Первые модели с улучшенной аэродинамикой сделаны в форме капли - она и обрела свою форму именно ради проникновения сквозь воздух. Поговорим об аэродинамике автомобиля и узнаем что такое коэффициент Сх и на что он влияет.
Основные факты аэродинамики
Главная проблема, которую решают при отработке аэродинамики, - снижение лобового аэродинамического сопротивления. C ростом скорости увеличивается и сопротивление воздуха. Когда машина разгоняется с 60 до 120 км/ч аэродинамическое сопротивление возрастает вчетверо. Для примера, автомобилю массой 2 тонны при движении на максимальной скорости в 250 км/ч только на преодоление сопротивления воздуха нужно 180 л.с., а на 300 км/ч эта машина тратила бы только на это - 310 л.с.Коэффициент Cx определяется экспериментально . Он главная величина, которая описывает аэродинамическое совершенство кузова. Когда-то его условно приравняли к 1,0 для круглой пластины. Как потом выяснилось на практике, из-за турбулентности за пластиной ее Cx равен примерно 1,2. Самый низкий Cx у капли - примерно 0,05.
При нормальной эксплуатации авто важнее всего сопротивление: именно оно оказывает существенное влияние на расход топлива . Снизить его можно двумя способами: улучшить форму (снизить Cx) или уменьшить поперечное сечение машины. Вертикальные силы могут быть полезными, если действуют вниз, и вредными, если способствуют подъему машины. С боковыми все еще сложнее. Они трудно предсказуемы, а их причины разнообразны: поворот, порыв ветра. Зато влияние они оказывают небольшое.
Все автопроизводители обзавелись специальными лабораториями для изучения аэродинамики. Самый сложный и дорогостоящий элемент - аэродинамическая труба. В ней макеты и реальные автомобили обдуваются сильными потоками воздуха. Это позволяет изучить все особенности формы кузова автомобиля.
Удалось достигнуть многого: у большинства современных машин коэффициент Cx равен 0,30-0,35, самые совершенные достигают значений 0,26-0,27. Он зависит от скорости, направления движения относительно воздуха или состояния поверхности кузова. Приведенные значения - идеал, которого может достичь данная модель.
Прижимная и подъемная силы
Низкое лобовое сопротивление иногда не важно. Болиды "Формулы-1" имеют Cx от 0,75 до 1,0! Большую часть сопротивления создают открытые колеса. Но дело не в этом. Для них важнее другие параметры и прежде всего - прижимная сила. Для реализации огромного крутящего момента двигателя необходимо хорошее сцепление колес с дорогой и устойчивость в повороте.Для гоночных автомобилей хорошая аэродинамика означает отсутствие подъемной силы и наличие прижимной. Обеспечить это формой кузова сложно, поэтому в ход идут дополнительные аэродинамические элементы: спойлеры и антикрылья.
Чаще всего для снижения подъемной силы используют спойлеры под передним бампером и на крышке багажника. Отсекая часть потока, идущего под машину, передний спойлер снижает давление в этой зоне, так что машина присасывается к дороге. Спойлер на крышке багажника ставят для организации срыва воздушного потока до того, как он начнет образовывать вихри за машиной, которые увеличивают сопротивление воздуха. А вот антикрыло работает на создание прижимной силы.
Заметный эффект они создают при скорости 120 км/ч и выше. При этом надо иметь в виду, что работающий на создание прижимной силы воздух создает заметное сопротивление, поэтому максимальная скорость машины с аэродинамическим обвесом будет ниже, а расход топлива - больше.
Благодаря несимметричному профилю поток над плоскостью крыла течет быстрее, что, согласно закону Бернулли, создает над крылом зону разрежения а, в конечном итоге, и подъемную силу.
Почему крыло самолета создает подъемную силу? Отнюдь не из-за угла между ним и набегающим потоком, как кажется на первый взгляд – угол этот может быть и нулевым (хотя при его увеличении подъемная сила и возрастает). Секрет крыла кроется в его особом профиле. Оказывается, будучи несимметричным, оно разрезает набегающий воздух таким образом, что верхний поток проходит больший путь, чем нижний. С учетом несжимаемости воздуха (на малых скоростях) это означает, что над крылом скорость потока выше, а статическое давление, соответственно, ниже. Эта разность давлений и создает подъемную силу.
При чем же здесь автомобиль? А притом, что характер его обтекания воздухом практически тот же: нижний поток, ныряя под днище, обходит кузов по прямой, а верхний вынужден ускоряться, дабы успеть обогнуть автомобиль сверху. Отсюда все та же разница в давлении и подъемная сила. Правда, во многом она компенсируется динамическим давлением воздуха на капот и лобовое стекло - отталкивая поток вверх, автомобиль, согласно закону сохранения импульса, сам дополнительно прижимается к земле. В итоге подъемная сила получается невелика – как правило, даже на предельной скорости автомобиль разгружается не более чем на 100 кг.
Характер обтекания автомобиля во многом повторяет ситуацию с крылом -все так же воздух сверху ускоряется, а его давление падает.
В общем-то, этой величиной можно и пренебречь, но беда в том, что по осям она распределяется неравномерно – если передок автомобиля, как уже было сказано, догружается встречным воздухом, то задняя часть кузова нередко оказывается еще и в области сильного разряжения из-за отрыва потока. В результате с набором скорости постепенно меняется баланс автомобиля: задняя ось разгружается, увеличивая риск заноса. С этой неприятностью в основном и борются производители массовых автомобилей, тем более что до некоторого момента снижение подъемной силы не противоречит уменьшению лобового сопротивления.
Например, стремление к безотрывному обтеканию кузова воздухом понижает не только Сx, но и подъемную силу, ведь над автомобилем в таком случае не возникает локальных зон резко пониженного давления. Аналогично две цели преследует и выравнивание поверхности днища – поток воздуха под автомобилем меньше «цепляется» за неровности, его скорость возрастает, а давление, наоборот, падает.
На устойчивость автомобиля влияет и характер обтекания кузова воздушными потоками, направленными под определенным углом к его продольной оси. В этом случае результирующая сила лобового сопротивления, приложенная к его центру парусности, который находится на некотором расстоянии от поверхности контакта автомобиля с дорогой, а также смещен от его центра масс, создает разворачивающий момент и крен автомобиля. Ощутить всю прелесть данного явления можно, например, на "Таврии" при движении на высокой скорости в момент прохождения рядом "фуры".
Аэродинамические шумы, возникающие при движении автомобиля, свидетельствуют о плохой его аэродинамике или же о ее отсутствии вообще. Генерируются они за счет вибраций элементов кузова в моменты срыва воздушного потока с их поверхности. По наличию или отсутствию шумов на высоких скоростях движения можно определить степень проработки конструкции автомобиля в аэродинамическом смысле.
Как Вы понимаете, просчитать такое огромное количество параметров аэродинамики автомобиля невозможно. Поэтому ее созданием и доводкой конструкторы занимаются путем многочисленных продувок в аэродинамических трубах, как моделей автомобилей, так и натурных образцов.
К удивлению многих автолюбителей и почитателей тюнинга, антикрыло и спойлер – разные по своему назначению устройства. Проведем небольшой экскурс в мир аэродинамики автомобиля, чтобы понять роль спойлера и заднего антикрыла.
Из теории аэродинамики
Антикрыло, что явствует уже из названия, является противоположностью крыла. Главный принцип работы крыла – создание подъемной силы. Разница давлений между нижней и верхней плоскостью профилированного тела была описана Бернулли. Именно профилированная форма крыла, при которой верхняя плоскость имеет большую площадь, используется в авиации для создания подъемной силы. В случае с антикрылом имеет место тот же физический процесс, но только крыло перевернуто. Таким образом, плоскость, на которой устанавливается приспособление, получает дополнительную прижимную силу. В этом и заключается основное предназначение аниткрыльев.
Как работает антикрыло на автомобиле
Площадь нижней части антикрыла больше площади верхней плоскости, поэтому воздух над антикрылом проходит быстрее. В нижней части создается область низкого давления, а в верхней – зона высока давления. Увеличению эффекта способствует расположение эпод отрицательным углом атаки. Между нижней частью и плоскостью, на которой установлено антикрыло, должно быть расстояние для прохождения воздушных потоков. Именно таким образом установка заднего и переднего антикрыльев придает автомобилю дополнительное давление на площадь контакта колеса с дорогой. Иными словами, увеличивается прижимная сила.
Немного о спойлере
Но для чего тогда спойлер? Этот термин в автомобильный мир также попал из авиации. В крыле самолета используются специальные многофункциональные интерцепторы, именуемые спойлерами. Их главное предназначение – противодействие подъемной силе. Что касается автомобильного спойлера, то это устройство для перенаправления воздушных потоков с целью уменьшения аэродинамического сопротивления. Дополнительной, но не менее важной, функцией заднего спойлера является отвод грязевых потоков. Во время движения на большой скорости позади автомобиля образовывается турбулентность, что приводит к засасыванию грязевых потоков, проходящих под днищем. Поэтому в конструкцию заднего спойлера заложена функция уменьшения турбулентности.
В автоспорте, как ни странно, спойлеры применяются для создания разряжения за автомобилем. Завихрения создают зону низкого давления у заднего бампера, что способствует увеличению прижимного усилия. Увеличивается скорость прохождения воздушных потоков под днищем автомобиля. В таком случае спойлер помогает всему кузову автомобиля выступать в роли антикрыла (нужно вспомнить закон Бернулли).
Основные характеристики
Подводя небольшие итоги, можно провести общее сравнение. Антикрыло:
- создает прижимное усилие;
- повышает коэффициент лобового сопротивления.
На гражданские автомобили монтируются только спойлеры, так как использование антикрыла ведет к возрастанию расхода топлива и, как следствие, количеству вредных веществ от выхлопных газов. Именно поэтому конструкторские бюро работают над уменьшением значения Сх (коэффициент воздушного сопротивления).
Чудеса аэродинамики
Заядлые автолюбители могут вспомнить классический аэродинамический элемент, используемый Porsche. Так называемый ducktail (утиный хвост), который получают многие заднемоторные спорткары. Название заднего антикрыла ducktail получить не может, так как не имеет расстояния между кузовом и нижней кромкой аэродинамического элемента. Но и спойлером задумка Порше быть не может, так как располагается задолго до места срыва воздушных потоков. А этот аспект – один из главных, если мы говорим об определении заднего спойлера.
Благодаря большому углу атаки ducktail значительно увеличивает прижимающую силу задней оси. А ведь именно эту роль выполняет антикрыло. Также за аэродинамическим элементом создается разряжение, что заставляет воздушные потоки скользить по кормовой части автомобиля, попутно захватывая горячий воздух с моторного отсека. Таким образом, инженеры решили две немаловажные задачи.
Многие современные спортивные автомобили имеют управляемое антикрыло. Оно не только может изменять угол атаки, но и вовсе быть единым целым с кузовом до определенного момента. Антикрыло автоматически выезжает при достижении определенной скорости, изменяет угол наклона в зависимости от тормозного усилия и интенсивности маневрирования.
Аэродинамика передней части
Несмотря на то что при упоминании спойлера у большинства людей возникает представление заднего аэродинамического аксессуара, к разряду распределителей воздушных потоков может быть отнесена даже «губа» переднего бампера. Такой передний спойлер отводит часть воздуха около дорожного полотна, направляя его обиход кузова автомобиля. «Юбка» позволяет уменьшить завихрения, которые неминуемо возникают при огибании деталей подвески, трансмиссии, выхлопной системы. Конструкторы современных авто пытаются сделать днище обтекаемым, пряча элементы под аэродинамическими кожухами.
В автоспорте применяются не только классические «юбки», но и более развитые спойлеры переднего бампера. Так называемые сплитеры, предназначение которых – отсекать наплывающий воздушный поток, пропуская его через внутренние каналы воздуховодов. Забираемый воздух может быть использован для охлаждения двигателя, тормозов либо для диффузора в заднем бампере.
В гонках на время возросшее сопротивление набегающему воздуху компенсируется увеличением мощности. Главная цель – улучшить управляемость автомобиля, устойчивость и эффективность торможения.
В Формуле 1 эффективность аэродинамики имеет решающее влияние на результат, но создаваемая машиной прижимная сила зависит от нескольких факторов. О них, а также о предстоящих изменениях в регламенте, на страницах британского F1 Racing говорил глава технического департамента Williams Пэт Симондс...
Когда инженеры говорят о прижимной силе или лобовом сопротивлении, они стараются исключить влияние внешних условий. Прижимная сила на скорости за 320 км/ч будет варьироваться в теплый день, когда плотность воздуха низкая, и в холодную погоду, когда плотность значительно выше. Пилоты самолетов знают об этом и корректируют скорость отрыва от взлетно-посадочной полосы, ведь и подъемная сила крыла меняется в зависимости от температуры и давления воздуха.
Чтобы устранить неопределенность, инженеры выражают прижимную силу с помощью так называемого «коэффициента подъема». В случае с прижимной силой - когда крыло направлено вниз - он имеет отрицательное значение. Этот коэффициент, помноженный на плотность воздуха, квадрат скорости и условную площадь, позволяет вычислить значение прижимной силы. Под условной площадью, как правило, понимают площадь лобового сечения машины, многие команды считают её равной 1,5 кв.м., но жестких рамок нет, потому расчет коэффициента подъёма в разных случаях может отличаться.
Предположим, машина имеет коэффициент подъема -3,5. За счет работы в аэродинамической трубе можно улучшить его на сотые доли. Для удобства специалисты по аэродинамике называют значение, равное 0,01, пунктом. Таким образом, при повышении прижимной силы на один пункт значение коэффициента изменится с -3,5 до -3,51. Но добиться даже такого эффекта настолько сложно, что речь обычно идет о тысячных, и каждую такую долю именуют единицей.
Эффект от прогресса в один пункт может варьироваться от трассы к трассе, но повышение коэффициента на 3 пункта позволяет сбросить примерно одну десятую на круге. Учитывая плотность результатов, это может стать решающим фактором.
Создаваемая машиной прижимная сила зависит от величины дорожного просвета, угла установки колес, силы потока выхлопных газов и других факторов. Чтобы оценить взаимное влияние, инженеры изображают их на специальном графике, где по осям размещены, например, величины дорожного просвета на передней и задней осях, а точки показывают уровень прижимной силы.
Форма графика столь же важна в работе над скоростью, как описанные коэффициенты, специалисты по аэродинамике стараются свести её к максимально плавной линии – это позволяет настроить машину таким образом, чтобы при определённой скорости и величине дорожного просвета обеспечить заранее рассчитанное значение прижимной силы. Если форма графика далека от идеальной, подобрать настройки крайне сложно, как и управлять машиной на трассе.
В 2014 году параметры аэродинамического обвеса сильно изменятся. В частности, ширина переднего антикрыла уменьшится с 1800 до 1650 мм, а инженерам придется разместить носовой обтекатель ниже, чтобы гарантировать большую безопасность в случае происшествий.
Аэродинамические элементы машины должны работать, как единое целое, но ключевым остается переднее антикрыло. Когда в 2009 году ширина антикрыла была увеличена, инженерам потребовалось немало времени, чтобы оптимизировать воздушный поток. В результате на антикрыле появились торцевые пластины сложной формы. Теперь края крыла будут смещены к центру машины, на них иначе повлияет вращение передних колес – оптимизацию придётся начинать заново.
В задней части машины сейчас можно увидеть небольшое крыло, обеспечивающее связь воздушного потока, проходящего над машиной, и потока, отводимого от диффузора. В 2014 году этого элемента не будет, и общая эффективность аэродинамики существенно снизится.
Изменится и расположение выхлопа: единственное выхлопное отверстие разместят над коробкой передач, и оно не сможет обеспечить столь значительный эффект, какой создается выхлопной системой сейчас. Если учесть, что верхняя плоскость заднего антикрыла тоже потеряет в площади, уровень прижимной силы снизится и спереди, и сзади.
Сложно сказать, к какой потере в скорости это приведет. Когда новую аэродинамическую спецификацию впервые протестировали в аэродинамической трубе, она оказалась на 30% менее эффективной – и это без выхлопной системы, которая сейчас очень помогает. С тех пор инженерам удалось добиться определенного прогресса, но в начале года мы всё равно увидим существенное снижение скорости.
Возврат к сегодняшнему уровню аэродинамической эффективности с машиной 2014 года потребует времени, но инженеры Формулы 1 весьма изобретательны. В 2009 году изменения в правилах преследовали цель замедлить прогресс, однако неоднозначное толкование правил позволило внедрить двойные диффузоры и добиться гораздо большего эффекта. Ждет ли нас такой же прорыв в 2014-м? Поживем – увидим.
При обтекании кузова автомобиля воздухом всегда имеют место две противоположные тенденции. С одной стороны, поток воздуха, обегающий машину сверху, поджимается кузовом, вследствие чего вынужден разгоняться. В результате давление в потоке падает, и возникает определенная подъемная сила.
Но и поток газа, выбравший для себя путь под днищем машины, также разгоняется, попадая в узкую щель между асфальтом и автомобилем. Это создает некоторое разрежение под машиной, присасывая ее к дороге.
Какая из этих тенденций перевесит - зависит от большого количества факторов. «Гражданские» машины обычно имеют достаточно большой дорожный просвет и негладкие днища, что препятствует возникновению серьезного разрежения под машиной, поэтому их движение чаще сопровождается действием подъемной силы. Например, симпатяга Volkswagen New Beetle на скорости 190 км/ч создает подъемную силу в 340 кг, что составляет почти треть массы автомобиля! Явление усугубляется характерным «горбатым» профилем «Жука», разгоняющего поток газа над машиной не хуже выпуклой части крыла самолета. А вот на Ferrari 360 Modena днище закрыто специальным обтекателем, поэтому на той же скорости на машину действует прижимная сила 90 кг, удваивающаяся при разгоне до 300 км/ч.
  |
Создание прижимной силы за счет разрежения под машиной является крайне привлекательным полем деятельности для аэродинамиков, ведь площадь днища машины во много раз превосходит площадь даже самых больших антикрыльев. Поэтому действие уже небольшого разрежения приводит к возникновению ощутимой прижимной силы. Кроме того, обычно аэродинамическое сопротивление шасси при этом увеличивается незначительно, а в некоторых случаях даже уменьшается.
Апогеем использования днищ автомобилей Формулы-1 для создания прижимной силы стала эра граунд-эффекта, начавшаяся с дебюта в 1977 году автомобиля Lotus 78. После этого многие машины Формулы-1 получили специально профилированные нижние части боковых понтонов, позволявшие разгонять воздух до такой степени, что прижимные силы на скорости 300 км/ч переваливали за 1,5 тонны.
Чрезмерно возросшие скорости движения машин в поворотах привели к запрету граунд-эффекта в конце 1982 года. С тех пор регламент требует, чтобы днища машин Формулы-1 между передними и задними колесами были плоскими.
Какое-то время казалось, что отныне бремя создания прижимной силы ложится исключительно на традиционные антикрылья. Однако, как выяснилось, даже под плоским днищем воздушный поток можно разогнать настолько, что значения возникающей прижимной силы окажутся вполне сравнимыми с величинами сил, обеспечиваемых антикрыльями. В современном автомобиле Ф-1 порядка 40% всей прижимной силы возникает за счет действия разрежения под днищем.
От каких же факторов зависит эффективность создания прижимной силы под днищем машины?
Во-первых, от соотношения воздушных потоков, обтекающих машину сверху и снизу. Инженеры стремятся загнать как можно больше воздуха под автомобиль, что, с одной стороны, снижает разрежение, действующее на машину сверху, а с другой - уменьшает давление под машиной. Характерным примером того, как этого добиться, является Tyrrell 019 с так называемым «вздернутым носом», дебют которого состоялся в 1990 году. Эта концепция впоследствии была принята всеми командами Формулы-1 и стала нынче традиционной. Классические «низкие носы» машин Формулы-1 конца 80-х, украшенные с обеих сторон «усами» антикрыльев, препятствовали попаданию воздуха под днище. «Задрав» передние обтекатели, автомобили получили прибавку в прижимной силе с минимальным изменением коэффициента аэродинамического сопротивления, что сделало эту идею настоящим хитом.
  |
С другой стороны, для того чтобы как следует разогнать поток воздуха под машиной, требуется определенный, обычно небольшой, дорожный просвет (расстояние между нижней точкой машины и трассой). Уменьшение просвета до определенного значения приводит к возрастанию коэффициента прижимной силы, поскольку уменьшается площадь поперечного сечения щели, по которой течет газ, с соответствующим увеличением скорости потока. Дальнейшее «приседание» машины вызывает «затирание» воздушного потока под днищем за счет действия вязкостных сил трения, что затрудняет ток газа.
Международная автомобильная федерация в непрерывной борьбе с возрастающими скоростями предприняла еще несколько атак на прижимную силу, создаваемую под днищем. Так, с 1995 года регламент обязывает инженеров делать днища автомобилей Ф-1 ступенчатыми: нижние части боковых понтонов должны располагаться в 50 мм над базовой плоскостью. Это увеличивает площадь поперечного сечения щели, по которой течет газ, и соответственно уменьшает прижимную силу. Ограничение общей ширины автомобиля в 1998 году величиной 1800 мм привело к искажению его пропорций. Длинные и узкие машины менее эффективны с точки зрения создания прижимной силы под днищем.
Вблизи поверхности днища за счет действия вязкостных сил трения воздушный поток имеет ту же скорость, что и автомобиль. Воздух как бы «прилипает» к днищу, двигаясь вместе с ним. Та же ситуация имеет место около поверхности трассы, где воздух, затормаживаемый силами трения со стороны трассы, неподвижен относительно дорожного полотна. Такие воздушные слои вблизи поверхностей называются пограничными. Между пограничными слоями воздушный поток движется относительно трассы с определенной скоростью, достигающей величин 30-50 км/ч. Другими словами, если скорость автомобиля относительно неподвижного воздуха - 300 км/ч, то под машиной поток газа разгоняется до 330-350 км/ч. За счет этого и возникает разрежение, присасывающее машину к земле. В результате падение давления под днищем машины может достигать 9 кПа. Много это или мало? Представьте себе, что такое разрежение мог бы развивать ваш пылесос. Тогда им можно было бы поднимать предметы массой до 10 кг, то есть, к примеру, «припылесосить» среднего размера собачку. Действуя же на обширное днище, поток создает прижимную силу в несколько сотен килограммов.
Именно таким образом из скрытого от посторонних взглядов плоского днища кудесники от аэродинамики извлекают почти столько же сил, сколько и из видимых каждому хитроумных антикрыльев. Впрочем, «донная» аэродинамика - слишком большой секрет, чтобы оставаться в Ф-1 тайной хоть для кого-нибудь.