамика автомобиля" Вольф-Хейнрих Гухо (Wolf-Heinrich Hucho). Выглядит она так: W=Cw•A•(p/2)•V2. Сопротивление воздуха W возрастает в квадратичной зависимости от скорости V: скорость увеличивается в 2 раза, а сопротивление — в четыре. С увеличением сопротивления воздуха растет расход топлива. На скорости 100 км/ч автомобиль затрачивает 75% мощности и около 75% горючего именно на преодоление сопротивления воздуха.
Скорость — показатель, который в данном случае можно только учитывать. В обычных расчетах за постоянную величину принимается и плотность воздуха p. То есть специалист по аэродинамике может работать лишь с двумя составляющими формулы: A — наибольшей площадью поперечного сечения автомобиля, и Cw — коэффициентом аэродинамического сопротивления, который обозначают и как Ca, K, Cl или Cx.
Как только ни боролись за уменьшение площади поперечного сечения компоновщики, дизайнеры и специалисты по аэродинамике! Сокращали ширину и высоту автомобилей, уточняли профиль поперечного сечения. В результате появились гнутые боковые стекла, узкие продольные поручни на крыше для крепления багажника, скрытые водосточные желоба в полостях дверей и зеркала заднего вида на тонких кронштейнах. Все это, так сказать, разумные изобретения. Но были и другие. Например, в 60-80-х годах появлялись машины, по крышам которых между голов пассажиров проходил широкий продольный желоб. В этом случае площадь поперечного сечения уменьшалась приблизительно на 150 см кв. А пассажиры чувствовали себя, как в кабине истребителя. Самые смелые проекты предлагали делать автомобиль двухкорпусным — объединять 2 зализанные "сигары" наподобие катамарана.
Сокращением площади поперечного сечения увлекались до тех пор, пока стремление экономить топливо за счет аэродинамичной формы не вошло в противоречие с требованиями комфорта и безопасности. Новые нормативы по защищенности автомобилей от столкновений заставляют делать кузов с развитыми силовыми элементами, а они "съедают" внутреннее пространство. Поэтому, чтобы не создавать дискомфорта, площадь поперечного сечения современных автомобилей оставляют достаточно большой.
Другое дело — коэффициент аэродинамического сопротивления. Он — единственное свидетельство того, насколько компетентные специалисты в области аэродинамики работают в фирме. Рекордный коэффициент — у Opel Calibra: 0,20. Правда, машина эта создана в 1989 году, когда еще увлекались "безотрывным" обтеканием.
На обтекаемость влияет положение автомобиля относительно дороги в зависимости от дорожного просвета и угла продольного наклона (уместно вспомнить авиационный термин "угол атаки"). У машин с положительным углом атаки подъемная сила набегающего воздушного потока настолько разгружает передние колеса, что способна ухудшить управляемость. Особенно опасно это для переднеприводных машин. В зависимости от нагрузки коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля может возрасти на 4-6%
Иногда автоконструкторы все же используют авиационные теоретические выкладки. Например, чтобы уменьшить влияние бокового ветра, отклоняющего автомобиль от заданного курса. Меньше отклоняется каплевидное тело с сильно вытянутой задней частью. Вот тут-то, наверное, специалисты и вспомнили Румплера и его автомобиль-каплю.
В современной машине набегающий воздушный поток активно эксплуатируется. Профилированные решетки облицовки радиатора в зависимости от скорости дозируют объем воздуха, поступающего в подкапотное пространство; дефлекторы препятствуют попаданию пыли в салон; форма стекол фар и задних фонарей не дает оседать на них пыли и грязи. Даже щетки стеклоочистителя снабжаются аэродинамическими элементами, иначе на больших скоростях они отлипают от поверхности стекла. На быстроходные автомобили ставят антикрылья, спойлеры, воздухозаборники для охлаждения тормозов. Средние значения Сх за последние 20 лет улучшены приблизительно на 25% — причем при попутном увеличении объема салона, вместимости багажника и габаритов автомобиля.
Дело — труба
Когда-то прототипы ездили по шоссе, обклеенные множеством бумажных полосок. Рядом следовала машина с фотографом, который снимал поведение ленточек на разных скоростях. В 30-е годы немногим автомобилям довелось побывать в аэродинамической трубе. Она считалась привилегией самолетов. В СССР была построена одна из самых больших в мире труб в ЦАГИ, но автоконструкторы долго эксплуатировали прямой участок шоссе к северо-западу от Москвы.
Большинство фирм начали "дуть" машины лишь в 60-70-е годы. В настоящее время около 25 труб принадлежит крупным автомобильным фирмам и независимым исследовательским институтам. Неплохая труба есть на автополигоне в Дмитрове. Специальные автомобильные трубы компактнее авиационных, скорость воздушного потока в них меньше. Самая серьезная установка принадлежит Mercedes-Benz, ее огромный вентилятор разгоняет воздух до 270 км/ч. Мощность его привода — 3000 кВт.
Рабочую часть трубы делают достаточно длинной и широкой, чтобы воздушные вихри, возникающие возле ее стен, не нарушали картины обтекания автомобиля. Стены обшивают стальными пластинами толщиной 1 см, чтобы исключить любую вибрацию. Отклонение потока регистрируют с помощью специальных ленточек, наклеенных на поверхность кузова в определенном порядке, а так же — пуская "дымы". "Дымы" — это аэрозоли парфюмерного масла. Специалисты визуально оценивают характер обтекания и стараются уменьшить завихрения воздуха в зонах разрежения, чтобы снизить аэродинамические потери. Там, где дымовой след отклоняется от кузова, расположена зона низкого давления (разрежения). Где след прижимается — наоборот. В зоне разрежения на кузове имеет смысл размещать вытяжные вентиляционные отверстия, в зоне высокого давления — воздухозаборники. Ленточки, искривляясь под действием потока, подсказывают характер завихрений. Можно увидеть, куда из-под колес полетит грязь и будет ли она попадать на стекла и зеркала заднего обзора.
Учитывая, что законы обтекания тела в воде и воздухе схожи, фирма Mercedes-Benz стала обдувать пузырьками воздуха макеты в масштабе 1/5 в водном потоке. Установка для таких исследований компактнее аэродинамической трубы и потребляет меньше энергии (из-за большей плотности воды можно снизить скорость потока).
Процесс доводки автомобиля в аэродинамической трубе называется оптимизацией. Даже самые мощные компьютерные программы не в состоянии просчитать поведение потока в области дверной ручки или зеркала заднего обзора. Между тем именно отработкой таких нюансов сегодня и добиваются улучшения коэффициента сопротивления. А обдув подкапотного пространства можно оптимизировать только экспериментальным путем.
Труба "разрушила" многие дизайнерские проекты якобы обтекаемых автомобилей: интуиция в данном случае — плохой подсказчик. Поэтому сейчас фирмы стремятся подвести математическую базу под эксперименты. Так что сходство кузовов автомобилей разных фирм — следствие не стандартизации, а физических законов.
Денис Орлов