Зависимость силы сопротивления от формы тела. Спортивные автомобили.»

Почему при одинаковой мощности максимальная скорость автомобилей различается? Почему у одного стекла затягивается пылью, а у другого нет? За счет чего гоночные болиды в повороте развивают пятикратную боковую перегрузку? Вопросы разные, а ответ один – аэродинамика.

Задача снижения лобового сопротивления – приоритетная задача не только для аэродинамики, но, в свете борьбы за экологию, и для всего автомобилестроения в целом.

Сила сопротивления - так рассчитывается сила аэро­динамического сопро­тивления. S – площадь поперечного сечения (м2), V – скорость воздушного потока (м/c), p – плотность воздуха (1,23 кг/м3), Cx - коэффициент аэро­динамического сопротивления. То есть повлиять на величину силы при заданной скорости можно только двумя путями: изменив либо Cx, либо площадь S.

Решение можно искать по двум направлениям. Первое – это уменьшение площади поперечного сечения автомобиля, иными словами, создание более узкого и низкого кузова. Путь весьма эффективный, ибо сопротивление воздуха напрямую зависит от размеров объекта, но, к сожалению, совершенно расходящийся с нынешней тенденцией к увеличению габаритов автомобилей. И увеличению, стоит отметить, немалому, ведь в моду активно входят кроссоверы, вторгающиеся даже в совершенно чуждый им сегмент спортивных, скоростных автомобилей, где требования к аэродинамике предельно высоки.

Единственный вариант – оптимизация процесса обтекания кузова, критерием совершенства которого как раз и является коэффициент аэродинамического сопротивления Cx (или Cw, как иногда встречается в литературе).

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.

сопротивление формы или сопротивление давления – главный фактор, определяющий значение Cx. Причина его возникновения понятна – спереди на автомобиль давит набегающий поток воздуха, а позади его «оттягивает» назад зона разряжения, образующаяся в результате отрыва потока от резко заканчивающегося кузова. Решение проблемы тоже, казалось бы, очевидно – нужно придать автомобилю такую форму, чтобы он плавно рассекал воздух и опять-таки плавно, без отрыва потока от поверхности, позволял ему сойтись позади себя. Но загвоздка в том, что в соответствии с такими требованиями автомобиль должен напоминать дирижабль (точнее, его половину, отрезанную в продольной плоскости), то есть иметь минимум граней и, главное, очень длинную, постепенно сужающуюся заднюю часть. Разумеется, о рациональной компоновке в данном случае говорить трудно.

Распределение давления воздуха на движущийся автомобиль. Красному соответствуют зоны высокого давления, синему – низкого. Обратите внимание на возникающее разряжение позади заднего стекла и, в особенности, за крышкой багажника и бампером – именно эта область главным образом и определяет аэродинамику кузова. И чем меньше она, тем лучше.

К носовой части автомобиля (оформлению бампера, фар и решетки радиатора) требований предъявляется немного, и различные формы могут обеспечивать почти одинаковое сопротивление – все же «разрезать» воздушный поток не составляет больших проблем. Однако в этом месте важно придать воздуху правильно направление, ведь от этого зависит характер обтекания остальной поверхности кузова. В частности, нужно избегать отрыва потока от передней кромки капота – образующая за ней зона разряжения может протянуться аж до лобового стекла и увеличить Cx примерно на 0,05 единиц. Для этого, особенно при сильном наклоне передка, необходимо сглаживать переход к капоту, избегая резких граней.

Дополнительно можно отыграть несколько сотых, установив небольшой передний спойлер. Сам по себе он, конечно, увеличивает Cx, частично препятствуя затеканию воздуха под автомобиль, но это компенсируется падением сопротивления днища, где уже гораздо меньший поток сталкивается с полосой препятствий в виде рычагов подвески, картеров агрегатов и выхлопной системой. Нередко подобного эффекта добиваются и за счет небольшого наклона автомобиля вперед – достаточно даже 2 градусов, чтобы понизить Cx на пару-тройку процентов.

Главный же элемент, определяющий аэродинамику автомобиля – задняя часть кузова. Тут счёт идёт уже на десятые доли Сх!

Наименее эффективной оказывается форма с крутым срезом, то есть кузов типа универсал – поток срывается прямо с кромки крыши, и за машиной образуется обширная зона разряжения, увеличивающая сопротивление движению. Сопутствующей неприятностью является и быстрое загрязнение заднего стекла, ибо в «пустующее» позади пространство активно устремляется поднятая пыль и грязь. И поправить положение никак нельзя, разве что установить дефлектор на крыше, над пятой дверью, отсекающий часть потока вниз – так и стекло будет медленнее пачкаться и разряжение слегка упадет. Подобное решение часто встречается на современных универсалах.

Кузова со скошенной задней частью (как правило, хэтчбеки) выглядят, на первый взгляд, предпочтительнее – поток стекает по наклонной поверхности и отрывается внизу пятой двери, оставляя гораздо меньшую область разряжения. Однако справедливо это лишь при малом наклоне задка, не более 23-х градусов. Среди современных гражданских автомобилей такой формой обладают, пожалуй, только Audi A5 Sportback да Porsche Panamera. Большинство же остальных хэтчбеков и близко не подбираются к этой цифре, а потому по обтекаемости они эквивалентны универсалам и точно так же оснащаются задним стеклоочистителем. Попытки же приблизиться к оптимальному углу чреваты еще большими проблемами. А дело в том, что при уменьшении наклона до 28-32 градусов воздушный поток оказывается в неком переходном состоянии – точка отрыва уже перемещается на нижнюю кромку задка, но плавного обтекания еще наблюдается. При этом на наклонной поверхности возникают так называемые кромочные вихри – потоки с боков кузова начинают попадать на наклонный задок и, закручиваясь по спирали, создают значительное разряжение позади автомобиля. И хотя заднее стекло уже не пачкается, ибо вихри направлены вниз, Cx получается наихудшим. В свое время именно с такой проблемой столкнулся АЗЛК-2141 «Москвич» (позднее – «Москвич Святогор»), который при всей своей визуальной обтекаемости, имел Cx около 0,47.

Читая пресс-релизы и отслеживая презентации новых моделей, трудно усомниться в прогрессе автомобильной аэродинамики – столь восторженно автопроизводители докладывают о своих достижениях. Однако если посмотреть на такие дорогие машины как BMW и Mercedes, то с удивлением можно обнаружить, что за последние 15-20 лет улучшений практически нет. Например, Cx BMW 7 серии образца 1986 года равнялся 0,34, а последней модели – только 0,31. Более того, новый Mercedes E-класса с его Сх равным 0,27, кстати, весьма неплохой величиной по нынешним меркам, оказывается на одном уровне с E-классом 1995-го модельного года! Аналогичная картина и c BMW 5 серии.

Таким образом, нижняя граница Сх нащупана уже давно, а наблюдаемый прогресс объясняется лишь снижением стоимости исследований, что позволило менее именитым брендам подтянуться к компаниям, изначально не жалевшим денег на проработку аэродинамики.

А как же двигаться дальше? Об этом уже давно говорят многие специалисты – необходимо вновь пересматривать роль аэродинамики в процессе создания автомобиля. Нужны новые формы, новые пропорции, главенство инженерной мысли над фантазией дизайнера. И потенциал здесь скрыт немалый – речь не только о выведенной еще в 20-ых годах идеальной форме с Сх 0,16, но и о более поздних исследованиях, подтвердивших, что обтекаемость и рациональная компоновка – понятия не взаимоисключающие.