Коэффициент лобового сопротивления автомобилей сравнение
ПРАКТИЧЕСКАЯ АЭРОДИНАМИКА «За Рулем» №4, 1983
Снижение расхода топлива, пожалуй, наиболее актуальная проблема в современном автомобилестроении. Расход этот зависит прежде всего от объективного фактора — различных сил сопротивления движению, на преодоление которых затрачивается энергия сгорания топлива. Уменьшение их — один из путей его экономии. Наша статья посвящена резервам, заключенным в улучшении аэродинамических свойств автомобиля.
В общем сопротивлении движению автомобиля аэродинамические силы могут составлять существенную часть. Если при езде по городскому циклу (средняя скорость 40—50 км/ч) они достигают 8%, при движении в пригородной зоне (средняя скорость 80—90 км/ч) — 29%, то на автострадах — 53%. Отметим, что чем выше скорость, тем быстрее растут потери «на ветер»: уже при 60 км/ч они отнимают больше энергии, чем любая другая составляющая. Дело в том, что мощность, расходуемая на преодоление аэродинамического сопротивления, пропорциональна кубу скорости; значит, если скорость удваивается, то мощность должна увеличиться в восемь раз.
Чтобы уяснить, как возникает и воздействует на автомобиль сопротивление воздуха, рассмотрим, из чего оно складывается. Взаимодействие воздуха и автомобиля можно представить как сумму сопротивлений: профильного, индуктивного, внутреннего, а также сопротивлений трения и выступов. Наибольший «вклад» (около 58%) приходится на профильное. Оно обусловлено самой формой кузова. Воздух, обтекающий автомобиль, как бы сжимается впереди него, создавая значительное положительное давление. Поток, идущий по верхней части кузова, неоднократно отрывается от его поверхности, что создает в этих местах области пониженного давления. В задней же части поток окончательно отрывается от кузова. Там образуется мощный вихревой след и область больших отрицательных давлений. Положительное давление впереди автомобиля и отрицательное сзади препятствуют движению, создавая сопротивление давлений, или профильное сопротивление воздуха.
Индуктивное сопротивление (8% в общем балансе) вызывается разностью давлений на верхнюю и нижнюю части кузова. В результате их взаимодействия возникает сила, отжимающая автомобиль от земли, — подъемная. Хотя она и сокращает сопротивление качению, ее влияние на ходовые качества машины в целом отрицательно — это уменьшение силы сцепления колес с дорогой, которое влечет за собой ухудшение управляемости.
Сопротивление выступов (13% всех потерь). Очевидно, что свой вклад в полное аэродинамическое сопротивление вносит любая выступающая деталь автомобиля (зеркало, антенна, ручки дверей и т. д.). Так, багажник на крыше при скорости 60 км/ч увеличивает его на 10—12%, из-за чего на 2—3% растет расход топлива. Специалисты ряда фирм считают, что только изменение подобных деталей может улучшить топливную экономичность на 3—4%.
Сопротивление трения (11% всех потерь) обусловлено «прилипанием» к поверхности кузова слоев воздуха, вследствие чего поток вблизи нее теряет скорость. Потери энергии на поверхностное трение зависят главным образом от качества отделки кузова. Во всяком случае, эксперименты показали, что если у нового полированного автомобиля оно составляет около 8% общего сопротивления воздуха, то у плохо покрашенного, с грубой поверхностью возрастает в 2—2,5 раза. В частности, поверхностное трение заметно увеличивается в случае, когда крыша обтянута модным гранулированным виниловым кожзаменителем.
Внутреннее сопротивление (10% всех потерь) возникает при прохождении воздуха через системы охлаждения и вентиляции. Природа этих потерь такова, что возможность снизить их в настоящее время весьма проблематична.
Количественной характеристикой суммарного аэродинамического сопротивления служит так называемый коэффициент лобового сопротивления — Сх, который, как правило, определяют экспериментальным путем. Для этого автомобиль или его уменьшенный макет устанавливают в аэродинамическую трубу и моделируют его обтекание воздушным потоком. Меньшую точность дают некоторые методы дорожных испытаний.
Коэффициент лобового сопротивления у легковых автомобилей, выпущенных разными фирмами в 70-х и 80-х годах, колеблется (см. таблицу) от 0,30 до 0,60.
В среднем он составляет в настоящее время 0,43. Для сравнения: среднее значение Сх у машин выпуска 1938 года — 0,58. Наименьшим коэффициентом отличаются автомобили, предназначенные для установления рекордов скорости — 0,2 («Звезда—6», СССР) и 0,15 («Фольксваген-АРФВ», ФРГ).
Вернемся к вопросу о затратах мощности и топлива на преодоление сопротивления воздуха. Приведенный на вкладке график показывает, как влияет на них изменение коэффициента лобового сопротивления при разных скоростях… Теперь, когда мы представляем, что значит Сх для экономии топлива, небезынтересными окажутся и такие данные: дополнительные фары перед облицовкой радиатора увеличивают его на 0,04, грязезащитные фартуки у всех колес — на 0,03, выдвинутая антенна — на 0,02, наружное зеркало заднего вида — на 0,01, неубранные стеклоочистители — на 0,007. Все это дополнительное оборудование плюс багажник на крыше могут поднять суммарную величину Сх, скажем, для ВАЗ—2105 с 0,43 до 0,58, и это означает расход лишних 1—1,5 л бензина на 100 километров. Цифра достаточно убедительная для того, чтобы учитывать аэродинамические характеристики автомобиля как в эксплуатации, так и, прежде всего, на стадии проектирования…
Аэродинамические исследования ведут не только с целью снизить расход топлива. Они помогают добиваться прогресса в области активной безопасности автомобиля, положительно влиять и на такие составляющие комфортабельности, как эффективность вентиляции, шум в салоне, загрязнение стекол и фонарей.
Результаты перспективных разработок говорят о больших резервах, скрытых в улучшении аэродинамики автомобиля. Так, известные итальянские кузовные фирмы «Пининфарина» и «Итал Дизайн» создали несколько экспериментальных моделей, имеющих Сх 0,23—0,26…
Важную роль в улучшении аэродинамических качеств играют различные обтекатели, дефлекторы («За рулем», 1982, № 8), спойлеры, антикрылья, юбки («За рулем», 1981, № 4).
Наиболее широко на легковых автомобилях в последнее время применяется передний спойлер. Это профилированный щиток — чаще всего продолжение передней панели кузова вниз, под бампер, или элемент самого бампера. Он служит для уменьшения нежелательной разгрузки колес, вызываемой повышенным давлением, которое образуется в зоне между днищем автомобиля и полотном дороги при движении. На скорости около 100 км/ч отрицательная (направленная вверх) нагрузка на передние колеса может превысить 100 кгс. В результате ухудшаются характеристики прямолинейного движения («держание» дороги), а также снижается боковая устойчивость при поворотах с большими скоростями.
Кроме того, протекание воздуха под автомобилем сопровождается значительным ростом сопротивления выступающих деталей подвески, системы выпуска и других — до 20% общего профильного сопротивления. Очевидно, идеальным было бы ровное или закрытое щитом днище, но практически достичь этого невозможно, хотя частично подобные нежелательные эффекты можно устранить установкой переднего спойлера. Изменяя направление потоков, обтекающих нижнюю часть машины, он создает под кузовом разрежение. Минимум же полного сопротивления достигается тогда, когда допустимая максимальная высота спойлера обеспечивает уменьшение аэродинамического сопротивления расположенных снизу деталей настолько, насколько увеличится сопротивление кузова. Испытания показали, однако, что установка спойлера может ухудшить охлаждение двигателя, системы выпуска, агрегатов трансмиссии. Вот почему его подбор — сложная задача, решаемая на основе многочисленных экспериментов для каждой конкретной модели автомобиля. Хорошо подобранный спойлер может снизить Сх на 6—7%.
Конструкторы ищут возможности использовать аэродинамические устройства на серийных машинах. Так, на особо скоростных моделях («Порше», «Альфа-ромео» и др.) ставят антикрылья. На чем основан их эффект? Если крыло самолета создает подъемную силу, то, перевернув его (отсюда и приставка «анти»), получим силу прижимающую, которой обычно так недостает автомобилю. Помимо увеличения прижимающей силы антикрыло на крышке багажника так организует поток воздуха за автомобилем, что снижает лобовое сопротивление примерно на 6%.
Наряду с поисками наивыгоднеишего (в отношении снижения аэродинамических потерь) сочетания элементов кузова конструкторы уделяют серьезное внимание снижению потерь вокруг отдельных выступающих деталей.
Выдвижные фары («Порше-928», «Мазда-РИкс-7», «Матра-багира»), убирающиеся в «пазуху» между задней кромкой капота и лобовым стеклом «дворники» (ГАЗ—14, «Мерседес-Бенц-С», «Ровер-3500», «Додж-магнум-78»), отказ от выступающих дверных ручек («Рено-5», «ФИАТ-панда», «Рено-фуэго») помогают сгладить обводы кузова. Немалое значение для снижения общего аэродинамического сопротивления имеет замена выступающих водосточных желобов над дверными проемами водосгонными ребрами на крыше, как сделано у «Рено-18», «Мицубиси-кольт», «Хонде-аккорд».
В заключение можно сказать, что внешний облик автомобиля претерпел в последнее время серьезные изменения, обусловленные прежде всего стремлением полнее учесть особенности обтекания его воздухом. Улучшение аэродинамики автомобиля способствует повышению динамических качеств и при минимуме конструктивных изменений дает заметную экономию топлива. А потому можно с уверенностью предсказать прогресс в области аэродинамики. По прогнозам, к 1990 году аэродинамическое сопротивление автомобиля снизится в среднем на 10%, что даст уменьшение расхода бензина на 3,5%, а дизельного топлива — на 4,5%. В перспективе считают возможным сократить таким путем расход топлива на 15%.
Коэффициент лобового сопротивления Сх:
«Ауди-100» (0,30), ВАЗ-2101 (0,46), ВАЗ-2103 (0,45), ВАЗ-2105 (0,43), ГАЗ-20 (0,46), ГАЗ-24 (0,45), ГАЗ-24 (0,41), ЗАЗ-968 (0,48), «Москвич-2140» (0,41), СИМКА-1307 (0,38), «Ситроен-ЖСА-Икс-3» (0,32), «Ситроеи-ЦИкс» (0,35), «Фольксваген-жук» (0,60), «Фольксваген-гольф» (0,42), «Фольксваген-пассат» (0,38), «Форд-фиеста» (0,42).
Ф. УЗБЕКОВ, инженер («За Рулем» №4, 1983)
Литература:
Михайловский Е. Аэродинамика автомобиля. М., Машиностроение, 1973.
Павловский Я. Автомобильные кузова. М., Машиностроение, 1977.
«За рулем», 1978, № 1, № 7; 1981, № 4, № 8.
«Автомобильная промышленность», 1979, № 11.
Топ-7 худших и лучших машин в мире аэродинамики (41 фото)
Главным показателем аэродинамических свойств автомобиля считается коэффициент лобового сопротивления — Cx. Цифры, которые демонстрируют свежие новинки, еще 10 лет назад казались недостижимыми для обычных, массовых машин.
Мы выбрали лучшие и худшие модели с точки зрения аэродинамики. В нашу подборку вошли только серийные легковые автомобили современности. То есть те, которые выпускаются сейчас либо выпускались в последние 15 лет и до сих пор встречаются на дорогах.
Для тех, кто хочет разобраться в вопросах аэродинамики подробнее, ниже мы приводим небольшой «ликбез», объясняющий, как рассчитывают аэродинамические коэффициенты и какие еще показатели, кроме Сх, имеют значение.
Аэродинамика для чайников:
Что такое коэффициент аэродинамического сопротивления Сх? Если выражаться предельно упрощенно, этот показатель демонстрирует, насколько автомобиль легче «прорезает» воздух по сравнению с условным цилиндром, площадь поперечного сечения которого равна максимальной площади сечения автомобиля. Еще это называют площадью фронтальной проекции машины, или коротко — мидель. У условного цилиндра Cx равен единице (в реальности точная цифра будет зависеть от длины цилиндра, но для простоты объяснения мы сейчас от этого абстрагируемся).
Cx показывает лобовое сопротивление — то есть по продольной оси «Х». Соответственно, есть еще Cy и Cz, но в случае с автомобилем они играют гораздо меньшую роль.
Как от формы тела меняется Сх? Все дело в создаваемых завихрениях. Если вместо цилиндра взять плоский щит такого же диаметра, то его сопротивление воздуху будет на 17-20% больше, чем у цилиндра (Cx щита = 1,17-1,2) за счет завихрений позади щита. Там создается зона разреженного воздуха, и она сама по себе как бы «тянет» щит назад. То же самое происходит и с автомобилем.
Одна из лучших форм с точки зрения аэродинамики — капля. У нее Сх будет равен лишь 0,04. То есть капля на 96% более обтекаема, чем цилиндр при равенстве диаметров. Это получается потому, что сзади у капли — длинный сужающийся хвост, а спереди — округлый «обтекатель». Они обеспечивают минимум завихрений. Создатели первых аэродинамичных автомобилей середины прошлого века экспериментировали именно с каплевидными формами кузова (вспомните, какой «хвост» у «Победы»).
У современных легковых автомобилей Сх чаще всего составляет около 0,3. Это означает, что автомобиль на 70% эффективнее с точки зрения аэродинамики, чем цилиндр.
Реальная сила, с которой воздух сопротивляется движению автомобиля, зависит, разумеется, от скорости. Причем с ростом скорости аэродинамическое сопротивление возрастает квадратично. Это влияет в первую очередь на расход топлива — и чем выше скорость, тем больше влияет. Само собой, и максимальная скорость тоже ограничена не только мощностью мотора, но и аэродинамическими особенностями автомобиля.
Создатели автомобилей, кроме обтекаемости машины в продольном направлении, также заботятся об обтекаемости сбоку и о подъемной силе, действующей на автомобиль.
Подъемная сила — это вторая по значимости проблема в аэродинамике автомобилей помимо лобового сопротивления воздуха. Дело в том, что абсолютно любой автомобиль по своим формам похож на профиль крыла самолета: снизу плоский, а сверху — выпуклый. Это означает, что воздух, протекающий над автомобилем, совершает более длинный путь, чем воздух снизу. И скорость потока снизу выше, чем сверху. Из-за этого над машиной появляется зона разреженного воздуха, а под ней, напротив, зона повышенного давления. Чем выше скорость, тем сильнее воздух снизу приподнимает автомобиль.
Разного рода аэродинамические элементы вроде антикрыльев, спойлеров, сплиттеров, диффузоров и накладок на днище призваны создать прижимную силу. В случае с гоночными болидами удается этого достичь в полной мере: чем выше скорость, тем сильнее прижимается машина к земле. Это увеличивает сцепление колес с дорогой и делает автомобиль более стабильным на высоких скоростях.
Тут еще надо упомянуть о таком явлении, как граунд-эффект — за счет особой формы днища и применения аэродинамических «юбок» вдоль бортов конструкторы гоночных машин научились в свое время создавать под машиной зону разреженного воздуха, за счет чего автомобиль «липнет» к дороге. Этим прежде пользовались конструкторы Формулы 1, однако в 80-е годы граунд-эффект в Королевских гонках был запрещен. С тех пор у всех болидов одинаковое ровное днище.
В случае с гражданскими автомобилями о создании прижимной силы говорить не совсем корректно. За счет аэродинамических ухищрений удается добиться снижения подъемной силы, но все равно машины на высоких скоростях немного «взлетают», колеса разгружаются и стабильность падает.
Подъемная сила и сила лобового сопротивления это еще не все. Важное значение имеют момент крена и поворачивающий момент (измеряются при повороте автомобиля под углом к воздушному потоку). Эти показатели отражают склонность машины реагировать на боковые порывы ветра. Чем меньше эти цифры, тем лучше машина держит скоростную прямую и меньше отклоняется от траектории, например, при проезде встречной фуры.
Еще один важный показатель — опрокидывающий момент. Положительные значения этих сил говорят о том, что с ростом скорости передние колеса разгружаются, а задние — нагружаются; отрицательные — наоборот. В идеале — должен быть близок к нулю.
се эти показатели измеряются «вживую» путем продувки автомобилей и макетов в аэродинамической трубе на разных скоростях воздушного потока и измерения реальных сил, действующих на кузов.
Аэродинамическая труба, позволяющая продувать полномасштабные макеты машин и реальные автомобили — это очень большое и сложное сооружение. Скажем, труба на «АвтоВАЗе» имеет длину 67,5 м, а ширину — 29 м. Воздух в ней проходит путь в 150 метров. Поток создается вентилятором, диаметр которого 7,4 м. Максимальная скорость воздушного потока в трубе — 216 км/ч.
Рейтинг худших автомобилей по части аэродинамики
Автомобилей с ужасной аэродинамикой в мире немало, но по понятным причинам многие производители не раскрывают официальные цифры аэродинамических показателей. Более того — у множества моделей они вообще никогда не измерялись ни производителем, ни независимыми исследователями. Мы выбрали семерку наиболее показательных машин, по которым данные известны и достоверны.
7. Lada 4×4 / ВАЗ-21213 «Нива». Коэффициент Сх = 0,536
В том, что классическая «Нива» не умеет ездить быстро, вина не только слабого 81-сильного мотора, но и, конечно, аэродинамики. «Максималка» у этого автомобиля — всего лишь 137 км/ч. Впрочем, для машины родом из 70-х годов прошлого века это не так плохо. Владельцы «Лады 4х4» могут утешать себя тем, что Гелендваген, являющийся практически ровесником тольяттинского внедорожника, по обтекаемости еще хуже.
6. Mercedes-Benz G-класса. Коэффициент Сх = 0,54
Те, кто говорит, что у Гелендвагена аэродинамика кирпича, все-таки сильно сгущают краски. У тела кубической формы Сх равен 1,05, а у Мерседеса G-класса этот показатель вдвое меньше. Гелендваген очень сильно страдает от своей аэродинамики: какой бы мощный мотор ни ставили на эту модель, ее «максималка» оставляет желать лучшего. Даже безумная версия G 65 AMG, развивающая 630 л.с., способна набирать всего лишь 230 км/ч.
5. Вазовская «классика». Коэффициент Сх = 0,56-0,5
В зависимости от модели аэродинамика тольяттинских автомобилей классического семейства немного различается. Наши коллеги из «Авторевю» в 2000 году продули «семерку» и получили результат 0,546. Хуже всего дела у «копейки» — аж 0,56. Такие данные приводит учебник «Автомобили и тракторы. Основы эргономики и дизайна», изданный МАМИ в 2002 году. «Шестерка», по тем же данным, имеет коэффициент 0,54. А лучше всех себя показал универсал 2104 — 0,53.
4. Hummer H2. Коэффициент Сх = 0,57
Многие и не догадываются, что Hummer на трассе с трудом может угнаться за современной малолитражкой, включая Lada Granta. Американский внедорожник не способен ехать быстрее 160 км/ч, в то время как тольяттинской модели покоряется скорость в 183 км/ч. Понятно, что Hummer более чем вдвое тяжелее, но так и мотор у него какой! Выпускавшийся с 2002 по 2009 годы внедорожник имеет под капотом могучий V8 рабочим объемом 6,2 л (393 л.с.), но при Cx = 0,57 он просто не способен нормально «продираться» сквозь толщу воздуха.
3. Jeep Wrangler (поколение TJ). Коэффициент Сх = 0,58
Автомобиль, который произошел от армейского «Виллиса» образца 1941 (!) года, принципиально чужд высоким скоростям. Конечно, современная машина не имеет общих кузовных панелей с Джипом времен Второй мировой войны: Wrangler гораздо крупнее и имеет более обтекаемые формы. Но это не сильно помогает. Хуже всего дела обстоят у двухдверной модификации с открытым верхом (Сх = 0,58). А лучше всего, как можно догадаться, у длиннобазной пятидверки с жесткой крышей — Jeep Wrangler Unlimited. Эта версия имеет Cx, равный 0,495.
2. УАЗ «Хантер» / УАЗ-469. Коэффициент Сх = 0,6
Выпускающийся сейчас «Хантер» мало отличается от УАЗа-469 образца 1972 года, и потому не мог не попасть в наш антирейтинг. Данные по УАЗу-469 приводит вышеупомянутый учебник МАМИ. Доверять этим сведениям вполне можно: первый в списке авторов — профессор Игорь Степанов, много лет занимающийся именно аэродинамикой, а также Анатолий Карунин — в прошлом заведующий кафедрой «Автомобили», а ныне ректор МГТУ «МАМИ».
1. Caterham Seven. Коэффициент Сх = 0,7
Как ни странно, у этого спорткара дела с аэродинамикой обстоят гораздо хуже, чем у угловатых внедорожников. Дело в том, что перед нами фактически разработка 50-х годов — Lotus Seven. Но самое интересное, что ужасная аэродинамика ничуть не мешает этой модели отлично проявлять себя на треке: дело в том, что сухой вес Caterham — лишь 575 кг. Поэтому при мощности в 260 л.с. (с «топовым» мотором) эта модель может набирать 250 км/ч. Ну а разгон до 100 км/ч и вовсе суперкаровский — 3,1 секунды.
Рейтинг лучших автомобилей по части аэродинамики
Борьба за улучшение аэродинамики машин сейчас обострилась как никогда: многие автопроизводители идут буквально «колесо в колесо». Поэтому на некоторых строчках нашего рейтинга расположились не одна и не две, а сразу несколько моделей (и в некоторых случаях это еще не полный список!). По каждой из моделей приведены данные той модификации, которая является лучшей по значению Сх.
Места с седьмого по пятое делят сразу два десятка машин, так что отдельно комментировать каждую из них мы не будем. Ну а начиная с четвертого места — то есть с Cx = 0,23 — остановимся на каждой модели.
Аэродинамика. Часть 2. Лобовое сопротивление.
В первой части речь шла об основах аэродинамики и борьбе за ньютоны прижимной силы. Но каждый ньютон силы, прижимающий болид к земле, приходит не один. Он приносит с собой величайшее зло для аэродинамики – лобовое сопротивление.
Ненадолго представим себя специалистами, проводящими аэродинамический расчет. Правда, в настоящее время облик этого специалиста изменился. Если на заре автомобильной аэродинамики это был человек с карандашом в руках, обложенный со всех сторон результатами испытаний, то теперь это инженер, сидящий перед компьютерным монитором, на котором медленно меняются цветные картинки.
За каждой из этих картинок кроется сложнейший процесс вычисления. Он основан на том, что пространство разбивается на множество ячеек, в каждой из которых есть газ. Для каждой ячейки имеется сложная система дифференциальных уравнений, описывающих поведение газа. И каждое мгновение компьютер проводит вычисления для миллионов таких ячеек, определяя сколько газа с какими параметрами пришло и сколько его вышло. Специалисту по аэродинамике остается только наблюдать за происходящим и анализировать результаты. Мы же поступим по старинке и вооружимся нехитрыми исходными данными: знанием основ аэродинамики, горсткой технической информации и калькулятором. Зато объект исследования у нас будет непростой – болид Формулы 1.
Как мы уже знаем, сила лобового сопротивления вычисляется по формуле:
Коэффициент аэродинамического сопротивления для современных болидов Формулы 1 находится в интервале от 0,5 до 1(в зависимости от трассы). По сравнению с гражданскими автомобилями – это очень много. Даже для внедорожников этот показатель находится в районе 0,4. А у лучших с точки зрения аэродинамики представителей автомобильного мира коэффициент лобового сопротивления чуть меньше 0,3. Для формульных болидов это несбыточная мечта. Таким образом они расплачиваются за открытые колеса, радиаторы системы охлаждения, большие антикрылья и возможность прижиматься к дорожному полотну с силой, эквивалентной полутора тоннам.
Представим, что мы на легендарной Монце: позади второй поворот Lesmo, а впереди нас ждет Ascari (это названия поворотов, обрамляющих длинную прямую с небольшим изломом). Но до Ascari еще далеко и мы несемся со скоростью 300 км/ч (примерно 83 м/с) по прямой.
Коэффициент лобового сопротивления нашего болида 0,5. Мы берем минимальное значение, поскольку храм скорости (а именно так в гоночном мире называют трассу в Монце) не прощает большого аэродинамического сопротивления и наказывает всех, кто пренебрег этим негласным правилом, драгоценными секундами, потерянными в безуспешной борьбе с воздухом на длинных прямых королевского парка. Площадь поперечного сечения нашего болида 1,5 м2 (приблизительные данные для BMW Sauber F1.07). Плотность воздуха 1,23 кг/м3. Проведем несложные вычисления:
Именно с такой силой воздух мешает нам двигаться дальше. За спиной 8 цилиндров объемом 2,4 литра, которые выдают 750 л.с. (551 кВт). А как известно, мощность – это произведение силы и скорости. Исходя из этого, мы можем посчитать, сколько же мощности, развиваемой двигателем, уходит на преодоление аэродинамического сопротивления.
Итак:
То есть ПОЧТИ ПОЛОВИНА МОЩНОСТИ двигателя болида уходит в воздух! Поразительно!
Представим, что мы захотели сделать абсурдный поступок и попытались проехать по этому же участку на болиде с аэродинамикой для безумной городской трассы в Монако, то есть с антикрыльями, состоящими из максимально разрешенного регламентом количества планок, наклоненных под максимальным углом атаки. Коэффициент лобового сопротивления стал равен 1, а значит аэродинамическое сопротивление, а вслед за ним и расходуемая на борьбу с воздухом мощность, возрастают в 2 раза. Выходит, что вся мощность двигателя будет потрачена на неравную борьбу с воздушной стеной. Но ведь есть еще и трение покрышек о полотно трассы, нужно преодолевать силы инерции и все тоже трение в коробке передач и дифференциале. А на это у мотора сил уже нет. Поэтому болид с аэродинамикой для гран-при Монако просто не сможет разогнаться в Монце до 300 км/ч!
Так что же это за таинственный враг под названием лобовое сопротивление?
Лобовое сопротивление складывается из двух составляющих: сопротивление трения и сопротивление давления. Рассмотрим их повнимательнее.
Множество выступов и впадин самой разнообразной формы. Что это? Это мы только что посмотрели на вполне гладкую на первый взгляд поверхность при увеличении в несколько тысяч раз. Когда воздух проходит вдоль этой поверхности, некоторые из его частичек цепляются за шероховатости, попадают во впадины и перестают двигаться вместе с остальным потоком. В результате около поверхности образуется так называемый пограничный слой, в котором скорость движения газа меняется в диапазоне от скорости потока до нуля. Следует отметить, что под частицами понимаются не молекулы газа, а небольшие объемы, содержащие множество молекул, но при этом малые по сравнению с размерами исследуемого объекта.
Тормозясь в шероховатостях поверхности, воздух создает силу трения, направленную в направлении движения потока. При этом принципиальное значение имеет то, каков характер пограничного слоя.
Пограничный слой может быть ламинарным и турбулентным. Представьте газовое течение в виде множества траекторий. Если течение ламинарное, то эти траектории не будут пересекаться. При сужении потока они будут плавно сближаться, а при его расширении постепенно отдаляться друг от друга. Это наилучший режим обтекания, поскольку в нем сглажены пульсации и один слой газа почти не мешает движению другого. Если же течение турбулентное, то траектории будут хаотично пересекаться. Это приведет к тому, что в потоке будут возникать вихри и пульсации, а движение одного слоя относительно другого будет затруднено.
Вернемся к пограничному слою. Если он ламинарный, то сопротивление трения минимально, а если турбулентный, то оно значительно возрастает. За счет турбулентного пограничного слоя размеры обтекаемого тела как бы увеличиваются благодаря тому, что вокруг него образуется пелена из вихрей.
Удержать поток в ламинарном состоянии – вот первостепенная задача, которую нужно решить для уменьшения сопротивления трения.
Шероховатость поверхности является одним из основных факторов, турбулизирующих поток. Так что гоночные автомобили блестят не только ради красоты, но и ради эффективной аэродинамики. Так же сильно завихряют поток стыки, швы, резко выступающие элементы. Поэтому обводы гоночных болидов грациозно-плавные, чтобы не дай Бог не побеспокоить столь чувствительный к возмущениям поток. А посмотрите на стыки: идеально подогнанные элементы, маленькие ровные зазоры – все в угоду аэродинамике.
Отрицательный градиент давления вдоль обтекаемого тела. За этой замысловатой формулировкой кроется еще один секрет, с помощью которого пограничный слой можно удержать в ламинарном состоянии. Так что же это за градиент? На самом деле ничего сложно. Было установлено, что если давление при движении по потоку падает, то это способствует удержанию ламинарного течения. А как мы помним, статическое давление падает тогда, когда растет скорость. Представьте, что вы в Испании, палит полуденное солнце, но вам совсем не до послеобеденной сиесты. Вы несетесь, в толпе обезумевших от страха и выброса адреналина людей в красном. А за толпой мчатся так же обезумевшие, но не от страха, а от полуденного зноя и красного цвета быки.
Тем временем видавшая виды улочка старого города становится все уже и уже. А вы бежите все быстрее и быстрее. Рядом с вами уже не многоликая толпа, а всего несколько столь же быстрых как и вы бегунов. Остановиться нельзя, поскольку толпа и уж тем более быки останавливаться не будут и попросту вас сомнут. Вы бы рады завернуть в одну из арок или дверей, которые мелькают где-то сбоку на фасадах старинных домов, но ваша скорость настолько велика, что совершить какой-то резкий маневр вам уже не по силам. И вы продолжаете бежать все быстрее, а рядом все меньше и меньше людей в красном. И если в начале сумасшедшего забега в толпе можно было наблюдать хаотичные движения из стороны в сторону, то теперь в лидирующей группе все строго и четко: люди бегут вперед и только вперед. Похожая картина происходит и в газовом течении. Частицам воздуха не до турбулентности, когда они ускоряются и подталкиваются своими так же ускоряющимися коллегами сзади. Вся энергия идет на движение вперед, а на перемешивание сил почти не остается. Лучше всего уменьшают давление за счет ускорения потока выпуклые формы (например, все то же крыло). Поэтому обводы формульных болидов не рубленные (поток будет завихряться углами), а плавные и выпуклые; поэтому капот, крылья, лобовое стекло, крыша спорткаров из кузовных чемпионатов как бы надуты изнутри и обязательно имеют хоть небольшую кривизну.
Конечно, рано или поздно поток, неаккуратно разрезанный зеркалом заднего вида или антенной, все равно сорвется в вихревое течение, но чем ближе к корме это наступит, тем большая часть автомобиля будет двигаться в окружении ламинарных струек с низким сопротивлением трения.
Настоящим бедствием для набегающего потока являются колеса. Мало того, что их поверхность обладает большой шероховатостью, так они еще и быстро вращаются. В результате сильные завихрения и увеличение сопротивления. Кроме того, спицы на колесных дисках не дают потоку спокойно двигаться. На гоночных автомобилях можно увидеть специальные спойлеры, предназначенные для того, чтобы пустить к колесу как можно меньше воздуха. Иногда применяются щитки, устанавливаемые перед колесом. Пусть лучше поток затормозится щитком и будет потом отведен в сторону, чем он попадет на колесо и превратится в плохоконтролируемый вихревой поток. Негативное влияние спиц может быть снижено благодаря специальным накладкам – колесным втулкам, широко применяемым в Формуле 1. Они закрывают спицы и тем самым снижают их негативное влияние.
Другая составная часть лобового сопротивления — сопротивление давления, — возникает из-за того, что поток под каким-то углом налетает на элементы автомобиля и оставляет им часть своей кинетической энергии. Так дает о себе знать динамическая составляющая давления
Первый и самый очевидный способ снизить сопротивление давления – это уменьшить площадь той поверхности, на которую воздействует поток. То есть поставить горизонтально антикрылья (а лучше вообще их отбросить), широкие и цепкие покрышки заменить на узкие, сделать минимальной ширину болида, убрать зеркала, камеры. Как видите, сплошные жертвы, которые приведут к снижению подъемной силы, снижению сцепления с трассой, снижению устойчивости в поворотах. Истинный путь лежит где-то посредине и овеян туманом. Его никто не видит, но все предполагают, что он где-то рядом. Вот на поиски это пути и уходят сотни часов исследований в аэродинамических трубах и виртуальных экспериментов на мощнейших суперкомпьютерах.
Другой путь не столь кардинален, но еще более трудоемок. Он заключается в создании оптимальной формы. Ведь все не сводится только к площадям поперечных сечений. Одно дело обтекать кирпич, а другое дело – крыло с такой же как у кирпича площадью поперечного сечения. Одно дело направить поток на крыло под углом в 45°, а другое, предварительно аккуратненько повернуть его спойлером так, что на крыло он придет уже под углом в 10°. Поэтому на хэтчбэках часто можно видеть комбинацию из спойлера и антикрыла. В добавок ко всему, за счет спойлера можно добиться того, что во время дождя капли не будут попадать на заднее стекло. Они будут сдуваться потоком, направленным спойлером, еще до соприкосновения со стеклом. И как это может помочь нам в снижении лобового сопротивления, спросите вы. Давайте задумаемся, как часто мы видим дождевые гонки? Так складывается, что не очень и большинство этапов все же проходит посуху. А стеклоочистители (в простонародии дворники) являются прекрасными источниками лобового сопротивления, поскольку поток цепляется за них, тормозится, завихряется. Гоночные автомобили редко стоят на месте и большую часть времени, когда работа дворников все же нужна, они находятся в движении. Поэтому дворник, расположенный на заднем стекле хэтчбэка, можно выбросить, а вместо него поставить спойлер, который будет выполнять функции стеклоочистителя, создавая при этом меньшее сопротивление.
Еще один способ элегантен и прост, как все гениальное. В авиации ходит поговорка: самолету мешают летать крылья. И это чистая правда, поскольку крылья таких размеров нужны лишь для того, чтобы взлететь. В дальнейшем скорость растет, и необходимая подъемная сила может создаваться в два раза меньшими крыльями. Так же и гоночным болидам крылья нужны в быстрых поворотах, где имеется достаточная скорость для создания прижимной силы. На прямых крылья только мешают разгону. Но у материалов есть замечательное свойство – упругость, благодаря которому конструкции могут изменять свою форму, а затем принимать прежний вид. Эту идею взяли на вооружение формульные инженеры. На прямых, где скорость большая, под напором набегающего потока крылья отгибаются, создавая меньше сопротивления. В поворотах, где скорость становится меньше, крылья принимают первоначальное положение и создают большую прижимную силу. Идея красивая, но, как это часто бывает, небезопасная. Думаю, многим, кто увлекается гонками Формула 1, памятны отрывающиеся крылья на болидах Формулы 1. Это во многом было следствием экспериментов с гибкими аэродинамическими элементами. Именно это случилось с болидом Кими Райконена, когда на скорости заднее антикрыло не выдержало напора набегающего воздуха и сломалось, в результате чего болид мигом потерял прижимную силу и выкатился за пределы трассы. В итоге появился еще один пункт технического регламента, запрещающий использовать гибкие антикрылья. Естественно, ничего абсолютно жесткого нет, и крылья гнутся. Но гнутся в строго определенных регламентом рамках.
Мы уже представляли автомобиль в виде крыла. Теперь его ждет очередное перевоплощение. На сей раз он будет поршнем. Поршень — это элемент конструкции, работающий за счет разности давлений. Взять тот же двигатель внутреннего сгорания. С одной стороны есть давление в камере сгорания (десятки атмосфер), с другой – атмосферное давление. Поршень перемещается под действием большего давления в сторону меньшего.
Смотрим на автомобиль. С одной стороны набегающий поток давит на его носовую часть. С другой — за автомобилем образуется зона разряжения, поскольку поток не успевает занять пространство непосредственно за ним. Давление в зоне разряжения гораздо меньше, чем то, что действует на переднюю часть. В результате получается своеобразный поршень, препятствующий движению вперед. Это так называемое донное сопротивление.
Вспомним каплю – идеальную аэродинамическую форму, созданную самой природой. Разряжение за каплей, благодаря ее сужающейся форме, минимально. Поэтому создателям автомобилей нужно стремиться к каплевидной форме задней части. Но здесь вступают в действие конструктивно-компоновочные соображения, согласно которым кроме аэродинамики есть еще много важных аспектов. Поэтому на практике сначала получают габариты задней части, а уже потом работают над обводами кузова, пытаясь угодить столь капризной аэродинамике. Ну а средств не так уж много: поработать над формой крыльев, багажника или капота, установить диффузор, не очень усердствовать со спойлерами и антикрыльями.
Охлаждение агрегатов автомобиля – отдельная большая тема. У нее много граней, и мы с вами сейчас коснемся лишь одной из них – той, что связана с аэродинамикой. Итак, воздух в системах охлаждения нужен для того, чтобы забрать тепло. Но мало просто пустить воздух к радиатору или охлаждаемому агрегату. Его нужно еще и отвести от объекта охлаждения.
Во-первых, это необходимо для повышения эффективности системы охлаждения. Чем больше нагретого воздуха в единицу времени мы отведем, тем больше ненагретого газа придет ему на смену. Во-вторых, все тот же поршень. Если воздух будет плохо отводиться от радиатора, то перед ним создастся избыточное давление, которое приведет к росту лобового сопротивления. Поэтому на гоночных автомобилях часто можно видеть жабры для отвода горячих газов.
Но просто отвести нагретый газ мало. Как известно, температура – это мера энергии. Когда мы ощущаем теплый воздух, то это означает, что его молекулы имеют большую кинетическую энергию, сильнее и чаще бьются о нас и передают нам эту энергию. Мы же просто чувствуем тепло. Так вот, отведенный поток более активен, чем тот, что не участвовал в охлаждении. Внутри более нагретого потока и на его границе велика вероятность образования турбулентных течений. Поэтому необходимо особо тщательно прорабатывать пути отвода горячих газов. Взгляните на болиды Формулы 1: их боковые понтоны изрезаны жабрами самой причудливой формы.
Так же немаловажным является вопрос отведения выхлопных газов от двигателя. С одной стороны лучше расположить выхлопные трубы сзади, где поток уже перестает обтекать автомобиль и следить за ламинарностью пограничного слоя нет нужды. Но с другой стороны таким жестом можно повлиять на работу диффузора. Поэтому на спортивных автомобилях часто можно увидеть выхлопные трубы в других местах. На тех же формульных болидах они расположены обычно перед задними колесами, там где уже течет нагретый радиаторами воздушный поток.
Подводя итог, можно сказать, что аэродинамика — это весы. На одной чаше которых прижимная сила, на другой – лобовое сопротивление. Но смотрим мы на эти чаши через кривое зеркало. Взглянули под одним углом, и перевешивает прижимная сила, поскольку в общем случае надо стремиться к большей стабильности и меньшему сопротивлению. Посмотрели под другим, и вниз тянет лобовое сопротивление, так как на быстрых трассах его снижение важнее, чем создание прижимной силы. Вроде бы лишь немного сдвинули свой взгляд в сторону, а победа вновь на стороне прижимной силы, ибо мы находимся на медленном автодроме. И так можно продолжать бесконечно.
Настолько многолика сама аэродинамика и настолько широко ее применение в автоспорте, автомобилестроении и тюнинге.
Следующая статья, как и обещал, будет посвящена заре аэродинамики и ее первым, неуверенным шагам в автоспорте. Не пропустите самое интересное ))
Подписывайтесь! Будет интересно 🙂
Отдельное большое человеческое спасибо за репост! 🙂