Аэродинамика автомобиля.
29/10/2019Если спросить у любого фаната, какое именно качество спортивной машины является самым важным, мы уверены, в первую очередь будет названа мощность двигателя. А вот аэродинамика автомобиля будет стоять на последнем месте.
Примерно также полвека назад думали и многие гоночные инженеры. Однозначными лидерами в мировом автоспорте на тот момент были немцы, а «кольцевой» Mercedes 300SLR тех лет и по нынешним временам уверенно тянет на звание шедевра. Достаточно сказать, что двигатель этой машины был оборудован непосредственным впрыском топлива в цилиндр – его наличием тогда могли похвастать лишь лучшие авиационные моторы минувшей войны.
Впрочем, и с остальными слагаемыми победы у «Серебряных стрел» (так назывались эти фантастические по любым меркам снаряды) было все очень даже неплохо. Здесь и уникальные тормоза, и революционная подвеска, и весьма рациональная конструкция кузова. А также, отличная аэродинамика автомобиля – авторитет немецких инженеров на этом поприще всегда был непререкаемым.
Но вот ведь в чем дело, достичь каких-то рекордных, невиданных ранее параметров сравнительно несложно – во всяком случае, желающих этим заниматься хватало во все времена. Это с одной стороны, а с другой – природа всегда наказывала за нарушение любого из ее законов, и довольно безжалостно. В тот момент было хорошо известно, что на подавляющее большинство обтекаемых воздухом тел действует не только лобовое сопротивление, но и еще одна сила, перпендикулярная направлению движения (ее происхождение было открыто нашим соотечественником Николаем Жуковским). Называется сила подъемной, и было очевидно, что на автомобиле с ней нужно вести непримиримую борьбу, улучшая аэродинамику.
В данном случае это не совсем удалось, и в один далеко не прекрасный день, прямо во время гонки в Ле–Мане, «Серебряная стрела», хорошенько разогнавшись на старте, задела одного из соперников и на мгновение потеряла опору. Но не думайте, что дальше она, подобно современным болидам «Формул», подпрыгнула и пару раз перевернулась. Все вышло гораздо хуже: кратковременный отрыв (видимо, передней оси) привел к росту угла атаки – подъемная сила резко увеличилась. Mercedes 300SLR взвыл в воздух на несколько метров и полетел прямиком на переполненные зрительские трибуны. В результате погибли 82 человека, включая самого пилота Пьера Левега.
Подъёмные силы.
Однако прежде чем вдаваться в аэродинамические тонкости автомобиля и обсуждать, что именно и откуда берется, стоит выяснить чем все это нам грозит в обыденной жизни. Описанный выше случай можно смело назвать уникальным: на дорогах общего пользования автомобили взлетают нечасто. Но это не означает, что подъемная сила на них не действует. Действует, и еще как!
Самое простое тому доказательство – многочисленные гаражные истории о «Жигулях», норовящих оторваться от земли при попытках разгона до паспортной «максималки». Конечно, доля приукрашивания в подобных рассказах довольно велика. Как правило, значительная подъемная сила – удел автомобилей достаточно обтекаемых, да и жигулевские полторы сотки километров в час – это, согласитесь, еще не скорость.
Но верно и другое: дыма без огня не бывает. Если разные люди, независимо друг от друга, говорят одно и то же, значит не все здесь чисто. Тем более, что попытки выжать максимум, водители серийных ВАЗов предпринимают не каждый день, поэтому всякие странности в такой необычной ситуации будут особенно заметными.
Как они могут проявиться? Первый случай самый простой и самый для нас благоприятный. Автомобиль здесь равномерно всплывает в воздухе, немного, а главное одинаково, разгружая все четыре колеса. Уменьшению нагрузки на колесные подшипники радоваться не стоит: у разгруженной шины снижается сцепление с заданной поверхностью. А быстрая машина – существо беспокойное. Всякие ямки, камешки под колесами и даже неожиданные порывы бокового ветра так и стремятся сдернуть ее с нужной нам траектории. Компенсировать эти возмущения без хорошего «зацепа» будет нечем: крути руль – не крути, а на «всплывшем» автомобиле в дорогу не попадешь. Тем более на хорошей скорости.
Впрочем, это еще не самое плохое, что иногда происходит на высокой скорости. Представьте, что вся наша подъемная сила не равномерно распределяется между осями, а приложена именно к носу кузова. Автомобиль при этом практически не «колбасит» – он едет себе и едет, надежно выдерживая скоростную прямую. Но за рулем сидит человек и ему свойственна линейность мышления. Он уверен, что повернуть на скорости 200 км/ч всего лишь вдвое сложнее, чем с сотней на спидометре. Машина же «мыслит» совсем не линейно. Во-первых, необходимая для движения по одной и той же дуге боковая перегрузка при удвоении скорости вырастет вчетверо. Во-вторых, перегрузку эту можно создать только шинами – в первую очередь передними, управляемыми. Они же у нас парят над дорогой, практически ее не касаясь. А тут – поворот. О результате данного маневра, я думаю, рассказывать не нужно.
Такой болезнью страдал даже великолепный гоночный Mercedes. И это лучший вариант по сравнению с тем, который иногда встречается у менее знаменитых автомобилей. Далее вы поймете, почему передние крылья (там, где они вообще есть) почти никогда не бывают такими же большими, как задние.
Представьте себе, что подъемная сила у нас есть, она большая, но действует не на переднюю ось или обе оси сразу, а только на заднюю. Здесь мы оговоримся: наш автомобиль по управляемости «заточен» практически идеально и на маленькой скорости имеет строго нейтральную поворачиваемость. Это означает, что по достижении предела сцепных свойств шин в повороте он начинает плавно скользить сразу всеми четырьмя, изо всех сил пытаясь устоять на нереальной для себя траектории. Но вот мы поехали быстрее, аэродинамика автомобиля заработала на полную, появилась подъемная сила, которая и облегчила нам «хвост» на энное количество килограмм. Предположим, впереди поворот, но мы вваливаем, ничего не подозревая. Оно и не удивительно: на руле никакого подвоха не ощущается, передняя ось держится как ни в чем не бывало. А вот разгруженная задняя ось – уже нет.
Дальше – хуже. автомобиль не только скользит, но и вращается, хочет довернуть и удержаться на дуге еще более крутой. Но держаться то уже нечем и не за что: процесс идет по нарастающей…
Итак, подытожим. То, что подъемная сила не должна быть большой, ясно, думаю, и без дополнительных пояснений. Еще лучше, когда она отрицательна, т.е. автомобиль по мере разгона не «всплывает», а наоборот, прижимается к земле – как многие, правильно сконструированные спорткары. Правда, и наша сила здесь будет уже не подъемной, а именно что прижимающей, за которую беспрестанно борются создатели гоночных «Формул».
Впрочем, у дорожных машин она, независимо от названия, редко бывает большой. Поэтому нам куда важнее не сама величина, а ее распределение между осями. И здесь следует быть очень внимательным. В принципе, эти характеристики можно уточнить (применительно к данной модели, конечно) по справочникам и обзорам. Но в любом случае, если автомобиль ведет себя «как – то не так», если его поведение меняется по мере разгона, если он норовит нехорошо забросить «хвост» при торможении в повороте на высокой скорости, то вот он повод для немедленного вмешательства в аэродинамику.
Компенсация подъёмной силы.
А теперь попробуем поближе присмотреться к методам, посредством которых умудренное опытом человечество привыкло справляться с описанными выше неприятностями. Если говорить именно о подъемной силе, то можно выделить примерно пару основных и принципиально между собой различных способов ее компенсации.
Спойлер.
Первый из них – это, конечно же, всемирно известный спойлер. Его принцип работы легко пояснить на примере из жизни самолетов. Любой, кто рассматривал крыло большого пассажирского лайнера во время захода на посадку, наверно, помнит небольшие плоские пластины, которые периодически отклоняются вверх и встают поперек потока. Это спойлеры. Используют их в случаях, когда нужно быстро снизиться, а то, что пассажиры нередко называют «воздушными ямами» – и есть результат их работы. Поразительно, но такого небольшого препятствия на пути обтекающего крыло воздуха вполне достаточно, чтобы создаваемая им подъемная сила резко пошла на убыль. Поэтому, если спойлеры выпустить все и полностью, самолет начнет падать буквально камнем.
Как это получается? Вспомним опять таки наш поток. При движении над выпуклой поверхностью он как бы прилипает к ней и почти повторяет все ее изгибы – разгоняясь, замедляясь и выполняя все необходимые ему действия. Но вот на пути возникает спойлер. Дальнейшего плавное течение становится невозможным, воздух отрывается от «подложки» и начинает двигаться буквально так, как ему заблагорассудится – в спонтанном вихре по пути наименьшего сопротивления. Естественно, что и подстилающая поверхность за спойлером оказывается «необслуженной»: давление над ней обычно не понижается, а растет и подъемная сила катастрофически падает.
Теперь возьмем какой-нибудь хорошо обтекаемый автомобиль. Например, Audi TT. Подойдите к нему сбоку и вглядитесь в красивый силуэт повнимательнее: ничего не напоминает? Все правильно – это такой нормальный несущий профиль крыла самолета. Подъемной силы там море. И недаром после выхода в свет предыдущей модели знаменитого «пистолета» его первым счастливым обладателям было предложено немедленно обратиться в автосервис за установкой на корму характерной плоской детали: путевая устойчивость на скорости оказалась такой, что дело доходило и до серьезных аварий.
Впрочем, спойлер – палка о двух концах. Если вихрь за ним окажется достаточно мощным и устойчивым, то в его сердцевине возникнет серьезное разрежение (помните воронку, которую мы наблюдаем, размешивая чай в стакане?). То есть, неудачно установленный спойлер может и сам по себе послужить неплохим источником подъемной силы, нарушая правильную аэродинамику.
Антикрыло.
Куда более предсказуемо ведет себя в этом плане антикрыло. В отличии от спойлера, воздух здесь течет по двум поверхностям – верхней и нижней. Путь, который он проходит, различен: снизу длиннее, чем сверху. Соответственно, скорость потока больше, а давление ниже. Эта разность и создает необходимую нам прижимающую силу. В общем ,это просто, но нюансы все же есть. Антикрылу нужна скорость. Поэтому и ставят его по возможности выше, чтобы исключить затенение находящимися перед ним деталями. Кроме того, нижняя поверхность обязательно должна быть свободной от не в меру развитых стоек – именно она, как показывает практика, является рабочей и в значительной степени определяет работоспособность нашей детали.
Альтернатива спойлеру и антикрылу.
Говоря о подъемной силе, невозможно не раскрыть еще один технический фокус, о котором, наверняка, слышали многие. Но чтобы получше показать его суть, назначение и ценность, стоит начать с небольшой предыстории.
Отчего-то считается, что самое большое достижение для любого инженера – это умение придумать какое-нибудь устройство сумасшедшей сложности с такой же космической ценой. Что-то вроде перехватчика Су-27 или болида «Формула – 1». Отчасти это верно, с этим не поспоришь. Но вот создатели первой из названных машин не уставали повторять, что простота – главный результат работы конструктора, что «проще» – синоним слова «лучше». И как такое понимать? А так, что чем больше работает инженер, тем выше его класс, тем проще (при прочих равных условия) получается его система, тем меньше в ней деталей и тем надежнее она работает. Но вот еще нюанс: следуя этой логике, мы приходим к заключению, что самый лучший механизм тот, которого нет! И это будет совершенно правильный вывод.
Пожалуй, самая наглядная демонстрация такого подхода – дверные ручки на «Оке» и тех же Lamborghini. Легко ли там открываются двери? Да. Есть ли у них ручки? Их нет, а значит, они не могут заржаветь, отказать, отломаться.
Диффузор.
Примерно такой же логики, очевидно, придерживались и создатели диффузора – одного из самых замечательных приспособлений среди всей автомобильной аэродинамики. Суть изобретения вот в чем: воздух, обтекающий нашу машину, неизбежно течет и по днищу. В «подполье» он попадает главным образом через щель под передним бампером, а выходит, соответственно, из-под заднего. Если размеры входа будут значительно меньше площади выхода, то возникает интересный эффект: под кузовом создается зона пониженного давления. То есть машина сама из-под себя принудительно откачивает воздух посредством своего же собственного движения.
Чтобы оценить, насколько это полезно, вспомним принцип работы того же антикрыла. Действует оно только благодаря тому, что давление на его нижней поверхности меньше, чем на верхней. В случае с диффузором никакой отдельной аэродинамической поверхности может и не быть, но все-таки она будет. Поскольку ее роль выполняет весь кузов! Конечно, разрежение под машиной получится сравнительно небольшим. Но ведь и приложено оно сразу ко всему днищу, а его площадь сравнима с добрым десятком антикрыльев.
К сожалению, идеальных решений не бывает – проблемы есть и здесь. Во-первых, «подполье» должно быть, по возможности, герметичным, а доступ «постороннего» воздуха под кузов жестко пресекается. Именно поэтому у болидов DMT такие низкие юбки под порогами и передними бамперами. Во-вторых, правильный диффузор начинается расширяться чуть ли не от середины машины. То есть применить его, скажем, в серийных «Жигулях» будет очень непросто – декоративным китайским бампером с дырами здесь не обойдешься. А было бы интересно! Представьте почти обычную на вид «жигу», которая уверенно рисует повороты на скорости под двести…
Впрочем, и традиционные антикрылья ей, скорее всего, не помешают. Ведь как мы помним, подъемная сила должна быть не только маленькой, но и одинаковой спереди и сзади, чего одним только диффузором добиться довольно непросто. А баланс в аэродинамике автомобиля – это главное.
