ВИХРИ ВРАЖДЕБНЫЕ

Кое-что о сопротивлении воздуха

Враг номер один

На нашей планете все, что может мало-мальски двигаться, испытывает на себе сопротивление атмосферы или водной стихии. Для автомобиля врагом номер один является воздух, и потому аэродинамика кузова должна обеспечивать как можно меньшее сопротивление набегающему потоку. Чем меньшее сопротивление оказывает автомобиль встречному потоку воздуха, тем более высокую скорость он может развить. Еще в двадцатых годах прошлого века появились аэро- динамические кузова, которые имели цель снизить лобовые сопротивления автомобиля. Позднее выяснилось, что необходимо также обеспечить его аэродинамическую устойчивость. Это принесло с собой как новые проблемы, так и новые знания. После Первой мировой войны в Германии осталось мало самолетов и много оборудования для их испытаний – в том числе и аэродинамических труб. Немцы и взялись продувать в них модели автомобилей в масштабе 1:4 и 1:10, в результате им удалось установить закономерности обтекания воздухом движущегося автомобиля. Авиаконструктор и инженер Эдмунд Румплер в 1921 году построил свой первый серийный «Тропфенваген» (автомобиль-капля). Форма кузова этого автомобиля приближалась к пропорциям капли – диаметр относился к длине как 1:6,– считающейся идеально обтекаемым телом. Уровень исследовательской техники еще не позволял определить, что капля воды в полете принимает отнюдь не каплевидную «форму», а несется к земле этакой лепешкой, сформированной взаимодействием сил поверхностного натяжения и внешних – аэродинамической и гравитационной – сил. Профиль же самолетного крыла считался константой, поэтому в таком приземленном вопросе, как обтекание автомобиля, брали за основу то, что надежно работало в воздухе.

Из жизни хвостатых

Для уменьшения лобовой площади, а значит, и сопротивления воздуха, в конце двадцатых годов стали прибегать к сокращению общей высоты машины, что привело к появлению кузовов настолько низких, что езда в них и вход-выход стали чрезвычайно неудобны. Снижение высоты кузова мало сказывалось на уменьшении лобовой площади автомобиля и сопротивления воздуха движущемуся автомобилю. Выяснилось, что главное – это улучшение формы кузова с точки зрения его обтекаемости. Потери мощности на сопротивлении воздуха зависят в значительной мере от образования вихрей сзади автомобиля и около его выступающих частей. Для того, чтобы воздушные потоки могли постепенно сходить с задней части кузова, не образуя значительных вихрей, задок автомобиля должен быть несколько вытянут. Дальнейшее развитие автомобильной аэродинамики связано с работами Пауля Ярая. Он уже не копировал каплю, но строившиеся в 30-е годы по его патентам кузова были «хвостатыми» – зад- няя часть кузова сужалась, линия крыши плавно опускалась вниз, переходя в длинный и плоский хвост наподобие утиного. С начала тридцатых годов появились новые модели серийных автомобилей с улучшенной аэродинамикой. Однако основой современной аэродинамики автомобильного кузова стало открытие профессора Высшей технической школы в Штутгарде Купибльда Камма – в 1938 году по его предложению были построены опытные образцы обтекаемых кузовов, которые как будто бы следовали идеям Румплера о каплеобразной форме, но с радикальным отличием – Камм отрезал неудобный и мешавший «хвост». Оказалось, что кузов с вертикальной задней стенкой обладает не худшими аэродинамическими качествами. А форма его куда более пригодная для массового серийного автомобиля. Развитие идей Камма и привело к сегодняшней стандартной форме двухобъемных кузовов.

Дело - труба

На рубеже 60-70 годов с наступ-лением энергетического кризиса началась эра борьбы за снижение Cх – коэффициента лобового сопротивления. Cх – это безразмерная величина, характеризующая обтекаемость автомобиля воздухом. Поскольку автомобиль обычно движется вперед, конструкторов интересует прежде всего обтекаемость вдоль оси машины, по координате Х. Есть и Сy, и Сz, характеризующие боковую и подъемную составляющие обтекаемости. Боковая сила, как правило, равна нулю, а подъемная должна быть как можно меньше. В идеале и Сz хорошо бы иметь равной нулю, но добиться этого очень трудно. В результате возникла проблема строительства новых аэродинамических труб. Однако это сооружение очень дорогостоящее и энергопотребляющее, и даже на сегодняшний день не каждая автомобильная фирма располагает такой установкой. Если трубы не было, аэродинамические исследования проводились в виде «съемок гангстерского боевика»: бок о бок по дороге мчались два автомобиля. Один испытуемый был обклеен ленточками, указывающими направление воздушных потоков, а другой, где находился экипаж, увешанный кинокамерами, фиксировал все на пленку. Многие важные параметры при этом оставались «за кадром» (неизвестно, как ветер гуляет под капотом, днищем и т. д.).

Первая советская

Большая аэродинамическая труба была построена в СССР в 1986 году на Центральном испытательном полигоне под Димитровом. Ради благой цели не пожалели десяти миллионов долларов. Даже сейчас эта труба считается одной из самых современных в мире. Длина всей установки, замкнутой в кольцо – свыше 50 метров. А в 1997 году и в Тольятти появилась собственная полномасштабная аэродинамическая труба. Скорость воздушного потока в димитровской трубе – 40 м/с (144 км/ч), в тольяттинской – 60 м/с (216 км/ч). Создает этот рукотворный ветер главный вентилятор – циклопичес-кое сооружение с диаметром лопастей 7,4 метра, максимальными оборотами 300 об./мин., и рабочей мощностью электромотора 2300 кВт. В мире имеются, конечно, трубы и меньшего, и большего размеров. Площадь их рабочей части составляет обычно от 12 до 65 кв. м, а мощность – от 1500 до 6700 кВт. Процесс испытания автомобиля в аэродинамической трубе проводится по собственным методикам: у каждой фирмы они свои. Но в любом случае берется новый автомобиль, закатывают в трубу, отворяя боковую секцию стены, и ставят на поворотную площадку в центре огромного диффузора – сужении трубы, сделанном для увеличения скорости потока воздуха. Каждое из колес при этом оказывается на одной из четырех чашек электромеханических шестикомпонентных весов. Они измеряют действующие на автомобиль силы и моменты по трем осям – х, у, z. Всего получается шесть компонентов, и поэтому внизу под площадкой – шесть коромысловых весов, чьи противовесы балансируют в равновесном состоянии с помощью шаговых электродвигателей. Эти точнейшие весы, на которые может встать легкий грузовик, реагируют на брошенную копеечную монету! В машину кладут балласт, имитируя присутствие в салоне трех седоков, и оставляют на «ручнике» и на передаче. И все – никакой страховки. Электродвигатель начинает вращать с потусторонним воем огромный пропеллер, и в трубе возникает пойманный в кольцо ветер. Автомобиль виден на мониторах, а также через толстые стекла окон. Мощнейший компьютер постоянно опрашивает весовые датчики и обрабатывает огромный массив данных.

Война коэффициентов

Полный цикл продувки длится полтора часа. После расшифровки полученных данных настает, что называется, момент истины. Оказывается, у весьма динамичного внешне ВАЗ-2109 Сх чуть меньше, чем у «классики», и больше (!), чем у коротенькой угловатой «Оки». У древней «Победы» Сх такой же, как и у ВАЗ-2106 ,– 0,46. Даже у стремительного на вид «Москвича-2141» и «Святогора» Сх = 0,47! А Сх старушки «Волги» оказался 0,461 – на 3,5% меньше, чем у «Святогора»! Вот что значит удачное сочетание формы передней кромки капота, формирующей дальнейший поток воздуха, с углом наклона лобового стекла. Передняя часть автомобиля должна быть низкая и широкая, без острых углов, чтобы не было отрыва потока воздуха. Наибольшее же влияние на коэффициент обтекаемости оказывает задняя часть автомобиля по той простой причине, что там поток обрывается, и, главное, образуются завихрения. Эти самые завихрения и приносят основные потери, причем наибольшее влияние на Сх оказывает угол наклона задней части. С этой точки зрения у «Святогора» весьма неожиданный задок. Срыв потока происходит по нижней кромке двери, наклоненной на 27°. В итоге заднее стекло чистое, но Сх – наихудший из возможных. Первый отечественный автомобиль, к которому инженеры подо-шли со всей «аэродинамической» серьезностью, еще на разработке макета – ВАЗ-2110. И как бы не ругали «десятку» за дизайн, на высоких скоростях она разгоняется гораздо охотнее «девятки» с таким же двигателем, а экономия топлива очевидна даже на глаз. Подсчитано, что уже со скорости 60 км/час аэродинамическое сопротивление машины начинает превышать сумму всех остальных, препятствующих движению. Вот почему борьба за снижение Сх никогда не прекратится. Сегодня у лучших легковых автомобилей коэффициент аэродинамического сопротивления стал ниже 0,3 и приближается к 0,25, а концепты, аэродинамика которых просчитывается компьютером, уже показывают Сх =0,19!